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Descubrimiento del neutrón: resumen

 
Por Ángela Belmonte. 8 junio 2020
Descubrimiento del neutrón: resumen

Toda la materia está formada por átomos y estos, a su vez, por unidades o partículas elementales. Aunque actualmente sabemos que no son las únicas, de forma clásica el átomo tiene 3 partículas: protones, electrones y neutrones. De las tres partículas, los neutrones fueron los últimos en descubrirse, fundamentalmente porque tienen una naturaleza neutra.

En esta lección de unPROFESOR veremos un resumen del descubrimiento del neutrón y de cómo el físico J. Chadwick demostró en 1932 la existencia de esta partícula neutra que ya predijo Rutherford en 1919.

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¿Qué es un neutrón?

Los neutrones son partículas eléctricamente neutras, es decir, no tienen carga eléctrica y por tanto su comportamiento no se ve alterado cuando se los somete a un campo eléctrico.

Junto con los protones, los neutrones son los constitutivos fundamentales del núcleo atómico. Los neutrones y los protones se consideran como dos variantes de una misma partícula: el nucleón, y es por eso que tienen aproximadamente la misma masa pero diferente carga eléctrica.

Clásicamente se pensaba que electrones, protones y neutrones eran las partículas fundamentales de los átomos. En la actualidad se sabe que estos no son las partículas más pequeñas que forman los átomos. Existen, entre otras, los quarks. El neutrón, aunque tiene un carga total neutra, está compuesto por tres partículas fundamentales cargadas llamadas quarks, cuyas cargas sumadas son cero.

¿Por qué tardó el descubrimiento del neutrón?

Durante sus investigaciones, que llevaron al descubrimiento del protón, Rutherford ya había previsto la existencia de una partícula sin carga, pero con masa, que formara parte del núcleo de los átomos. De hecho, Rutherford ya utilizó el término neutrón en una conferencia que impartió en 1920.

Entonces, ¿por qué le llevó tanto tiempo a Chadwick demostrar su existencia? Hay dos razones principales:

  1. por un lado, la naturaleza neutra de la partícula
  2. por otro, que Chadwick fue retenido como prisionero cuando comenzó la primera guerra mundial.

Aunque fue tratado razonablemente bien por el gobierno alemán, le prohibieron continuar con sus experimentos. No fue hasta 1918, cuando Rutherford ya estaba ultimando su experimento del descubrimiento del protón cuando Chadwick pudo regresar a Manchester y seguir con sus investigaciones.

Descubrimiento del neutrón: resumen - ¿Qué es un neutrón?

Historia del descubrimiento del neutrón

En 1930, los físicos alemanes W. Bothe y H. Becker habían descubierto que al bombardear algunos elementos ligeros (particularmente berilio) con las partículas alfa, provenientes de un isótopo del polonio, se emitían radiaciones muy penetrantes y eléctricamente neutras que, originalmente, pensaron que eran fotones gamma de alta energía. Al estudiar el poder de penetración, se vieron que este era notablemente mayor que el de la radiación gamma emitida por los elementos radiactivos conocidos en ese momento. En su momento, esta diferencia se explicó que debía ser resultado de un fenómeno de desintegración, pero esto no era del todo concluyente e investigadores alrededor de todo el mundo se pusieron a investigarlo.

En 1932, los físicos franceses I. Joliot-Curie y su marido F. Joliot hicieron pasar la radiación penetrante, descubierta por Bothe y Becker, por blancos de parafina y otros compuestos hidrogenoides; midieron la ionización producida al paso de la radiación y descubrieron que se producían protones de alta energía. Explicaron que esto debía de producirse como resultado de la acción de los fotones sobre los núcleos de hidrógeno de la parafina, que producía protones de retroceso.

Sin embargo, esta conclusión no convenció ya que los protones son casi 1.836 veces más pesados que los electrones (arrancarlos de un sólido serían necesarios fotones de gran energía) y la probabilidad de colisión entre estos fotones y los protones de la parafina debería ser millones de veces mayor a la que se esperaría de extrapolar el cálculo válido para el electrón.

Al igual que a otros investigadores, a Chadwick las explicaciones dadas por estos físicos franceses les parecían inconsistentes y comenzó a hacer sus propias investigaciones bajo la supervisión de Rutherford.

Descubrimiento del neutrón: resumen - Historia del descubrimiento del neutrón
Imagen: Ana María Quirino

El experimento de Chadwick

El resumen del descubrimiento del neutrón debe de comenzar con el aparataje que utilizó Chadwick para llevar a cabo su experimento. El sistema experimental utilizado por Chadwick consta de una cámara y un contador conectado a un oscilógrafo. En la cámara, bajo condiciones de vacío, se encontraba el emisor alfa (una fuente de polonio) y una placa de berilio. Las partículas alfa, al chocar con el berilio, originaban un haz de la radiación desconocida, que llegaba hasta el contador, donde se podían estudiar sus efectos. El contador era en una pequeña cámara de ionización conectada a un amplificador, cuando se producían ionizaciones debidas a la entrada de una partícula ionizante en la cámara, éstas eran registradas en un oscilógrafo. A la entrada del contador se colocaba blancos de distintos materiales.

En sus investigaciones, el matrimonio francés había utilizado parafina, pero Chadwick intercaló láminas de aluminio entre el blanco y el gas de llenado de la cámara de ionización. Después, midió la variación en la ionización que se producía al aumentar el espesor de aluminio. Finalmente, repitió estos experimentos con otros elementos y observó que, a medida que la masa de los núcleos del blanco aumentaba, la energía que deberían tener los fotones para producir los núcleos de retroceso tendría que ser mayor. Esto era imposible ya que contradecía la ley de la conservación de la energía.

Para explicar esto, Chadwick creó la llamada hipótesis del neutrón. La radiación que producía esas emisiones de núcleos de retroceso no podía ser radiación electromagnética de alta energía, ya que esta hipótesis no explicaba la probabilidad de interacción observada ni la conservación de la energía. Sin embargo, si en lugar de rayos gamma se suponía que el proceso era producido por algún tipo de partícula neutra, el neutrón, todas las propiedades podrían ser explicadas.

Chadwick fue galardonado con el Premio Nobel de Física en diciembre de 1935 por el descubrimiento del neutrón aunque e él mismo imaginaba al neutrón como un compuesto electrón-protón. Fue posteriormente, Heisenberg, el que mostró que el neutrón podría no ser la combinación de un protón y un electrón y se aceptó la existencia del neutrón como una partícula elemental constituyente del núcleo.

Descubrimiento del neutrón: resumen - El experimento de Chadwick

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Bibliografía
  • Navarro Vives, J. (2000). El neutrón de Chadwick y su interpretación.
  • Wllllart Torres, A. (2006). Taller y Laboratorio: Experimento histórico: Descubrimiento del protón. Revista 100cias@ uned, 9, 161-165.
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