Nêutron: Saiba Como Ele Foi Descoberto e Entenda a Sua Função

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O nêutron é uma partícula subatômica, símbolo n ou n0, sem carga elétrica liquida e uma massa ligeiramente maior que a de um próton. Além disso, prótons e nêutrons constituem o núcleo dos átomos.

Prótons e nêutrons se comportam de maneira semelhante dentro do núcleo. Cada um deles tem uma massa de aproximadamente uma unidade de massa atômica, ambos são referidos como núcleons. Suas propriedades e interações são descritas na física nuclear.

As propriedades químicas e nucleares do núcleo são determinadas pelo número de prótons chamado número atômico e o número de nêutrons. O número de massa atômica é o número total de núcleons.

Os nêutrons são necessários para a estabilidade dos núcleos com exceção dos átomos de hidrogênio de próton único. Os neutros são produzidos copiosamente em fissão nuclear e fusão. Eles são um contribuinte primário para a nucleossíntese de elementos químicos dentro de estrelas através de processos de captura de fissão, fusão e nêutrons.

O nêutron é essencial para a produção de energia nuclear. Na década após o nêutron ter sido descoberto por James Chadwick em 1932; os nêutrons foram usados para induzir muitos tipos diferentes de transmutações nucleares.

Com a descoberta da fissão nuclear em 1938, rapidamente se percebeu que, se um evento de fissão produzisse nêutrons; cada um desses nêutrons poderia causar mais eventos de fissão, em cascata conhecida como reação em cadeia nuclear. Esses eventos e descobertas levaram ao primeiro reator nuclear autossustentável e à primeira arma nuclear.

Este artigo é sobre o nêutron continue lendo e entenda mais sobre:

História dos Nêutrons

Descoberta dos Nêutrons

O Decaimento Beta

Propriedades Intrínsecas

Fontes e Produção

História dos Nêutrons

Hoje sabemos que o nêutron não é uma partícula elementar, mas quando foi descoberto, ele assim era considerado.

Sabemos que partículas de mesma carga se repelem por causa da repulsão elétrica. Desta forma não seria possível um núcleo atômico ser estável contendo apenas prótons; fazendo-se necessário uma partícula neutra, que estivesse presente no núcleo dos átomos, para dar essa estabilidade.

Então os cientistas passaram a buscar essa partícula neutra do núcleo.

Descoberta dos Nêutrons

A história da descoberta do nêutron e suas propriedades é central para os desenvolvimentos extraordinários na física atômica, que ocorreram na primeira metade do século XX, levando finalmente a bomba atômica em 1945.

No modelo de Rutherford de 1911, o átomo consistia em um pequeno núcleo massivo positivamente carregado, rodeado por uma nuvem muito maior de elétrons carregados negativamente.

Em 1920, Rutherford sugeriu que o núcleo consistia de prótons positivos e partículas com carga neutra. Sugerindo assim, como sendo um próton e um elétron ligado de alguma forma. Supunha-se que os elétrons residissem dentro do núcleo, porque se sabia que a radiação beta consistia em elétrons emitidos do núcleo.

Ao longo da década de 1920, os físicos assumiram que o núcleo atômico era composto de prótons e elétrons nucleares, mas havia problemas óbvios. Foi difícil conciliar o modelo próton-elétron para os núcleos com a relação de incerteza de Heisenberg da mecânica quântica.

O paradoxo de Klein, descoberto por Oscar Klein em 1928; apresentou mais objeções da mecânica quântica à noção de um elétron confinado dentro de um núcleo. Propriedades observadas de átomos e moléculas eram inconsistentes com o spin nuclear esperado da hipótese próton-elétron.

O Modelo Próton-Nêutron

Em 1931, Walther Bothe e Herbert Becker descobriram que, se a radiação de partículas alfa do polônio caísse sobre berílio, borro ou lítio, uma radiação invulgarmente penetrante seria produzida. A radiação não foi influenciada por um campo elétrico, de modo que Bothe e Becker supuseram que fosse radiação gama.

Na ano seguinte, Irène Joliot-Curie e Fréderic Joliot em Paris, mostraram que se esta radiação “gama” caísse sobre parafina ou qualquer outro composto contendo hidrogênio, ejetaria prótons de energia muito alta. Nem Rutherford nem James Chadwick no laboratório Cavendish em Cambridge foram convencidos pela interpretação de raios Gama.

Bem, Chadwick rapidamente realizou uma série de experimentos que mostraram que a nova radiação consistia de partículas não carregadas com a mesma massa que o próton. Essas partículas eram nêutrons. Chadwick ganhou o Prêmio Nobel de Física por essa descoberta em 1935.

Modelos para núcleos atômicos constituídos de prótons foram rapidamente desenvolvidos por Werner Heisenberg e outros. Entretanto o modelo próton-nêutron explicou o enigma das rotações nucleares.

As origens da radiação beta foram explicadas por Enrico Fermi, em 1934, pelo processo de decaimento beta. No qual o nêutron decai para um próton criando um elétron e um neutrino. Em 1935, Chadwick e seu estudante de doutorado, Maurice Goldhaber, relataram a primeira medição precisa da massa do nêutron.

O Decaimento Beta

A interação fraca é uma das quatro forças fundamentais da natureza que é responsável, entre outros processos, pelo decaimento beta nuclear. Um desses decaimentos está intimamente ligado com o nêutron: o  β. A emissão de uma partícula βfaz com que um nêutron se torne um próton (p+), um elétron (e) e um antineutrino. Quando se liberta um nêutron do núcleo atômico o mesmo decai em um intervalo de tempo aproximado de 15 minutos.

Se não fosse o antineutrino não haveria conservação do momento angular. Para que houvesse essa conservação, Pauli que postulou em 1931 a existência de uma partícula que foi nomeada por Fermi de neutrino, o pequeno nêutron. Logo, esta partícula deveria ter: carga nula; spin igual a ½; massa igual ou muito próxima de 0.

O neutrino e sua antipartícula, o antineutrino, possuem carga e massa igual a zero ou muito próximo disso e então não produzem praticamente nenhum efeito observável quando estes passam através da matéria. No entanto, essas partículas só vieram a ser descobertas em 1953, por Frederick Reines e Clyde Cowan. Foi quando detectou-se essas partículas diretamente pela primeira vez.

Geralmente, o decaimento da partícula beta ocorre com nuclídeos onde existem mais nêutrons do que prótons e, portanto, não há estabilidade. No decaimento βo número de nêutrons diminui em 1, já o número de prótons cresce em 1. Deste modo, o número da massa (A) não varia.

Propriedades Intrínsecas

Massa

A massa de um nêutron não pode ser diretamente determinada por espectrometria de massa devido à falta de carga elétrica. No entanto, como as massas de um próton e de um deutério podem ser medidas com um espectrômetro de massa, a massa de um nêutron pode ser deduzida pela subtração da massa de prótons da massa de deutério, com a diferença da massa de nêutron mais a energia de ligação deutério (expresso como energia emitida positiva).

Este último pode ser medido diretamente, medindo a energia (Bd) do único fóton gama MeV emitido quando os nêutrons são capturados por prótons (isto é exotérmico e acontece com nêutrons de energia zero), mais a pequena energia cinética de recuo (Erd) do deutério (cerca de 0,06% da energia total).

Spin

O nêutron é um spin 1/2 partícula, isto é, é um férmion com momento angular intrínseco igual a 1/2. Por muitos anos após a descoberta do nêutron, seu giro exato era ambíguo. Embora fosse assumido como sendo uma partícula de spin 1/2 Dirac, a possibilidade de que o nêutron fosse uma partícula de spin 3/2 permaneceu.

As interações do momento magnético do nêutron com campo magnético externo foram exploradas para finalmente determinar o spin do nêutron. Em 1949, Hughes e Burgy mediram nêutrons refletidos de um espelho ferromagnético. Descobriram que a distribuição angular das reflexões era consistente com o spin 1/2.

Em 1954, Sherwood, Stephenson e Bernstein empregaram nêutrons em um experimento de Sterm-Gerlach que usava um campo magnético para separar os estados de spin de nêutrons. Eles registram dois desses estados de spin, consistentes com um spin 1/2 partícula.

Como férmion, o nêutron está sujeito ao princípio de exclusão de Pauli; dois nêutrons não podem ter os mesmos números quânticos. Esta é a fonte da pressão de degenerescência que torna as estrelas de nêutrons possíveis.

Estrutura Geométrica da Distribuição de Carga

Um artigo publicado em 2007, apresentando uma análise independente do modelo; concluiu que o nêutron tem um exterior carregado negativamente, um núcleo carregado positivamente e um núcleo negativo.

Em uma visão clássica simplificada, a “pele” negativa do nêutron, ajuda-o a ser atraído aos prótons com os quais interage no núcleo. No entanto, a principal atração entre nêutrons e prótons é através da força nuclear, que não envolve carga.

A visão clássica simplificada da distribuição de carga dos nêutrons, também explica o fato de que o dipolo magnético de nêutrons aponta na direção oposta de seu vetor de momento angular de spin (comparado com o próton).

Isto dá ao nêutron, com efeito, um momento que se assemelha a uma partícula carregada negativamente. Isso pode ser reconciliado classicamente com um nêutron neutro, composto por uma distribuição de carga, na qual as subpartículas negativas do nêutron têm um raio de distribuição médio maior e, portanto, contribuem mais para o momento dipolar magnético da partícula do que as partes positivas que são, em média, mais próximo do núcleo.

Antinêutron

O antinêutron é a antipartícula do nêutron. Foi descoberto por Bruce Cork em 1956, um ano depois da descoberta do antipróton. A simetria CTP impõe fortes restrições as propriedades relativas das partículas e antipartículas. De modo que o estudo dos rendimentos de antinêutrons fornece testes rigorosos de simetria CTP.

A diferença fracionaria nas massas do nêutron e antinêutron é (9 ± 6) x 10-5. Uma vez que a diferença é apenas cerca de dois desvios padrão de zero, isso não dá nenhuma evidência convincente de violação do CTP.

Fontes e Produção

Os nêutrons livres são instáveis, embora tenham a meia vida mais longa de qualquer partícula subatômica em várias ordens de grandeza. Sua meia-vida ainda é apenas cerca de dez minutos, no entanto, eles podem ser obtidos apenas de fontes que os produzem continuamente.

Fundo de Nêutrons Naturais

Um pequeno fluxo de fundo natural de nêutrons livres existe em toda parte na Terra. Na atmosfera e no fundo do oceano, o “fundo de nêutrons” é causado por múons produzidos pela interação dos raios cósmicos com a atmosfera. Esses múons de alta energia são capazes de penetrar a profundidades consideráveis na água e no solo.

Lá em impressionantes núcleos atômicos, entre outras reações, induzem reações de espalação nas quais um nêutron é liberado do núcleo. Dentro da crosta terrestre, uma segunda fonte são os nêutrons produzidos principalmente pela fissão espontânea de urânio e tório presentes nos minerais crustais.

O fundo de nêutrons não é forte o suficiente para ser um perigo biológico, mas é importante para detectores de partículas de resolução muito alta, que estão procurando por eventos muito raros com interações (hipotéticas), que podem ser causadas por partículas de matéria escura.

Fontes de Nêutrons para Pesquisa

Estes incluem certos tipos de decaimento radioativo (fissão espontânea e emissão de nêutrons), e de certas reações nucleares. Reações nucleares convenientes incluem reações de mesa, como bombardeamento natural alfa e gama de certos nuclídeos; muitas vezes berílio ou deutério e indução de fissão nuclear, assim como ocorre em reatores nucleares.

Além disso, reações nucleares de alta energia (como ocorre em chuveiros de radiação cósmica ou colisões de aceleradores), também produzem nêutrons a partir da desintegração dos núcleos alvo. Pequenos aceleradores de partículas otimizados para produzir nêutrons livres dessa forma, são chamados de geradores de nêutrons.

Os reatores de fissão nuclear produzem naturalmente nêutrons livres; seu papel é sustentar a reação em cadeia produtora de energia. A intensa radiação de nêutrons, também pode ser usada para produzir vários radioisótopos através do processo de ativação de nêutrons, que é um tipo de captura de nêutrons.

Reatores de fusão nuclear produzem nêutrons livres como um produto residual. No entanto, são esses nêutrons que possuem a maior parte da energia e converter essa energia em uma forma útil provou ser um desafio de engenharia difícil.

Os reatores de fusão que geram nêutrons provavelmente criam resíduos radioativos, mas o resíduo é composto de isótopos mais leves ativados por nêutrons, que tem períodos de decaimento relativamente curtos (50-100 anos) em comparação com meias-vidas típicas de 10.000 anos para os resíduos de fissão, que é devido, em grande parte, principalmente à longa meia-vida dos actinídeos transurânicos que emitem alfa.

Feixes de Nêutrons e Modificação de Vigas Após a Produção

Feixes de nêutrons livres são obtidos de fontes de nêutrons por transporte de nêutrons. Para acesso a fontes intensas de nêutrons, os pesquisadores devem ir a uma instalação especializada de nêutrons que opera um reator de pesquisa ou uma fonte de espalhamento.

A falta de carga elétrica total do nêutron torna difícil guiá-lo ou acelerá-lo. Partículas carregadas podem ser aceleradas, desaceleradas ou defletidas por campos elétricos ou magnéticos.

Esses métodos têm pouco efeito sobre os nêutrons. No entanto, alguns efeitos podem ser atingidos pelo uso de campos magnéticos não homogêneos devido ao momento magnético do nêutron. Os nêutrons podem ser controlados por métodos que incluem moderação, reflexão e seleção de velocidade.

Nêutrons térmicos podem ser polarizados por transmissão através de materiais magnéticos em um método análogo ao efeito Faraday para fótons. Nêutrons frios de comprimento de onda de 6 a 7 angstroms, podem ser produzidos em feixes de alto grau de polarização, por meio de espelhos magnéticos e filtros de interferência magnetizados.

Referências:

  1. Wikipédia, Neutron, disponível, neste link.
  2. Wikipédia, Nêutron, disponível, neste link.

Imagem Wikimedia Commons.