neutróne

Lessico

sm. [sec. XX; da neutro-+one²].

1) Particella fondamentale; insieme al protone è uno dei costituenti del nucleo atomico. È formata da 2 quarkup e da un quark down (ddu); è elettricamente neutra e ha una massa uguale a 939,6 MeV, corrispondenti a 1,008665 amu, cioè a 1,67´10-27 kg (1,839 masse elettroniche), con spin uguale a e momento magnetico di dipolo uguale a -1,91314 magnetoni nucleari. Il neutrone, libero, è instabile e ha una vita media di 918 secondi.

2) In astronomia, è chiamata stella a neutrone un corpo celeste il quale, a causa della sua grandissima densità, risulta composto da neutroni anziché da elettroni e da protoni separati .

Fisica nucleare: la scoperta del neutrone

L'esistenza del neutrone fu ipotizzata da E. Rutherford sin dal 1920, ma fino al 1932 non ci furono prove sperimentali a convalida. Nel 1930, W. Bothe e R. Becker, bombardando berillio con raggi α, osservarono la produzione di una radiazione molto penetrante che pensarono costituita da raggi γ. Successivamente, nel 1932, I. Curie e F. Joliot mostrarono che l'ipotetica radiazione γ era in grado di cedere diversi MeV di energia a protoni in una camera a nebbia. In un primo tempo il fenomeno fu interpretato come trasferimento di energia per effetto Compton sul protone, ma la corretta spiegazione fu data nello stesso anno da J. Chadwick, che attribuì l'energia impartita al protone all'urto di una particella neutra di massa vicina a quella del protone. Per confermare quantitativamente la sua ipotesi, Chadwick bombardò una targhetta di boro con raggi a prodotti da polonio. Analizzando con una camera a nebbia le tracce delle particelle prodotte nella reazione B11+α ¾→ N14+n e applicando le leggi di conservazione dell'energia e della quantità di moto delle particelle, ottenne con ottima approssimazione il valore della massa del neutrone. L'ipotesi che il neutrone fosse un sistema costituito da un protone e un elettrone strettamente legati fu subito scartata perché lo studio in camera a nebbia mostrò che il neutrone non è assolutamente in grado di produrre direttamente ionizzazione apprezzabile e perché misurazioni di spin e di momento della quantità di moto sui nuclei residui delle interazioni portarono a individuare il neutrone come un fermione. La scoperta della deflessione di neutrone in moto in un campo magnetico provò che al neutrone era associato un momento magnetico di dipolo; misurazioni accurate stabilirono che nonostante la sua carica elettrica sia in assoluto nulla, la sua costituzione intrinseca è tale che questo momento è piuttosto alto rispetto al momento di quantità di moto intrinseco (spin). Il segno negativo di tale momento magnetico simula la rotazione di cariche negative in senso antiorario intorno alla direzione dello spin. Con la scoperta del neutrone e la definizione delle sue proprietà fu possibile ordinare i dati sperimentali sul decadimento β- dei nuclidi radioattivi in una teoria organica (Fermi 1934) che consentì di prevedere e spiegare anche il decadimento β+ di nuclidi radioattivi prodotti artificialmente. In base alla teoria di Fermi gli e- costituenti la radiazione β- sono prodotti insieme con antineutrini durante il decadimento di un neutrone in un protone secondo lo schema n → p+e-+$. Il decadimento radioattivo di neutroni liberi è stato osservato direttamente facendo passare un fascio collimato di neutroni fra due spettrometri a lente magnetica sistemati in modo da raccogliere l'uno i protoni l'altro gli elettroni ed eseguendo misurazioni in corrispondenza a impulsi in coincidenza nei due strumenti. L'indagine sulla convivenza di neutroni e protoni all'interno del nucleo, la loro convertibilità l'uno nell'altro e i modi di tale conversione mostrano che il neutrone e il protone sono due stati di una stessa particella, il nucleone. Le teorie più recenti inquadrano il problema della struttura del neutrone e del protone in quello più generale della struttura di tutte le particelle fondamentali finora individuate. Come tutte le particelle fortemente interagenti, il neutrone è formato di quark, particelle che, insieme ai leptoni e al fotone, costituiscono, allo stato attuale delle conoscenze, le uniche particelle veramente elementari. Nell'ambito delle teorie di grande unificazione, anche il neutrone legato agli altri nucleoni del nucleo è instabile, la sua vita media è, però, enormemente alta, dell'ordine di 1031 anni.

Fisica nucleare: sorgenti di neutroni

La sorgente di neutroni più semplice è un composto costituito da un'opportuna sostanza radioattiva e da un elemento leggero come il berillio o il boro. La sorgente radio-berillio fornisce, per esempio, neutroni in seguito a processi (a, n) e, per la lunga vita media del radio (1622 anni), costituisce un emettitore standard con flusso sufficientemente costante di neutroni di energia compresa fra 1MeV e 12÷13 MeV. Spesso vengono anche usate sorgenti di fotoneutroni (cioè di neutroni liberati per l'azione di raggi X e γ), dove vengono sfruttati processi (γ, n); hanno il vantaggio di produrre neutroni praticamente monoenergetici. La maggior parte delle sorgenti di neutroni sono basate sulle reazioni Be⁹(γ, n)B⁸ e H²(γ, n)H¹. La sorgente γ è costituita in prevalenza da nuclidi attivati in reattori nucleari. I neutroni possono essere prodotti anche negli acceleratori di particelle. Il bombardamento di acqua pesante (D₂O) con deuteroni accelerati con un generatore di Van de Graaff fornisce una sorgente semplice ed efficiente. Anche altri acceleratori producono fasci di neutroni praticamente monoenergetici con energie dell'ordine di alcuni MeV. In molte applicazioni sono necessari neutroni con energie da 0,01 eV fino a pochi eV; questi si ottengono convogliando i neutroni più veloci entro materiali in cui possano perdere energia in seguito a collisioni elastiche (prevalenti con nuclei leggeri) o anelastiche (prevalenti con nuclei medi o pesanti). Se una sorgente di neutroni è conglobata in un materiale con bassa sezione d'urto per assorbimento di neutroni e alta sezione d'urto per collisioni e se la geometria del sistema è appropriata, i neutroni perdono energia fin quando la loro velocità diventa paragonabile con quella di agitazione termica dei nuclei dei materiali. I neutroni si dicono allora termici e hanno distribuzione maxwelliana delle velocità. Un materiale che assolve la funzione di rallentare i neutroni è detto moderatore. I moderatori più usati sono l'acqua, l'acqua pesante, la paraffina, la grafite e il berillio. Le sorgenti più intense di neutroni sono quelle ottenute con i reattori nucleari. In un sistema, sede di reazioni a catena controllate, costituito da materiale fissile e moderatore, i neutroni sono presenti con differenti energie e possono essere usati per attivare radionuclidi artificiali. Se occorrono neutroni termici questi possono essere ottenuti nelle cosiddette colonne termiche consistenti in blocchi di grafite adiacenti al reattore in cui i neutroni, fuorusciti da questo, sono rallentati e, se necessario, collimati in un fascio da utilizzare fuori della colonna.

Fisica nucleare: rivelazione dei neutroni

La rivelazione dei neutroni dipende dagli effetti secondari delle loro interazioni con i nuclei. Infatti, essendo i neutroni privi di carica elettrica, attraversando la materia producono una trascurabile ionizzazione e non possono essere individuati direttamente dalla strumentazione basata su tale effetto. Le reazioni su cui si basa la rivelazione di neutroni sono: A) assorbimento di neutroni da parte di un nucleo con emissione di particella carica veloce per cui sono usate camere di ionizzazione, o contatori proporzionali, riempiti con BF₃ naturale o B¹⁰F₃; B) assorbimento di neutroni con fissione del nucleo composto formatosi per cui sono usate camere di ionizzazione contenenti UF₆ gassoso. Utilizzando i diversi isotopi di uranio si rivelano neutroni da termici sino a energie maggiori di 1 MeV; C) assorbimento di neutroni con formazione di nuclidi radioattivi di cui viene misurata l'attività. Scegliendo opportunamente il nuclide da attivare si possono rivelare neutroni in un vasto intervallo di energie; D) deflessione (scattering) di neutroni da parte di un nucleo leggero, per esempio di idrogeno, con neutrone deflesso che produce ionizzazione per cui sono usate camere di ionizzazione a idrogeno gassoso o contenenti un bersaglio solido ricco di idrogeno.

Fisica nucleare: la struttura molecolare

Fasci di neutroni vengono utilizzati in svariati settori della ricerca nucleare. Oltre che per l'indagine sulla natura delle forze nucleari sono utilizzati in particolare per studi sulla struttura molecolare. Infatti, essendo la lunghezza d'onda di De Broglie di neutroni di energia 0,1 eV pari a 0,9 Å e quindi comparabile con le distanze interatomiche in solidi e liquidi, studi di diffrazione, basati su principi fisici analoghi a quelli coinvolti nella diffrazione di raggi X, consentono di raccogliere informazioni sulla collocazione relativa degli atomi in un cristallo o in una molecola.

Bibliografia

L. F. Curtiss, Introduction to Nuclear Physics, New York, 1959; E. Fermi, Collected Papers of E. Fermi, Chicago, 1962; E. Segré, Nuclei e particelle, Bologna, 1966; I. Kaplan, Nuclear Physics, Reading (Massachusetts), 1971; T. Trombetti, Introduzione alla cinetica neutronica, Bologna, 1975.