Neutrón: qué es, carga, masa y descubrimiento

El neutrón es una partícula subatómica presente en el núcleo que acompaña a los protones y cuya ausencia de carga permite mantener la estabilidad electrostática dentro del átomo. Gracias a ello, los protones pueden concentrarse en el núcleo impidiendo que las fuerzas de repulsión rompan su cohesión. Dada su importancia, la presencia de neutrones establece ciertas propiedades físicas y químicas como la masa atómica.

La reactividad química también es una propiedad dependiente de los neutrones, ya que la variación de estos induce una configuración electrónica diferente a los electrones. Esto ocurre en los isótopos, variantes de un mismo elemento químico donde la cantidad de neutrones es diferente, induciendo que propiedades específicas como la densidad, la solubilidad o el punto de ebullición también lo sean.

Como se ha señalado anteriormente, la principal característica del neutrón es su carga neutra. Esta condición implica que los componentes del neutrón, denominados quarks, están compensados. Gracias a su fuerza nuclear de corto alcance, los neutrones pueden vencer las fuerzas de repulsión entre los protones y mantenerlos unidos en el núcleo. A diferencia de los electrones, los neutrones actúan como una sola entidad, lo cual impide una distinción entre momento angular orbital y espín. Por ello, los neutrones poseen un espín con valor ½, es decir, un momento angular intrínseco. Fuera del núcleo atómico, los neutrones son inestables y se desintegran con facilidad en otras partículas subatómicas. Pasados 15 minutos los neutrones libres se descomponen en protones, electrones y antineutrinos a través de un proceso conocido como desintegración beta.

Este fenómeno consiste en la transformación de uno de los quarks del neutrón en un quark de protón gracias a la interacción de un bosón de gauge, también llamado W, emitido por el propio núcleo. El electrón emitido conserva la energía cinética por lo que puede seguir interactuando con otras formas de materia. En cambio, el antineutrino es una partícula liviana y neutra que apenas interactúa con otros elementos. La variación en el número de protones promovida por este acontecimiento, permite que un elemento pase a otro diferente, constituyendo la base de la desintegración radiactiva.

Los neutrones tienen diferentes rangos de energía, los cuales determinan sus aplicaciones industriales. Para los neutrones de baja energía se reservan los procesos de fisión nuclear enfocados a la obtención de energía. Mientras, los neutrones de alta energía se utilizan en la industria médica para tratar enfermedades graves como el cáncer mediante un proceso conocido como radiación neutrónica.

Carga de un neutrón

La carga eléctrica del neutrón está equilibrada, ya que la suma de las cargas de sus componentes o quarks es 0. Por tanto su fuerza de atracción electrostática es nula a efectos prácticos. Sin embargo, su fuerza nuclear, la cual mantiene unidos los protones, es muy fuerte. Esta condición se debe a la interacción de los quarks con los gluones, un tipo de bosón, que concibe a esta unión una fuerza nuclear poderosa a corto alcance. Por otro lado, los electrones más cercanos al núcleo mantienen una distancia de decenas de ordenes de magnitud. Por tanto, los neutrones pueden retener a los protones, pero no pueden vencer las fuerzas de repulsión entre los electrones. Por ello, los electrones se dispersan alrededor del átomo sin que los neutrones alcancen valores significativos que superen otras fuerzas.

Masa de un neutrón

La masa del neutrón alcanza valores de 1,67x10^-27 kg siendo ligeramente mayor que el protón. En comparación con los electrones, la masa del neutrón es mucho mayor. Esta condición ejerce una fuerza gravitatoria sobre los electrones incapaz de competir con la fuerza electromagnética dentro del átomo. Sin embargo, en condiciones extremas con grandes valores de densidad, la fuerza gravitatoria comprime las partículas subatómicas, transformándolas en estrellas de neutrones.

El neutrón fue descubierto en el año 1932 por el físico James Chadwick. Su existencia permitió explicar la estabilidad del núcleo que, en situaciones normales, debía regirse por las fuerzas de repulsión entre sus partículas, pero que encontraba su contraparte en la fuerza nuclear. Sin embargo, los estudios de Chadwick comprobaron las ideas que otros científicos pusieron sobre la mesa previamente.

Las anomalías y la identificación de varios tipos de desintegraciones radiactivas observadas por Rutherford indujeron a Wolfgang Pauli a pensar en la existencia de una partícula neutra dentro del núcleo atómico. Propuso que una partícula invisible sin carga intervendría durante la desintegración beta acaparando parte de la energía y el momento. De tal forma, esta partícula subatómica no dejaría rastros de su interacción con el resto. Aunque no indagó mucho en esta teoría, profesionales como Enrico Fermi tomaron en serio sus consideraciones, aunque con un éxito modesto en sus primeros años.

Retomando los experimentos de Chadwick, este bombardeó una lámina de berilio con partículas alfa o núcleos de helio, observando la emisión de protones, radiación gamma y otro tipo de emisión radiactiva desconocida. En un nuevo intento hizo pasar esa radiación ignota por una lámina de parafina rica en átomos de H. Chadwick midió el ángulo y la energía de las partículas alfa emitidas y concreto la existencia de partículas neutras con una masa similar a la del protón. Esta nueva partícula subatómica con carga neutra fue bautizada como neutrón, lo que permitió una mejor comprensión del núcleo atómico y de sus procesos asociados.

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Una de las principales funciones del neutrón es actuar como pegamento para garantizar la estabilidad del núcleo. Gracias a su condición neutra y la intensidad de su fuerza nuclear vence las fuerzas de repulsión que imperan entre las partículas de carga positiva del núcleo atómico. Dotando al elemento de una estabilidad impensable en su ausencia. Su desintegración permite comprender con mayor detalle los procesos radiactivos y la fisión nuclear.

Además, la existencia de diversos isótopos, permiten aplicaciones industriales útiles en diferentes campos de investigación como la medicina. La ausencia de carga permite usarlos como blanco en experimentos para descubrir la estructura molecular de los materiales. En consecuencia, los neutrones son partículas elementales que permiten una comprensión más profunda del universo.

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