Lo que son los neutrones

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ISSN: 2665-3974 (en línea)

Luarevista 3 y 4 , julio- diciembre  2019/enero- junio 2020

  Por Frank Bula Martínez – fbulam@mail.uniatlantico.edu.co      

1. El neutrón

El neutrón es una partícula que no fue fácil de detectar, pues no se entendía qué rol ocupa en la naturaleza. Hoy en día sabemos que es una partícula que está en todo el  universo: para ser precisos, está en toda la materia, desde lo más pequeño hasta lo más grande. El neutrón ha intervenido en muchos eventos importantes en la historia del hombre. Es una partícula que tiene secretos ocultos como interacciones internas que no son fáciles de observar, sin embargo, gracias a estas fuerzas subatómicas el universo se formó tal cual lo conocemos. En este escrito veremos cómo la existencia del neutrón ha sido tan relevante en la historia como útil para el ser humano.

2. El tímido neutrón    

Hasta 1932 fue una partícula muy tímida que no se podía detectar de manera fácil, pues   no tiene carga. James Chadwick (1891-1974), un científico intrépido en medio de un experimento también intrépido, no estaba contento con los resultados de los choques de partículas gama contra los átomos de hidrógeno en una capa de parafina. Entonces sospechó que tal vez era necesaria una partícula sin carga lo suficientemente pesada como para expulsar el hidrógeno a la velocidad medida.

Después de muchos intentos y variación de configuraciones de su experimento, que contaba con un disco con polonio, un disco con berilio, una capa de parafina y una cámara de niebla o ionizante, pudo demostrar que para que se cumpliera la ley de la conservación de la energía, debía existir una partícula más de las hasta el momento identificadas del protón y el electrón. Una, con una masa parecida a la del protón, pero neutra. No estaba equivocado, se trataba del neutrón, el nuevo integrante de la familia del núcleo atómico (R. Serway, J. Jewett, 2009, “Física para Ciencias e Ingeniería con Física Moderna Vol 2”. D.F, México: CENGAGE Learning, pp 1293-1328).

3. El neutrón amigable    

Los modelos atómicos revolucionaron el siglo XX, ya que nos dieron nuevas ideas sobre cómo está constituida la materia en lo más pequeño. Sin embargo, fue difícil llegar a acuerdos porque cada modelo tuvo su inconveniente teórico y rápidamente fue suplido por el próximo. Hubo muchas variaciones hasta llegar al  modelo atómico actual, en el que el neutrón está presente como parte del núcleo junto a los protones.

El neutrón es una partícula que existe de manera abundante en la naturaleza: en todos los núcleos atómicos de la materia con excepción del núcleo de hidrógeno. También lo podemos encontrar en experimentos de muchas clases o incluso libres en el espacio. Podemos decir que es amigable porque lo hallamos en casi todas partes. Además, es fácil  observar muchos eventos donde los neutrones interactúan, como en explosiones de bombas atómicas, decaimientos de potasio en los plátanos y en nuestro brillante sol.  (M. G. Castañeda, J. E. De-Geus, 2003, “Introducción a la Física Moderna”, Bogotá: Universidad Nacional de Colombia, pp 91-109).

4. El neutrón guerrero      

Manipular y emitir neutrones fue posible en el transcurso de la Segunda Guerra Mundial.  Los múltiples experimentos realizados en el marco de la confrontación bélica, dieron como resultado el descubrimiento del poder de la energía atómica y en consecuencia, la detonación de la bomba de fisión nuclear fue posible. En ese entonces se descubrió que los núcleos de uranio contienen una gran cantidad de neutrones y esto hace que estos núcleos no sean estables. Por lo anterior, a través de una perturbación como el bombardeo de un neutrón, estos neutrones del Uranio se dividen emitiendo otros neutrones que impactarán otros núcleos, causando así una reacción en cadena.

Esta reacción en cadena causada por los neutrones no solo sirvió para la detonación de una bomba nuclear, también fue útil para la creación de reactores nucleares. Los reactores nucleares son máquinas que generan energía usando materiales radiactivos, los cuales tienen paredes de cadmio que detienen los neutrones. Los reactores al ser radiactivos son máquinas que afectan la salud si se recibe dosis de radiación electromagnética muy energética y por mucho tiempo. Pero es un hecho que estos reactores han generado  electricidad para el ser humano de una manera muy eficiente. La razón por la que los núcleos atómicos pueden generar tanta energía, se debe a la magnitud tan elevada de las fuerzas internas que encierran los neutrones y protones (P. G. Hewitt, 2007, “Física conceptual”, D.F, México: Pearson, pp 661-678).

5. El neutrón colorido    

El núcleo atómico está compuesto por protones, partículas con carga positiva, y neutrones, que son, como dice su nombre, neutros. Debido a las cargas positivas es extraño que los núcleos se mantengan unidos y no separados por la interacción electromagnética entre los protones. La razón por la cual no se separan es debido a que existe una fuerza fundamental más fuerte que la fuerza electromagnética, denominada “la fuerza fuerte”. Esta fuerza es causada por una partícula elemental sin masa llamada gluon, la cual le da un atributo nuevo a las partículas que interactúan con él. Esta propiedad se le llama carga de color. Debido a esta nueva propiedad, las partículas buscan un estado en el cual, al mezclarse con otros colores, se genere un color neutro llamado blanco, lo cual es análogo a la carga neutra de las partículas que interactúan con el fotón. La carga de color no la experimentan todas las partículas, sólo aquellas que interactúen con el gluon, además de tener un radio de acción muy corto del orden de femtómetro. Con estudios más profundos acerca de la estructura de los neutrones, se descubrió que estos están formados por 3 partículas elementales distintas, llamadas quarks. El neutrón está compuesto por 1 quark up y 2 quarks down, los cuales son partículas con carga eléctrica, cuya suma da como resultado una carga neta nula (Véase “Lo que son los quarks” en la Separata  2.) Agregar acá hipervínculo. Las cargas de color, también tienen una carga opuesta. Así como la positiva y la  negativa en el electromagnetismo, existe una carga de color y su opuesta: como la roja y la anti roja, que al combinarse también resultan en una carga de color neutra (C. Quigg, 1983, “Gauge Theories of the Strong, Weak, and Electromagnetic Interactions”, Colorado: Westview Press, pp 193-262).

6. El neutrón y su gemelo    

Para cada partícula existe una antipartícula, también es el caso del neutrón. La diferencia entre una partícula y su antipartícula es netamente su carga eléctrica, el resto de sus propiedades permanecen iguales. Como se mencionó anteriormente, el neutrón es una partícula neutra, pero ¿cómo sería un antineutrón si la antipartícula tiene carga opuesta? Es fácil pensar que la carga de signo opuesto de una carga nula es la misma carga nula, pero esto no es así.

Aunque sea complejo de imaginar, hay certeza de que existe un antineutrón independiente del neutrón conformado por antiquarks, los cuales tienen cargas eléctricas positivas y negativas. Para el quark up con carga positiva, existe un antiquark up de carga negativa; de manera análoga para un quark down de carga negativa, existe un antiquark down de carga positiva. Ya que los quarks tienen carga de color al estar juntos debido a la interacción con el gluon, la suma de sus cargas eléctricas es nula, permitiendo al antineutrón ser una partícula sin carga. Por ende, su gemelo (antipartícula), es una antipartícula compuesta de otras antipartículas (S. Weinberg, 1995, “The Quantum Theory of Fields” VOL 1, Cambridge: Cambridge University Press, pp 15-31).

7.  El astroneutrón     

Anteriormente se mencionó que los neutrones hacen parte de la materia y los encontramos en los átomos, pero existen cuerpos que están hechos en su mayor parte por una cantidad muy elevada de neutrones que están bien compactados en una estructura, estos cuerpos tan grandes llamados pulsares pueden ser encontrados en sitios muy remotos de la galaxia. Un pulsar es una estrella que emite una gran cantidad de radiación debido a toda la energía de las partículas que la conforman. Estos son cuerpos con un campo electromagnético muy intenso y que giran sobre sí mismas con una frecuencia muy alta. Como consecuencia de las altas velocidades alcanzadas en su giro el ecuador de las estrellas de neutrones se ancha. Estas estrellas contienen en una pequeña cantidad protones y electrones, los cuales al girar a velocidades muy altas, generan campos magnéticos muy intensos (J. Hester, Hubble Space Telescope and Chandra Monitoring of the Crab Synchrotron Nebula, 2002 “Astrophysical Journal Letters”, 577, L49).

 Muchas veces se cree que las cosas pequeñas no influyen en las grandes, hasta el punto que podemos imaginar que si movemos o quitamos un grano de arena, en nada va a cambiar el transcurso de la historia. Sin embargo el neutrón, una partícula que mucha gente ignora su existencia, un cuerpo tan diminuto que el ojo humano no puede ver, no sigue esta lógica. Sacar o meter un neutrón de un espacio tan pequeño como lo es un núcleo atómico puede terminar guerras, generar electricidad y hacer brillar estrellas. Estudiar el universo microscópico es algo fascinante, no sabemos que podemos encontrar ahí, pero algo es seguro, gracias a la existencia de todo un zoológico de partículas y en este caso del neutrón, aprendemos cómo cosas más pequeñas que un grano de arena pueden definir la historia del ser humano y el rumbo del universo. 

Sobre esta separa de ensayos de divulgación científica véanse también:

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