Neutroi

Neutroi
Sailkapena	Baroi
Konposaketa	goi quark (1) behe quark (2)
Elkarreraginak	elkarrekintza nuklear ahul, elkarreragin nuklear indartsu, grabitazio eta elkarrekintza elektromagnetiko
Antipartikula	antineutroi
Aurkitua	James Chadwick 1932
Masa inbariantea	1,008966491595 Da
Bataz besteko bizitza	878,4 s
Partikula desegitea	protio (β- desintegrazio)
Karga elektrikoa	−0 e
Dipolo elektrikoaren momentua	0 e cm
Momentu magnetikoa	−1,9130427 nuclear magneton (en)
Espina	0,5

Neutroia karga neutroa (ez positiboa ez negatiboa) duen partikula azpiatomikoa da, protoiaren antzeko masa duena, atomo-masa unitate bat gutxi gorabehera. n letraz adierazten da. James Chadwick-ek 1932^[1]an aurkitu zuen.

Protoiek eta neutroiek nukleo atomikoa osatzen dute. Haien portaera nukleoaren barruan berdintsua denez, nukleoia^[2]k direla esaten da. Bien arteko elkarrekintza, fisika nuklearrak deskribatzen du.

Neutroiek ez dute eraginik atomoaren konfigurazio elektronikoan (elektroien kokapena nukleoaren inguruan), baina, atomoaren masa definitzen dute protoiekin batera. Izan ere, atomoaren masa (atomo-masa unitateetan) nukleoko protoi eta neutroi kopurua batuz lortzen da.

Neutroi kopuru ezberdina duten elementu kimiko bateko atomoak, isotopoak deitzen dira. Karbono egonkorrak (Karbono-12) 6 neutroi ditu, elementu horren isotopoak, Karbono-13 eta Karbono-14 dira, adibidez, eta, isotopo hauek 7 eta 8 neutroi dituzte, hurrenez hurren.

Neutroien eta protoien arteko erakarpena, elkarrekintza nuklear bortitzak eragiten du. Indar edo elkarrekintza horrek soilik distantzia oso txikietan dauka eragina, 1 fm (1×10^-15 m) baino txikiagoko distantziara. Bien arteko erakarpen-indarra beharrezkoa da elementu guztietan, hidrogenoan izan ezik. Elementu horren nukleoa protoi bakar batez osatuta dago, eta, beraz, ez dago neutroirik atomo horren barruan.

Orokorrean, neutroiak fisio eta fusio nuklearretan askatuak izaten dira. Izan ere, ikerkuntzarako erabiltzen diren erreaktore nuklearretan, neutroi askeen fluxuak sortzen dira esperimentuak egiteko.

Neutroi hitza aipatu zuen lehenengo zientzialaria Ernest Rutherford izan zen 1911. urtean. Garai hartan, indarrean zegoen eredu atomikoa J. J. Thomson fisikari ingelesak 1907. urtean proposatutakoa zen, eta eredu hau egiaztatzeko asmoz, Rutherfordek zenbait saiakuntza egin zituen bere laborategian. Horretarako, alfa partikulak erabili zituen atomoaren barne-egitura aztertzeko. Helburu hori lortzeko, urrezko xafla oso mehe bat bonbardatu zuen α partikulekin eta hauek izan ziren lorturiko emaitzak:

• α partikula gehienek ia desbideratu gabe zeharkatu zuten xafla.
• α partikulen % 0,1, behin xafla zeharkatuta, nabarmen desbideratu ziren bere ibilbidetik.
• Partikula gutxi batzuek (20 000tik batek) errebotatu egin zuten xaflan, hura zeharkatu gabe.

Emaitza hauek aztertuz, atomoaren barnean, α partikulak desbideratzeko gai zen indar elektriko oso handi bat zegoela ondorioztatu zuen Rutherford-ek. Gainera, desbideratzen zituen α partikula kopurua oso txikia zenez, indar horrek oso eskualde txikietan eragin beharko zuen. Rutherford-ek ateratako ondorioek Thomsonen eredu atomikoaren aurka egiten zuten, zeinaren arabera elektroiek atomoaren bolumen osoa betetzen zuten, eta karga elektriko positiboa nukleo oso txiki batean kontzentraturik zegoen.

Ernest Rutherford-ek atomoa aztertzen jarraitu zuen, eta 1920. urtean konturatu zen atomoa osatzen zuten elektroien eta protoien masen batura atomoaren masa baino askoz txikiagoa zela. Beraz, esperimentalki egiaztatu ez zuen arren, bazekien beste partikula bat egon beharko zela masa-falta hura konpentsatzen zuena eta " neutroi " izena jarri zion.^[3]

Ernest Rutherford-ek neutroiaren existentzia iragarri zuen arren, hamabi urte igaro ziren, 1932. urtean, James Chadwick fisikari ingelesak erreakzio nuklear baten ondorioz beste partikula azpiatomiko bat aurkitu zuen arte. Partikularen ezaugarriak Rutherford-ek aurreikusitakoak zirenez, neutroi izena mantendu zen. Aurkikuntza horri esker, Fisikako Nobel Saria irabazi zuen 1935. urtean.

Neutroiaren masa ezin da zuzenean masa-espektrometro baten bidez neurtu, ez duelako karga elektrikorik. Bestalde, protoiaren eta deuterioaren masak ezagunak direnez, deuteriotik protoi bat askatuz neutroiaren masa ondorioztatu daiteke. Prozesu horren masa-diferentzia neutroiaren masa eta deuterioaren lotura-energia (B_d) da. Hori zuzenean neur daiteke protoiek neutroi bat xurgatzean askaturiko gamma fotoiaren energia (B_d) neurtuz. Kontuan izanda deuterioaren energia zinetikoaren (E_rd) ekarpena txikia dela: ${\displaystyle m_{n}=m_{d}-m_{p}+B_{d}-E_{rd}}$

Neutroiaren masaren balioa:

m_neutroi = 1.008 644 904(14) u = 939.565 63(28) MeV/c²

Neutroiaren karga 0 e da. Magnitude hori esperimentalki neurtu da eta neutroiaren kargaren limitea -2(8) x 10^-22 e^[4]-n ezarri da. Balio hori 0 moduan uler daiteke esperimentuaren neurketen ziurgabetasuna kontuan izanda.

Neutroia partikula neutroa izan arren (ez du karga elektrikorik), bere momentu magnetikoa ez da nulua. Horrenbestez, neutroiak ez du indarrik jasango eremu elektriko baten eraginpean, baina bai, ordea, eremu magnetiko baten kasuan. Neutroiaren momentu magnetikoa bere barne egituraren^[5] (quarken egitura eta barneko karga-distribuzioa) ondorio da, eta bere balioa μ_n= -1.93(2) μ_N da, non μ_N magnetoi nuklearra den.

Magnetoi nuklearra konstante fisiko bat da, Nazioarteko Unitate Sisteman honela definituta dagoena:

${\displaystyle \mu _{N}={\frac {e\hbar }{2m_{p}}}}$ non m_p protoiaren masa den.

Hadroientzako quarken ereduan, neutroia up quark batez eta bi down quarkez osatuta dago. Up quarkaren karga +2/3 e da eta down quarkarena -1/3^[5] e, eta beraz, neutroiaren karga elektriko totala 0 da. Eredu horretan, quarkak partikula puntualak dira, eta bakoitzak bere momentu magnetikoa du. Horrela, neutroiaren momentu magnetikoa hiru quarken momentu magnetikoen batura bektorial bezala uler daiteke.

1964. urtean, Mirza A.B. Beg, Benjamin W. Lee eta Abraham Pais-ek neutroiaren eta protoiaren momentu magnetikoen ratioa -3/2 dela kalkulatu zuten teorikoki, balio esperimentalarekin bat datorrena. Kalkulu horretan, mekanika kuantikoaren postulatuen eta Pauliren bazterketa printzipioaren arteko kontraesan baten eraginez, Oscar W. Greenberg-ek quarken kolore-karga proposatu zuen urte berean.

Horrenbestez, teoria horren arabera, protoiaren eta neutroiaren barne-egitura oso antzekoa da, baina protoiaren kasuan quark down bat up batekin ordezkatzen da.

Hurbilketa horrekin eta efektu erlatibistak arbuiatuz, neutroiaren momentu magnetikoaren honako balioa lor daiteke: μ_n = 4/3 μ_d - 1/3 μ_u = -1.86 μ_N (non μ_d eta μ_u down eta up quarken momentu magnetikoak diren, hurrenez hurren). Balio hori neurtutako baliotik nahiko hurbil dago. Hala ere, eredu horretan quarken masak nukleoiaren masaren 1/3 direla onartu da^[6], nahiz eta berez nukleoaren masaren % 1 osatzen duten.

Neutroiaren spina 1/2 da, beraz 1/2 ħ momentu angeluar intrintsekoa duen fermioia da (ħ Plancken konstante laburtua da). Fermioia izanik, neutroiek Pauliren esklusio-printzipioa beteko dute, zeinaren arabera bi fermioiren zenbaki kuantiko guztiak ezin dira berdinak izan. Hori da, adibidez, neutroi-izarrak egonkorrak izatea ahalbideratzen duen degenerazio-presioaren iturria.

Antineutroia neutroiaren antipartikula da. Bruce Cork-ek aurkitu zuen 1956. urtean, antiprotoiaren aurkikuntza baino urtebete geroago.

Protoien arteko aldarapen elektromagnetikoa horien arteko elkarrekintza nuklear erakarlea baino indartsuagoa denez, neutroien presentzia beharrezkoa da protoi bat baino gehiagoko nukleoetan. Nukleoan, neutroiak indar nuklearrari esker lotzen dira bai protoiekin eta bai euren artean, aldarapena konpentsatuz eta nukleoa egonkortuz.

Nukleoa osatzen duten protoi eta neutroiek sistema kuantiko bat definitzen dute, zeinean nukleoi bakoitza egoera kuantiko batean dagoen. Protoiak neutroietan desintegra daitezke beta desintegrazio (${\displaystyle \beta ^{+}}$) bidez, positroi eta elektroi-neutrino bana igorriz. Alderantzizko prozesua ere gerta diteke (${\displaystyle \beta ^{-}}$), kasu horretan elektroi bat eta elektroi-antineutrino bat igorriz. Desintegrazio-prozesu horiek gertatu ahal izateko energia-kontserbazioaz gain, beste zenbait zenbaki kuantiko kontserbatu behar dira.

Nukleotik kanpo neutroi askeak ezegonkorrak dira. Horien batez besteko bizitza 879.6±0.7 s-koa da (14 minutu eta 40 segundo inguru), eta ondorioz, erdibizitza-denbora (batez besteko bizitza ln(2) faktoreaz biderkatuz lortzen da ) 610.1±0.7 s (10 minutu eta 10 segundo inguru)^[7]. Desintegrazio horren jatorrian protoiaren eta neutroiaren masen arteko diferentzian dago. Lehenaren masa bigarrenarena baino txikiagoa denez, neutroi bat protoi bihurtzea energetikoki baimendua dago. Desintegrazio horri ${\displaystyle \beta ^{-}}$ deritzo eta ondorengo prozesuaren bidez gertatzen da:

${\displaystyle n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}$

non ${\displaystyle n^{0},p^{+},e^{-},{\bar {\nu }}_{e}}$ neutroia, protoia, elektroia eta elektroi-antineutrino diren, hurrenez hurren. Elektroi askearen kasuan, desintegrazioari dagokion energia (neutroi, protoi eta elektroiaren masak kontuan hartuz) 0.782343MeV-ekoa da.

Neutroi askearen beste desintegrazio-bide bat hurrengoa da:

${\displaystyle n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+\gamma }$

Ikus daitekenez, prozesu hori aurrekoaren oso antzekoa da, baina desintegratzean fotoi (${\displaystyle \gamma }$) bat ere emititzen da gainontzeko partikulez gain. Prozesu hau aurrekoa baino askoz ere maiztasun gutxiagorekin gertatzen da: neutroi askearen 1000 deuseztapenetik behin gutxi gorabehera

Nahiz eta neutroi askeak ezegonkorrak diren, nukleo atomikoak osatzen dituzten neutroi gehienak egonkorrak dira. Geruza-ereduaren arabera nukleoa osatzen duten protoi eta neutroiek sistema kuantiko bat deskribatzen dute. Sistema hori energia maila diskretutan dago antolatuta eta horietako bakoitza zenbaki kuantiko multzo batek definitzen du. Neutroi bat desintegratu ahal izateko, prozesuan sortuko litzatekeen protoiak energia-maila bat izan beharko luke libre neutroiaren energia maila baino energia txikiagorekin. Orokorki, hori ez da posible izaten. Partikularki, nukleo egonkorretan energia baxuagoko maila guztiak beteta daude Pauliren esklusio-printzipioaren eraginez, eta ondorioz, neutroiak ezin dira desintegratu nukleo horietan.

Nukleo ezegonkorretan, ordea, neutroiak beta desintegrazio bitartez desintegra daitezke . Nukleo horietan energetikoki baimendutako egoera kuantiko bat dago libre prozesuan sortutako protoiarentzat . Honen adibide da Karbono-14 (6 protoi eta 8 neutroi) nukleoa, Nitrogeno-14ean (7 protoi eta 7 neutroi) desintegratzen dela. Prozesu horien erdibizitza-denbora 5.730 urtekoa da.

Nukleo ezegonkorretan, aurkako prozesua ere gerta daiteke, protoi bat neutroi bihurtuz ${\displaystyle \beta ^{+}}$desintegrazioaren bitartez. Hau gertatzean, neutroia sortzeaz gain, positroi bat eta elektroi-neutrino bat emititzen dira.

${\displaystyle p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+\nu _{e}}$

Elektroi-harrapaketa bidez ere desintegra daiteke protoia nukleoan.

${\displaystyle p^{+}+e^{-}\rightarrow n^{0}+\nu _{e}}$

Positroi-harrapaketa ere gerta daiteke, baina prozesu hori oso arraroa da, positroiek aldarapen- indarra jasaten baitute nukleoaren kargaren ondorioz, eta horrez gain, deuseztatu egiten dira elektroiekin topo egitean.

Bi teknika nagusi erabiltzen dira neutroi askeak lortzeko:

• Fisio nuklearreko erreaktore ak: Erreakzio nuklearren bidez lortzen dira, teknikarik erabilena da. Metodo horren bitartez, uranio atomoak haustean neutroiak askatzen dira. Horiek beste uranio nukleo batzuekin talka egin eta neutroi gehiago askatzen dituzte, kate-erreakzio bat eraginez. Fisio nuklearreko erreaktoreen barnean gertatzen diren talken ondorioz, energia kantitate handia askatzen da, eta horregatik teknika hori, batez ere, energia iturri bezala erabiltzen da, eta ez ikerketarako. Gainera, teknika horrekin sortzen den erradiazioa oso kaltegarria da eta istripu teknikoren bat egotekotan, sekulako hondamendia gerta daiteke.
• Espalazio-iturriak edo energia handiko azeleragailuak: Protoiak erabiltzen dira. Horiek abiadura handi batekin, metal astunen kontra talka egiten dute, eta neutroiek irabazitako energiaren ondorioz metaletik askatzea lortzen dute. Teknika horren abantailetariko bat da erradiazio arriskurik ez duela.

Gaur egun, neutroiak oso erabilgarriak dira ikerkuntzak egiteko zientziaren hainbat arlotan, hala nola medikuntzan, biologian eta arkeologian, eta horregatik bere ikasketa eta aplikazioa garrantzi handikoa da. Aplikazio hauek dira orain arte gehien erabili eta aztertu direnak:

• Oligoelementuen zehaztapena: Neutroiak materialen konposizioa aztertzeko perfektuak dira, kargarik gabeko partikulak direnez, materian erraz barneratzeko ahalmena dute. Neutroi-iturrietatik lortutako neutroiak ikasi nahi den materialaren kontra jaurtitzen dira. Material horiek neutroiak xurgatzen dituzte isotopo erradioaktiboak eratuz eta bat-bateko gamma izpiak igorriz. Irradiatutako kantitatearen arabera, jakin dezakegu zein diren materiala osatzen duten elementuak eta zein kantitatean aurkitzen diren. Metodo hori oso erabilia da medikuntzan eta biologian. Izan ere, organismo batek dituen elementuak eta haien kontzentrazioak zehaztu daitezke, eta horrela, gaixotasunen zergatia aurkitu.
• Disko gogorren eraketa: Neutroiek duten propietate magnetikoari esker, oso erabiliak dira hainbat aparatu elektronikoren atalak egiteko, batez ere ordenaguailuen disko gogorrak. Iman moduan jardutean, disko gogorren ezaugarriak hobetzen dituzte, informazioa biltegiratzeko lekua handituz eta gainera informazio hori maneiatzeko (jaso, bidali, aldatu...) behar duen denbora txikituz.
• Energiaren sorrera eta biltegiratzea: "Neutroi-Iturriak" atalean azaldu den bezala, neutroiak lortzeko prozesuan energia kantitate handia lortzen da eta, beraz, energia lortzeko aplikazio oso erabilia da. Neutroien propietateez baliatuz, energia sortzen duen metodo ezagunena eta erabilena, energia nuklearra da. Horrez gain, partikula azpiatomiko horiek energia berriztagarri eta garbietan ere garrantzi handia dute. Alde batetik, hidrogenoaren deuterio eta tritio isotopoen arteko talkaren bidez energia lor daiteke era ez kutsakor batean eta, bestetik, panel fotovoltaikoetan eta zentral eolikoetan ekoizten den energia biltegiratzeko gai dira.

• James Byrne, Neutrons, Nuclei and Matter: An Exploration of the Physics of Slow Neutrons. Mineola, New York: Dover Publications, 2011. ISBN 0486482383.
• Abraham Pais, Inward Bound, Oxford: Oxford University Press, 1986. ISBN 0198519974.
• Sin-Itiro Tomonaga, The Story of Spin, The University of Chicago Press, 1997
• Herwig Schopper, Weak interactions and nuclear beta decay, Publisher, North-Holland Pub. Co., 1966.
• Annotated bibliography for neutrons from the Alsos Digital Library for Nuclear Issues

• Protoi
• Elektroi
• Atomo nukleo
• Nukleoi
• Beta desintegrazio

• https://energia-nuclear.net/que-es-la-energia-nuclear/atomo/neutron
• https://www.significados.com/neutron/