Neutrón

Qué es el neutrón

Junto al protón, el neutrón es uno de los dos nucleones que componen el núcleo atómico. A diferencia del protón, de carga positiva, el neutrón es eléctricamente neutro: de ahí su nombre. Su masa, de unos 1,675 × 10⁻²⁷ kg, es ligeramente superior a la del protón. No es, sin embargo, una partícula elemental en sentido estricto: está formado por tres quarks (uno "arriba" y dos "abajo") unidos por la interacción nuclear fuerte.

La palabra "neutrón" combina "neutro" con el sufijo "-ón", empleado en física para nombrar partículas (protón, electrón, fotón). El término no nació con Chadwick. Lo acuñó en 1899 el físico William Sutherland para una partícula hipotética distinta, y solo tres décadas más tarde se aplicó al hallazgo de 1932. Hubo, además, una confusión terminológica curiosa: cuando Wolfgang Pauli postuló en 1930 una partícula neutra y casi sin masa para explicar la desintegración beta, la llamó también "neutrón". Al descubrirse la partícula de Chadwick, mucho más pesada, Enrico Fermi y Edoardo Amaldi rebautizaron la de Pauli como "neutrino": un diminutivo, en italiano, de "neutrón".

Descubrimiento histórico

Ernest Rutherford había sugerido ya en 1920 que el núcleo debía contener una partícula neutra, necesaria para explicar por qué la masa atómica supera con creces la que aportan los protones. La sospecha se confirmó doce años después. En 1932, en París, Irène Joliot-Curie y Frédéric Joliot bombardearon berilio con partículas alfa y observaron una radiación muy penetrante, que en un primer momento interpretaron como rayos gamma de alta energía.

James Chadwick, en el Laboratorio Cavendish de Cambridge, repitió el experimento y comprobó que esa interpretación no cuadraba con la física del choque: la energía transferida a los núcleos de retroceso era demasiado alta para tratarse de fotones. Propuso, en cambio, que la radiación consistía en partículas neutras de masa similar a la del protón. Publicó el hallazgo el 7 de febrero de 1932 en Nature, bajo el título "Possible Existence of a Neutron", y lo desarrolló unos meses después en un artículo más extenso para la Royal Society. Por este descubrimiento recibió el Premio Nobel de Física en 1935.

Estabilidad: dentro y fuera del núcleo

Dentro de un núcleo estable, el neutrón permanece indefinidamente. Libre, en cambio, es una partícula de vida corta: se desintegra por desintegración beta en un protón, un electrón y un antineutrino, con una vida media de unos 880 segundos (14-15 minutos). Ese proceso es, exactamente, el que permite convertir neutrones en protones dentro de núcleos con exceso de neutrones, y explica por qué la proporción entre ambos nucleones determina si un isótopo es estable o radiactivo. La relación entre isótopos y número de neutrones se trata con más detalle en esa entrada.

Aplicaciones médicas y científicas

La ausencia de carga eléctrica hace del neutrón una herramienta peculiar. No es repelido por los núcleos atómicos, de modo que penetra la materia con una eficacia que ninguna partícula cargada iguala. De ahí derivan dos aplicaciones con proyección médica.

La terapia por captura neutrónica de boro (conocida por sus siglas en inglés, BNCT) es una modalidad de radioterapia todavía en fase de ensayo clínico. Consiste en administrar al paciente un compuesto de boro-10 que se concentra selectivamente en el tejido tumoral, para irradiarlo después con un haz de neutrones de baja energía procedente de un reactor de investigación o de un acelerador. Al capturar el neutrón, el boro-10 libera una radiación de muy corto alcance que destruye la célula tumoral sin dañar de forma significativa el tejido sano circundante. En Argentina, el proyecto se ha desarrollado en el reactor RA-6 del Centro Atómico Bariloche, con ensayos clínicos en melanoma cutáneo.

El análisis por activación neutrónica sirve, en cambio, para identificar y cuantificar elementos traza en una muestra: se irradia el material con neutrones, algunos núcleos se vuelven radiactivos de forma transitoria y la radiación que emiten al desintegrarse permite reconocer qué elementos contienen y en qué proporción. Es una técnica no destructiva, empleada en nutrición, autenticación de obras de arte y ciencia forense, donde ayuda a establecer la composición de residuos de disparo o de muestras biológicas.

Diferenciación con partículas relacionadas

Con el protón comparte una masa casi idéntica y el hecho de residir en el núcleo, pero se diferencia en la carga (nula frente a positiva) y en la estabilidad: libre, el protón es estable; el neutrón, no.

Con el electrón la diferencia es de otra magnitud. El electrón no reside en el núcleo, sino en la nube que lo rodea, y su masa es unas 1.800 veces menor que la del neutrón.

La confusión con el neutrino es, sobre todo, histórica: hereda el episodio de renombramiento de 1930-1932 ya mencionado. Físicamente apenas tienen algo en común. El neutrino es un leptón de masa casi nula que rara vez interactúa con la materia; el neutrón, un barión relativamente pesado, sujeto a la interacción nuclear fuerte.

Preguntas frecuentes

¿Quién descubrió el neutrón?

James Chadwick, en 1932, en el Laboratorio Cavendish de Cambridge. Recibió el Premio Nobel de Física en 1935 por este hallazgo.

¿Por qué se llama "neutrón" si el nombre ya existía antes de 1932?

Porque el término, acuñado en 1899 por William Sutherland, quedó disponible para nombrar una partícula neutra distinta cuando Chadwick hizo su hallazgo treinta años después. La coincidencia terminológica no implica relación física entre ambas partículas.

¿El neutrón es una partícula elemental?

No. Está compuesto por tres quarks (un quark arriba y dos quarks abajo) unidos por la interacción fuerte. Las partículas elementales verdaderas, según el modelo estándar de la física de partículas, son los propios quarks, los leptones (como el electrón) y los bosones mediadores de las fuerzas fundamentales.

¿Se usan neutrones para diagnosticar enfermedades?

No de forma rutinaria. A diferencia de los fotones o los positrones, empleados a diario en radiología y en medicina nuclear, el uso médico de los neutrones se concentra en el terreno terapéutico experimental, sobre todo en la terapia por captura neutrónica de boro, y en técnicas analíticas de laboratorio como la activación neutrónica.

¿Cuánto dura un neutrón libre antes de desintegrarse?

Unos 880 segundos de media, algo menos de 15 minutos. Dentro de un núcleo estable, en cambio, permanece indefinidamente: la energía de enlace nuclear impide la desintegración beta que sí ocurre en libertad.

Referencias

1. Wikipedia, la enciclopedia libre. Descubrimiento del neutrón.
2. Rincón Educativo. 7 de febrero de 1932: James Chadwick denomina por primera vez "neutrones".
3. Comisión Nacional de Energía Atómica de Argentina. Terapia por Captura Neutrónica en Boro (BNCT).
4. Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA). Análisis por activación neutrónica.