Neutrone
Neutrone: caratteristiche e proprietà
Vuoi sapere che cos'è il neutrone e quali sono le sue proprietà fisiche?
Vuoi sapere, all'interno di un atomo, dove si trova il neutrone?
Vuoi conoscere il nome dello scienziato che scoprì il neutrone e quali esperimenti portarono all'identificazione di questa particella?
Se si continua con la lettura dell'articolo.
In questa lezione studieremo infatti che cos'è il neutrone e in particolare vedremo quali sono la sua massa e la sua carica.
Vedremo a quale illustre scienziato si deve la scoperta del neutrone e quali sono stati gli esperimenti che hanno portata alla scoperta di questa particella.
Vedremo infine come è possibile determinare il numero di neutroni in un nucleo atomico e quale relazione esiste tra numero di protoni e isotopi.
Definizione di neutrone
Il neutrone (solitamente indica con il simbolo n0 o semplicemente n) è una particella priva di carica elettrica e insieme al protone è la particella fondamentale di ogni nucleo atomico.
Ha una massa di 1,67·10-27 kg, uguale cioè a quella del protone e quindi corrispondente a 1 u.
Insieme al protone, il neutrone costituisce il nucleo atomico.
Essa è stabile soltanto all'interno del nucleo poiché al di fuori di questo decade, con un tempo di vita medio di circa 15 secondi, portando alla formazione di un protone, di un elettrone e di un antineutrino e liberando 0,786 MeV.
Scoperta del neutrone
La scoperta del neutrone avvenuta nel 1932 per opera di James Chadwick, rappresentò un passo molto importante nello studio dei nuclei atomici.
Egli bombardando sottili lamine di berillio con particelle α emesse dal polonio, scoprì che dal berillio venivano emesse delle radiazioni secondarie che non risentivano né di un campo elettrico né di un campo magnetico.
Il berillio emette neutroni quando viene bombardato con particelle α
Ripetendo l'esperimento su altri materiali, dimostrò che tali particelle avevano tutte la stessa massa e che erano prive di carica elettrica e pertanto furono chiamate neutroni.
La caratteristica di queste radiazioni è che quando colpivano un bersaglio di paraffina erano capaci di provocare l'emissione di protoni da parte di quest'ultima.
Supponendo elastici gli urti tra le particelle e applicando il principio di conservazione dell'energia e il principio di conservazione della quantità di moto, Chadwick fu in grado di calcolare la massa di tali particelle (1,67·10-27 kg).
La scoperta dei neutroni da parte di Chadwick permise di giustificare l'esistenza degli isotopi scoperti in precedenza da Thomson e permise inoltre di classificare gli atomi dei vari elementi in funzione del numero atomico.
Nel 1934 poi E. Fermi, bombardando con neutroni i nuclei di gran parte degli elementi, scoprì che essi inducono la radioattività artificiale.
In un'altra celebre esperienza del 1947, eseguita in collaborazione con L. Marshall, Fermi si servì di un fascio di neutroni diffratto da un cristallo di fluoruro di calcio (CaF2) per dimostrare le proprietà ondulatorie delle particelle elementari.
Come è possibile determinare il numero di neutroni presenti in un nucleo atomico?
Per determinare il numero di neutroni presenti in un nucleo atomico bisogna conoscere il valore di Z (numero atomico) e di A (numero di massa) dell'atomo.
Z è il numero atomico e indica il numero di protoni presenti nel nucleo; per conoscere il numero atomico di un elemento chimico è sufficiente consultare qualsiasi tavola periodica.
A è invece il numero di massa e indica a somma tra numero di protoni e di neutroni presenti nel nucleo.
Il numero di neutroni è pertanto calcolabile applicando la seguente formula:
n = A - Z
Il nucleo di un atomo di numero atomico Z e numero di massa A si può ritenere costituito quindi da Z protoni e (A - Z) neutroni; poiché i protoni, essendo carichi positivamente, si respingono reciprocamente a causa delle forze elettrostatiche, la stabilità dei nuclei, che contengono due o più protoni entro una distanza dell'ordine di 10-13 cm, risulterebbe inspiegabile senza la presenza di neutroni, il cui effetto consiste nell'indebolire la repulsione coulombiana tra i protoni contribuendo invece con questi a stabilire le forze nucleari di coesione che tengono insieme i nuclei stessi.
Nei nuclei leggeri le configurazioni di equilibrio risultanti contengono protoni e neutroni in numero quasi uguale (tranne l'isotopo più comune dell'idrogeno il cui nucleo è costituito da un solo protone), mentre nei nuclei pesanti il numero dei neutroni diviene notevolmente superiore a quello dei protoni.
Relazione tra numero di neutroni e isotopi
Come detto in precedenza, la scoperta dei neutroni da parte di Chadwick permise di giustificare l'esistenza degli isotopi scoperti in precedenza da Thomson.
Infatti il numero di neutroni presenti nel nucleo di un atomo non è fisso ma, per alcuni elementi, può essere variabile.
Atomi dello stesso elemento (e quindi aventi lo stesso numero atomico) che hanno un diverso numero di neutroni sono detti isotopi.
Rilevazione dei neutroni
I neutroni, essendo privi di carica elettrica, non producono ionizzazione apprezzabile attraversando la materia; non è quindi possibile rivelarli direttamente, intendendo con ciò la visualizzazione del loro percorso mediante una traccia o mediante contatori.
La loro presenza viene invece rivelata mediante la ionizzazione prodotta dalle particelle cariche liberate in reazioni nucleari che essi provocano.
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