sábado, septiembre 20, 2008

3. A.1.3 Esas maravillosas partículas - El neutrón

En entradas anteriores de Esas maravillosas partículas hemos hablado del electrón, el positrón, el protón y los quarks. Hoy seguimos con una partícula más humilde, pero muy interesante (como espero demostrar en breve): el neutrón.

El neutrón es, “por dentro”, muy parecido a un protón. Si recuerdas la entrada sobre el protón, esta partícula estaba formada por dos quarks up y uno down. Al estar formada por quarks, era un hadrón, y por tener tres quarks era un barión y, por lo tanto, un fermión. Bien, un neutrón es prácticamente igual: también está formado por tres quarks, pero en vez de up/up/down tiene up/down/down.





Esta aparentemente minúscula diferencia hace que las dos partículas “hermanas” se comporten de formas muy distintas: recuerda que la carga del
protón era +2/3 +2/3 -1/3 = +1. Pero como el neutrón tiene up/down/down su carga es +2/3 -1/3 -1/3 = 0. No tiene carga - no porque no haya nada con carga en él, sino porque las cargas que hay en su interior se anulan.

Esta neutralidad de carga es lo que hizo que el neutrón tardase unos años más en ser identificado que el protón (que fue descubierto en 1918 por Rutherford). Fue James Chadwick (físico inglés), en 1932, quien identificó las partículas desconocidas pero ya observadas por otros como Walther Bothe, Irène Joliot-Curie y Frédéric Joliot. De acuerdo con Chadwick, eran algo así como protones de carga neutra (lo cual, por otro lado, no es una mala descripción), de modo que se denominaron neutrones.

Los neutrones sufren las cuatro fuerzas fundamentales del Universo, como los protones: a pesar de no tener carga neta, tienen un momento magnético lo mismo que el protón, de modo que sufren la fuerza electromagnética, la nuclear fuerte, la débil y la gravitatoria. Sin embargo, la fuerza más importante para los neutrones es la fuerza nuclear fuerte, la que mantiene a los quarks unidos en su interior y une a los neutrones con otros neutrones y con los protones en el núcleo de los átomos: puesto que los protones y neutrones son los que forman los núcleos, a las dos partículas “hermanas” se las denomina nucleones.

Sin embargo, como ya dijimos hablando del protón, él es el realmente importante en el núcleo. El neutrón, al no tener carga, no convierte a un elemento en otro: añadir un neutrón al hidrógeno no lo convierte en otra cosa, sigue siendo hidrógeno, aunque tenga propiedades un poco diferentes (por ejemplo, es más pesado). Los átomos de un elemento con diferente número de neutrones se denominan isótopos. Algunos isótopos no son estables, como el Carbono-14, de modo que se usan para medir fechas.

Pero existe otra diferencia entre el protón y el neutrón: dependiendo de qué combinación de quarks forma un hadrón, éste puede ser más o menos estable. Por ejemplo, ya dijimos que un protón libre podría no ser estable, pero de ser inestable su vida media probablemente es mucho mayor que la edad actual del Universo.

Sin embargo, debido a la combinación de quarks que forman el neutrón, un neutrón libre (no asociado al núcleo de un átomo) tiene una vida mucho más corta: unos 15 minutos. Ésa es la razón de que puedas encontrar muchos protones libres en el Universo (núcleos de hidrógeno sin el electrón), pero es muy difícil ver neutrones libres más de unos minutos. Cuando un neutrón se desintegra, lo hace en un protón, un electrón y un antineutrino (del que hablaremos en alguna otra entrada).

Debido a que un neutrón libre sólo permanece como tal durante un cuarto de hora, es difícil disponer de ellos (a diferencia de otras partículas): hay que generarlos según se necesitan. La mayor parte de ellos se obtienen de reacciones nucleares espontáneas de elementos radiactivos, que sufren la fisión de forma natural (como el polonio o el radio), emitiendo neutrones en el proceso.

¡Y los neutrones libres son muy peligrosos! De hecho, es uno de los productos de la desintegración radiactiva más peligrosos que hay. Piensa que otras partículas emitidas en las reacciones nucleares, como los electrones, aunque son peligrosas, son fáciles de parar. Las partículas cargadas, en cuantro entran en contacto con un medio material más o menos denso, empiezan a desviarse (debido a la fuerza eléctrica), a ionizar átomos arrancando electrones que se llevan parte de la energía y se mueven en otra dirección, etc. Es decir, la energía de esas partículas se disipa relativamente rápido.

Por eso, si vas a estar en un lugar en el que puede haber emisión de protones o electrones, un recubrimiento de plomo es una protección muy buena. De hecho, al ser un metal también absorbe muy bien los fotones, de modo que protege contra muchas clases de emisiones radiactivas (alfa, beta y gamma). Pero, ¿y los neutrones?

Al ser neutros, la única manera de que pierdan su energía es que choquen de cabeza con el núcleo de otro átomo. Por lo tanto, la protección contra neutrones requiere un espesor relativamente grande: y además, la masa atómica del núcleo de los átomos no influye mucho en su capacidad para pararlos, pues los núcleos son tan minúsculos comparados con el espacio entre ellos que un aumento de tamaño (por ejemplo, plomo en vez de hidrógeno) apenas influye. La mayor parte de los escudos contra neutrones son paredes espesas de cemento o parafina.

Por supuesto, la mayor parte de los neutrones que puedan llegar a tu cuerpo te atraviesan, pero tú también actúas de “escudo”: y cuando un neutrón golpea el núcleo de un átomo de una base nitrogenada de tu ADN…bueno, las consecuencias pueden ser muy desagradables, salvo que la dosis no sea muy intensa y sea breve, y además tengas suerte.

Es decir, que los neutrones son partículas algo anodinas cuando están en el núcleo de un átomo, pero si están libres tienen una vida relativamente corta y que puede ser peligrosa….y todo por tener un quark down en vez de uno up.

Una vez hemos hablado del electrón, el neutrón y el protón, como puedes ver hemos acabado con las partículas que componen la materia corriente. Pero hay muchas otras de enorme interés pero menos comunes - por el hecho de ser inestables o por el de ser indetectables, o por el hecho de no formar materia sino ser las responsables de interacciones. En la próxima entrada hablaremos del primer bosón de la serie, probablemente el más famoso - el fotón.

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