4.10: Neutrones

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¿Sherlock Holmes era real o producto de la imaginación de alguien?

El detective más famoso de la historia y la literatura nunca existió. Sherlock Holmes fue la creación del autor británico Sir Arthur Conan Doyle. Esta persona mítica tenía capacidades mucho más allá de las de los simples mortales. Holmes fue capaz de avistar la más mínima pista, la más pequeña pieza de evidencia para resolver el crimen. Podía vincular todo tipo de datos aparentemente irrelevantes en un todo coherente para aclarar cualquier misterio con el que estaba lidiando.

La búsqueda del neutrón

Generalmente se considera que las pistas involucran la presencia de algo —una huella, un trozo de tela, una mancha de sangre, algo tangible que podemos medir directamente. Los descubrimientos del electrón y del protón se lograron con la ayuda de ese tipo de pistas. Los experimentos con tubos de rayos catódicos mostraron tanto los electrones cargados negativamente emitidos por el cátodo como el protón cargado positivamente (también emitido por el cátodo). El neutrón se encontró inicialmente no por una observación directa, sino al anotar lo que no se encontró.

La investigación había demostrado las propiedades del electrón y del protón. Los científicos aprendieron que aproximadamente 1,837 electrones pesaban lo mismo que un protón. Había evidencia que sugería que los electrones iban alrededor del núcleo pesado compuesto por protones. La carga se equilibró con igual número de electrones y protones que constituían un átomo eléctricamente neutro. Pero había un problema con este modelo —el número atómico (número de protones) no coincidía con el peso atómico. De hecho, el número atómico solía ser aproximadamente la mitad del peso atómico. Esto indicaba que algo más debe estar presente. Ese algo debe pesar aproximadamente lo mismo que un protón, pero no podría tener carga —esta nueva partícula tenía que ser eléctricamente neutra.

En 1920, Ernest Rutherford intentó explicar este fenómeno a través de la presencia de otra partícula en el núcleo. Propuso que las partículas “extra” eran protones y electrones que se habían combinado en una nueva partícula en el núcleo (este no resultó ser el caso). Estas nuevas partículas tendrían una masa muy similar a un protón, pero serían eléctricamente neutras ya que la carga positiva del protón y la carga negativa del electrón se cancelarían entre sí.

En 1930, investigadores alemanes bombardearon el elemento berilio con partículas alfa (núcleos de helio que contenían dos protones y dos neutrones con una carga de +2). Las partículas producidas en este proceso tenían un fuerte poder penetrante, lo que sugería que eran bastante grandes. Además, no se vieron afectados por un campo magnético, por lo que fueron eléctricamente neutros. El equipo francés de investigación marido-esposa de Frederic e Irene Joliot-Curie utilizó estos nuevos “rayos” para bombardear parafina, que era rica en protones. Las partículas desconocidas produjeron una gran emisión de protones de la parafina.

El físico inglés James Chadwick (1891-1974) repitió estos experimentos y estudió la energía de estas partículas. Al medir velocidades, pudo demostrar que la nueva partícula tiene esencialmente la misma masa que un protón. Entonces ahora tenemos una tercera partícula subatómica con una masa igual a la de un protón, pero sin carga. Esta partícula se llama el neutrón. Chadwick ganó el Premio Nobel de Física en 1935 por su investigación.

Aplicaciones de neutrones

Los neutrones se pueden usar de diversas maneras. Un uso importante es en la fisión nuclear para producir nuevos isótopos. Un neutrón colisionará con un átomo grande (como el uranio) y hará que se divida en átomos más pequeños, como en la figura a continuación.

Los reactores nucleares utilizan reacciones en cadena que involucran neutrones para calentar agua que impulsan turbinas para la generación de electricidad. Cuando un neutrón choca con un átomo grande, el átomo se divide con la liberación de más neutrones y también una gran cantidad de energía. La energía convierte el agua en vapor para la turbina, mientras que los neutrones sirven para continuar la reacción en cadena (ver figura abajo).

Resumen

Rutherford propuso que las partículas “extra” en el núcleo eran combinaciones de protones y electrones.
El bombardeo de berilio con partículas alfa produjo partículas grandes y neutras.
Chadwick determinó la masa del neutrón.
La fisión nuclear produce nuevos elementos.
Los reactores nucleares utilizan reacciones en cadena para producir calor.

Revisar

¿Cómo intentó Rutherford explicar las diferencias entre el número de protones en el núcleo y el peso atómico?
¿Qué encontraron los investigadores alemanes cuando bombardearon berilio con partículas alfa?
¿Qué determinó Chadwick sobre estas nuevas partículas (observadas por el científico alemán y los Curies)?