Los neutrones son diminutas partículas subatómicas que, junto con los protones, forman el núcleo de los átomos. átomo.
Mientras que la cantidad de protones determina qué elemento es un átomo, la cantidad de neutrones en el núcleo puede variar, lo que da como resultado diferentes isótopos de un elemento. Por ejemplo, el hidrógeno ordinario contiene un protón y ningún neutrón, pero los isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio, tienen uno y dos neutrones, respectivamente, además del protón.
Los neutrones son partículas compuestas formadas por tres partículas elementales más pequeñas. queso cottagemantenidas juntas por el Gran poder. Más específicamente, un neutrón contiene un quark «arriba» y dos «abajo». Las partículas formadas por tres quarks se denominan bariones y, por lo tanto, los bariones contribuyen a toda la materia «visible» bariónica. universo.
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¿Quién descubrió los neutrones?
A ernesto rutherford (con la ayuda de ernesto marsden y hans geigerexperimento de Goldblatt) había descubierto en 1911 que los átomos tienen un núcleo, y nueve años más tarde descubrió que los núcleos atómicos están hechos al menos en parte de protones, descubriendo el neutrón en 1932 james chadwick por supuesto seguido.
La idea de que debe haber algo más en un núcleo atómico surgió del hecho de que el número de protones no se correspondía con el peso atómico de un átomo. Por ejemplo, un átomo de oxígeno contiene 8 protones pero tiene un peso atómico de 16, lo que sugiere que contiene otras 8 partículas. Sin embargo, estas misteriosas partículas tendrían que ser eléctricamente neutras, ya que los átomos normalmente no tienen una carga eléctrica general (la carga negativa de los electrones cancela la carga positiva de los protones).
En ese momento, varios científicos estaban experimentando con él. partícula alfa, otro nombre para los núcleos de helio, que bombardean el material hecho del elemento berilio con una corriente de partículas alfa. Cuando las partículas alfa chocaron con los átomos de berilio, crearon partículas misteriosas que parecían emanar del interior de los átomos de berilio. Chadwick llevó estos experimentos un paso más allá y vio que cuando las misteriosas partículas golpeaban un objetivo de cera de parafina, despedían protones de alta energía. Para ello, argumentó Chadwick, las misteriosas partículas tendrían que tener más o menos la misma masa que un protón. Chadwick declaró que esta partícula misteriosa era un neutrón y recibió el Premio Nobel de 1935 por su descubrimiento.
Neutrones: masa y carga
Como sugiere su nombre, los neutrones son eléctricamente neutros, lo que significa que no tienen carga. Su masa es 1,008 veces la masa del protón, aproximadamente un 0,1% más.
A los neutrones no les gusta existir solos fuera del núcleo. La energía de unión de la Fuerza fuerte entre ellos y los protones en el núcleo los mantiene estables, pero cuando viajan solos, sucumben. decaimiento beta después de unos 15 minutos se transforma en un protón, un electrón y un antineutrino.
Albert Einstein, dijo en su famosa ecuación E = mc2 que masa y energía son equivalentes. Aunque la masa de un neutrón y un protón difieren solo ligeramente, esta pequeña diferencia significa que un neutrón tiene más masa y, por lo tanto, más energía que un protón y un electrón combinados. Por lo tanto, cuando un neutrón decae, se crean un protón y un electrón.
Isótopos y radiactividad
Un isótopo es una variación de un elemento que tiene más neutrones. Por ejemplo, anteriormente en este artículo dimos el ejemplo de los isótopos de hidrógeno deuterio y tritio, que tienen 1 y 2 neutrones adicionales, respectivamente. Algunos isótopos son estables, por ejemplo, el deuterio. Otros son inestables e inevitablemente experimentan una descomposición radiactiva. El tritio es inestable: tiene una vida media de unos 12 años (una vida media es el tiempo que, en promedio, tarda en desintegrarse la mitad de una cantidad dada de un isótopo como el tritio), pero otros isótopos se descomponen mucho más rápido, en cuestión de minutos, segundos o incluso fracciones de segundo.
Los neutrones también son herramientas esenciales en las reacciones nucleares, especialmente para iniciar una reacción en cadena. Los neutrones absorbidos por los núcleos atómicos crean isótopos inestables, que luego pasan a través Fisión nuclear (Separándose en dos núcleos hijos menores de otros elementos). Por ejemplo, si el uranio-235 absorbe un neutrón extra, se vuelve inestable y se rompe, liberando energía.
Los neutrones también son fundamentales en la formación de elementos pesados en estrellas masivas, a través de un mecanismo conocido como proceso r, donde «r» significa «rápido». Este proceso fue descrito por primera vez en el famoso artículo B2FH, ganador del Premio Nobel, por Margarita y Geoffrey Burbidge, William Fowler y fred hoyle que describió los orígenes de los elementos a través de la nucleosíntesis estelar, la forja de elementos por las estrellas.
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Estrellas cómo El sol puede producir elementos de oxígeno, nitrógeno y carbono a través de fusión nuclear reacciones Más estrellas masivas puede continuar, creando caparazones de elementos cada vez más pesados hasta el hierro-56 en el núcleo de la estrella. En ese punto, se debe poner más energía en las reacciones para fusionar elementos más pesados que el hierro de lo que realmente se produce por esas reacciones, por lo que esas reacciones se detienen, la producción de energía se detiene y el núcleo de la estrella colapsa, desencadenando un supernova. Y es precisamente en la increíblemente violenta explosión de una supernova donde las condiciones pueden llegar a ser lo suficientemente extremas como para liberar muchos neutrones libres en poco tiempo.
En la explosión de la supernova, los núcleos atómicos son capaces de barrer todos esos neutrones libres antes de que se desintegren (por eso se describe como rápido) para iniciar la nucleosíntesis del proceso r. Una vez que los núcleos están llenos de neutrones, se vuelven inestables y sufren una desintegración beta, convirtiendo esos neutrones adicionales en protones. Agregar estos protones cambia la naturaleza del elemento, que es un núcleo, por lo que es una forma Creación de nuevos elementos pesados como oro, platino y otros metales preciosos. ¡El oro en sus joyas fue creado por la rápida captura de neutrones en una supernova hace miles de millones de años!
estrellas de neutrones
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Como hemos visto, los neutrones solo pueden sobrevivir en las condiciones más extremas fuera de los núcleos atómicos, y hay muy pocos lugares en el universo más extremos que este. estrellas de neutrones. Como sugiere su nombre, estos son objetos compuestos casi en su totalidad por neutrones.
Las estrellas de neutrones son los restos del núcleo de una estrella después de que ha sufrido un colapso del núcleo y ha explotado como una supernova. La explosión puede haber arrasado las capas exteriores de la estrella, pero el núcleo en contracción permanece intacto.
Sin reacciones nucleares para generar energía contra la gravedad, la masa del núcleo es tan grande que sufre un colapso gravitatorio catastrófico, en el que la presión gravitacional es lo suficientemente grande para que los protones y electrones superen la fuerza electrostática entre ellos y choquen, lo que resulta en un clasificar fusible en neutrones en desintegración beta inversa. Casi todos los átomos en el núcleo se convierten en neutrones, por lo que llamamos al resultado una estrella de neutrones. Son pequeños, de solo 10-20 km (6-12 millas) de ancho, pero contienen toda la masa del núcleo de la estrella muerta.
La estrella de neutrones más masiva encontrada hasta ahora tiene una masa 2,35 veces más grande que nuestro sol, todo abarrotado en un pequeño volumen. Si pudieras sacar una cucharada de material de la superficie de una estrella de neutrones, ¡esa cucharada pesaría tanto como una montaña en la Tierra!
Las fusiones de estrellas de neutrones binarias, detectables como kilonovas y a través de sus ondas gravitacionales, también son sitios de nucleosíntesis extensiva del proceso r. Que kilonova de dos binarias fusionadas que desencadenaron el estallido de ondas gravitacionales GW170817 produjo 16.000 veces la masa de la Tierra en forma de elementos pesados del proceso r, incluidas diez masas terrestres por valor oro y platinoesto es extraordinario!
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Recursos adicionales
Aprenda más sobre los neutrones con el Departamento de Energía de EE. UU. (se abre en una pestaña nueva). Explore cómo se usan los neutrones en experimentos que estudian la materia condensada con el Consejo de Instalaciones de Tecnología Científica del Reino Unido (se abre en una pestaña nueva). Lee esto famoso papel B2FH (se abre en una pestaña nueva) sobre la formación de elementos en estrellas con la ayuda de la captura de neutrones.
bibliografía
Física de partículas, por Brian R. Martin (2011, Publicaciones de un mundo) (se abre en una pestaña nueva)
La Enciclopedia de Cambridge de las Estrellas, por James R. Kaler (2006, Prensa de la Universidad de Cambridge) (se abre en una pestaña nueva):
Diccionario de física vinculado a Internet de Collins (2007, Colin) (se abre en una pestaña nueva)
Este mes en la historia de la física. Sitios de la American Physical Society, APS News, Volumen 16, Número 5. Obtenido el 1 de diciembre de 2022 de https://www.aps.org/publications/apsnews/200705/physichistory.cfm (se abre en una pestaña nueva)
decaimiento de neutrones. ciencia directamente. Recuperado el 1 de diciembre de 2022 de https://www.sciencedirect.com/topics/physics-and-astronomy/neutron-decay (se abre en una pestaña nueva)
