Definición de Neutrón

Ángel Zamora Ramírez
Licenciado en Física

Los neutrones son partículas subatómicas sin carga eléctrica que, junto a los protones, forman parte de los núcleos atómicos. El neutrón pertenece a la familia de los bariones, ya que está formado por tres quarks, puede interactuar por medio de la fuerza nuclear fuerte y obedece el Principio de Exclusión de Pauli.

En el núcleo atómico los neutrones juegan un papel fundamental. Los protones del núcleo atómico, además de interactuar por medio de la fuerza nuclear fuerte, también se repelen eléctricamente debido a que poseen carga del mismo signo. Los neutrones aportan un extra de fuerza nuclear fuerte que evita que los protones salgan disparados del núcleo atómico y con ello brinda estabilidad. Los neutrones también son clave en la producción de energía por medio de fisión nuclear ya que son los iniciadores del proceso y de la reacción en cadena.

Descubrimiento del neutrón

Después de su experimento con la lámina de oro, Rutherford en 1911 publicó su concepción de la estructura del átomo, lo cual en un futuro se conocería como “Modelo de Rutherford”. Se trata del clásico modelo que todos tenemos del átomo, un núcleo alrededor del cual giran los electrones de manera análoga a como los planetas orbitan el Sol, es por eso que muchas veces este modelo también se conoce como “Modelo Planetario del Átomo”.

Según Rutherford, en el núcleo se encontraban los protones de carga positiva y los electrones de carga negativa giraban alrededor de estos con ayuda de la fuerza eléctrica. No obstante, este modelo de Rutherford tenía algunos problemas. Primero, los protones confinados en el núcleo atómico tendrían que salir disparados debido a la repulsión eléctrica entre estos, de ser esto así el átomo ni siquiera existiría. Y segunda, en el caso del átomo de hidrógeno la masa de este era la suma de la masa del protón y del electrón, sin embargo, conforme se iba escalando en la tabla periódica se dieron cuenta que la masa experimental de los átomos era mayor a la masa de la suma del número de protones y del número de electrones.

Viendo este problema, Rutherford en 1920 propuso que debería existir una partícula con una masa parecida a la del protón y que estuviera igualmente confinada en el núcleo atómico. Además, esta partícula debía de carecer de carga eléctrica para no romper la carga eléctrica neutro del átomo. Debido a esta última característica, el físico estadounidense William Draper Harkins acuñó el nombre “neutrón” para referirse a esta partícula hipotética.

Más tarde, en 1930 los científicos alemanes Walther Bothe y Herbert Becker descubrieron que, al bombardear algunos elementos ligeros, en especial el berilio, con partículas alfa provenientes de polonio, estos emitían un tipo de radiación muy penetrante. En un principio se pensó que se trataba de radiación gamma, sin embargo, realizando mediciones se dieron cuenta que este nuevo tipo de radiación era mucho más penetrante.

Hacía 1932 Irene Joliot-Curie y Fréderic Joliot observaron que cuando la radiación proveniente del berilio golpeaba algún material rico en hidrógeno, como la parafina, este emitía núcleos de hidrógeno (protones). Con esto quedaba descartada la hipótesis de que la radiación penetrante emitida por el berilio eran rayos gamma. Pero además de esto, al medir la energía de los protones expulsados se dieron cuenta que para lograr eso la radiación desconocida incidente debía de tener una energía 10 veces mayor a la que se había medido previamente. Esto parecía indicar una violación de la conservación de la energía y del momento lineal.

A finales de 1932 el físico inglés James Chadwick se basó en estos resultados para llevar a cabo una serie de experimentos parecidos a los de los Joliot-Curie. Chadwick midió la energía de los protones expulsados observando la ionización que producen. Una vez hecho esto Chadwick hipotetizó que esta radiación desconocida tenía en realidad naturaleza corpuscular y los protones expulsados eran resultado de colisiones elásticas entre los corpúsculos y los protones, de esta manera se aseguraba la conservación de la energía y del momento lineal.

Aplicando las leyes de conservación de la energía y del momento lineal y conociendo las velocidades de los protones expulsados, Chadwick pudo determinar la masa de los corpúsculos que componían este tipo de radiación y se percató que tenían un valor muy parecido a la masa del protón. Las características de esta nueva partícula eran prácticamente iguales al neutrón propuesto por Rutherford. De esta manera James Chadwick descubrió el neutrón y su hallazgo le valió el Premio Nobel de Física de 1945.

El neutrón y la fisión nuclear

Después del descubrimiento del neutrón muchos físicos alrededor del mundo se pusieron a realizar experimentos con ellos. En 1938 los químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann se encontraban realizando experimentos con uranio, particularmente bombardeaban uranio con neutrones para obtener nuevos elementos por captura de neutrones o emisión de otras partículas. En su lugar encontraron bario, un elemento mucho más ligero que el uranio. Ninguno de los procesos nucleares conocidos hasta la época podía explicar esto.

Poco tiempo después Lise Meitner y Otto Frisch resolvieron este enigma y descubrieron el proceso de fisión nuclear. Algunos isótopos como el Uranio-235 se fragmentan cuando son golpeados por un neutrón, en el caso del Uranio-235 se produce Bario, Criptón, neutrones y se libera energía. Hahn y Fritz habían observado entonces la fisión del Uranio-235.

Más tarde, se descubrió que los neutrones generados en un proceso de fisión nuclear podían golpear otros núcleos produciendo otros procesos de fisión y generando más neutrones que fisionarían otros núcleos y así sucesivamente. Esta reacción en cadena es el principio bajo el cual funcionan los reactores nucleares de fisión, pero también fue la motivación para construir la bomba atómica.

Por: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado en Física egresado de la Universidad de Colima. Maestro en Ciencias en Ingeniería y Física Biomédicas egresado del CINVESTAV. Amante de la divulgación científica.

Trabajo publicado en: Jul., 2010.

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