NEUTRONES: SUS FUENTES Y APLICACIONES Pedro Julio Reyes Torres1

Resumen

Los neutrones son partículas subatómicas que se encuentran abundantes en la naturaleza ligados al núcleo de los diferentes elementos. Los neutrones se producen artificialmente por diferentes medios tales como las fuentes de neutrones o los reactores nucleares, y son muy utilizados actualmente como una herramienta para investigaciones en la medicina, la biología, la arqueología, la criminalística y muchas otras ramas del saber, por lo que su estudio y aplicación son de importancia relevante.

Palabras Clave: neutrones, quark, elementos traza, genoma, aplicaciones

Abstract

Neutrons are subatomic particles that are abundant in the nature and they are ligated to different elements nuclei. Neutrons take place artificially by different means as like that the neutron sources and the nuclear reactors. Neutrons are used at the moment like a very useful tool in medicine research, biology, archaeologist and many other branches of the knowledge, by which the study and application of neutrons is important in the present time.

Keywords: neutron, quark, trace elements, genome, applications

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Magíster en Física Universidad Militar Nueva Granada. Bogotá, Colombia Correos: pedro.reyes@unimilitar. Edu.co, [email protected]

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1. Introducción

Al bombardear algunos elementos como Li, Be, B y otros elementos livianos con partículas alfas (α), Bothe y Becker descubrieron la emisión de radiación gamma (  ) artificialmente. En particular, Juliot y Curie estudiaron en detalle la reacción Be   , observando que adicional a la radiación gamma (  ) emitida, había una radiación muy penetrante que podía liberar protones de sustancias hidrogenoides con energías de unos 5 MeV. Con estas y otras observaciones adicionales, Chadwick concluyó en 1932 que ésta radiación desconocida era eléctricamente neutra y cuyas partículas constituyentes tenían una masa comparable a la masa del protón; a las que denominó neutrones (símbolo “n”).

Desde entonces, los neutrones han sido objeto de múltiples estudios y para su detección se emplean diferentes dispositivos, por ejemplo, cámaras revestidas con boro, detectores de fisión, detectores de helio-3 y detectores de centelleo para neutrones, entre otros. Sin embargo una forma práctica de detección se hace mediante el método conocido como activación neutrónica, a través de la reacción de captura radiactiva (n,) inducida en algún material, por ejemplo Oro, mediante el bombardeo con neutrones.

Con este artículo se quiere divulgar algunas generalidades sobre la física del neutrón, sus fuentes y el potencial de aplicación en los diferentes campos de la ciencia y la tecnología.

2. Aspectos Teóricos

El neutrón (n), es una partícula subatómica que experimenta interacciones nucleares fuertes y se considera constituido por dos quarks down y un quark up. Posee una masa comparable a la masa del protón (≈ 1,67x10-27 kg), y tiene carga eléctrica nula. Se encuentra abundante en los núcleos de todos los átomos existentes en la naturaleza, pero siempre ligado al núcleo. Fuera del núcleo es una partícula inestable que puede desintegrarse con un periodo de desintegración de unos 12,5 minutos, en protones (p+) y

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electrones (e-), de acuerdo con la siguiente ecuación (ec. 1): n = p+ + e- +  , donde  representa un

neutrino, partícula necesaria para que haya conservación de momento y

energía. Sin embargo, el neutrón no puede existir aislado por tiempos relativamente largos, pues antes de que se cumpla esta ecuación de desintegración, puede ser absorbido por los átomos de los materiales que lo circundan en tiempos inferiores al microsegundo.

Es interesante tener en cuenta que de acuerdo con los diferentes experimentos se considera al núcleo de un átomo como una esfera de radio R, que depende del número de protones y neutrones contenidos en él, y que para la mayoría de los núcleos se expresa mediante la siguiente ecuación: R = R0 A1/3

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R0 es una constante determinada en 1,2x10-15 m, y A es el denominado “número másico”, que corresponde a la suma del número de protones (Z), también denominado número atómico, y del número de neutrones (N) constituyentes del núcleo. En tanto que el número atómico define las propiedades químicas de los elementos representados en la tabla periódica, el número másico define las propiedades físicas de los mismos. Es importante destacar que el neutrón es necesario para mantener la estabilidad de casi todos los núcleos atómicos (con excepción del hidrógeno) pues debido a la interacción fuerte, se atrae con otros neutrones y protones pero no se repele con ninguno, aspecto que sí se sucede con los protones, los que se atraen nuclearmente pero se repelen electrostáticamente. Los elementos de número atómico bajo son más estables y poseen igual número de protones que de neutrones. Sin embargo, a medida que el número atómico crece, el número de neutrones que configura núcleos estables se hace mayor que el número de protones, situación que se comprende por el hecho de que a mayor número de protones, más fuerte es la fuerza de repulsión colombiana entre ellos haciéndose necesario la presencia de más neutrones para que a través de la llamada fuerza nuclear se alcance la estabilidad. Es de tenerse en cuenta que la mayor parte de los núcleos estables tienen

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números pares de Z y N y que los de más alta estabilidad corresponden a los siguientes números denominados números mágicos: Z o N = 2, 8, 20, 28, 50, 82,126

A su vez, hay núcleos que teniendo el mismo número atómico, poseen diferentes números másicos, son los denominados isótopos. Por ejemplo, químicamente sólo se distingue “hidrógeno”, pero físicamente hay tres tipos de hidrógeno: hidrógeno natural 1 1

H ; deuterio 12 H ; tritio 13 H . En tanto que el primero de estos es muy estable, los dos

últimos son muy inestables y tienden a ocasionar reacciones nucleares con relativa facilidad entre ellos mismos o con otros elementos.

3. Fuentes de Neutrones Generalmente, al bombardear algún material “blanco” con partículas tales como partículas alfa (), protones (p+), o deuterones (d), se forma un núcleo excitado compuesto, que al desexcitarse puede emitir neutrones. El núcleo residual

puede

permanecer en estado excitado retornando al estado base mediante la emisión de radiación gamma (  ). Entre las principales fuentes artificiales de neutrones están: 

Las fuentes tipo (,n): los neutrones se producen mediante la interacción de una partícula alfa emitida por un elemento radiactivo de alto número atómico, con un elemento de bajo número atómico con el que está mezclado homogéneamente. Entre estas fuentes se destacan las de Americio - Berilio y Radio – Berilio [1]. En general son fuentes pequeñas y compactas que no requieren sistemas de vacío ni de altas tensiones. Son fáciles de transportar y no necesitan personal especializado para su manipulación. La desventaja principal consiste en la baja producción de neutrones (~ 107 neutrones por segundo), lo que no permite determinar por activación las trazas de elementos, aunque sí es posible observar de forma global cantidades de elementos que tengan elevadas secciones eficaces de activación.

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

Los generadores de neutrones: son básicamente aceleradores de partículas entre los que se cuentan: el acelerador de Van de Graaf (produce deuterones con energías de hasta 10 MeV), los aceleradores tipo Cockcroft-Walton (capaces de producir deuterones de 0,7 MeV) [1], el ciclotrón y el espectrógrafo de emisión. Todos estos dispositivos tienen el mismo principio básico de funcionamiento y sus componentes principales son: la fuente de iones, el mecanismo acelerador y el blanco. Se pueden obtener neutrones por medio de reacciones como las siguientes:

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Q  3,2669 Mev

H  d 3He  n  Q

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Q  17,588Mev

H  d  4 He  n  Q

Q , representa el cambio de energía del sistema. 

Los reactores nucleares: son dispositivos en los que se genera energía a partir de la fisión en cadena ocasionada en determinados núcleos pesados, particularmente 235

U . El proceso se comienza bombardeando con neutrones núcleos de uranio, que

escinden en dos fragmentos y el surgimiento de dos o tres neutrones rápidos por término medio. A los reactores se les suele clasificar de diversas formas según sus características y el uso a que están destinados. Por ejemplo, según la energía de los neutrones utilizados para provocar la fisión de los núclidos, se suelen clasificar como reactores térmicos, reactores rápidos y reactores medios. De otro lado, según su utilización se les denomina como: reactores de potencia (utilizados en la generación de energía eléctrica); reactores de investigación (dedicados a la experimentación); reactores de ensayo de materiales (para el estudio de materiales empleados en la construcción de reactores), reactores de enseñanza (empleados con fines pedagógicos) y reactores reproductores (utilizados en la creación de materiales fisionables).

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Si bien todos estos tipos de reactores tienen características muy diferentes, en su interior existe un campo neutrónico determinado por el flujo de neutrones   nv (n es la densidad de neutrones y v es la velocidad). Este flujo corresponde al número de neutrones que en un segundo pasan en todas las direcciones a través de una esfera de radio R y área de sección transversal A  R 2  1cm 2 . En una primera aproximación todas las direcciones son igualmente posibles, resultando isotrópica la distribución de velocidades neutrónicas. En la fisión los neutrones se crean muy rápidos y conforme viajan a través de los componentes del reactor pierden energía. En general, se suelen distinguir tres regiones del espectro energético dentro del reactor conforme se describe a continuación. [1], [2].

a) La región de los neutrones rápidos que recién nacen del proceso de fisión nuclear. Sus energías (E) son superiores a 0.5 MeV

y el flujo de neutrones puede

determinarse, en muy buena aproximación, mediante la siguiente ecuación de distribución que de forma semiempírica fue propuesta por Watt [3].

 ( E )  exp( E ) Senh(2 E )1 / 2

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b) La región conocida como epitérmica o de neutrones de resonancia. Las energías están dentro del rango comprendido entre 0,2eV  E 0,5MeV . c) En esta región el espectro energético puede expresarse, en general, por la ecuación

 ( E)  ( epi / E)dE , y está determinado por el proceso de moderación de los neutrones

mediante colisiones elásticas con los núcleos de las sustancias

moderadoras con las que el neutrón interactúa, cediendo parte de su energía.  epi depende débilmente de la energía y en primera aproximación se puede tomar como constante. d) La región de neutrones térmicos a la que se han incorporado los neutrones resultantes de la fisión mediante el proceso de moderación. Sus energías son inferiores a 0,2 eV, y se encuentran ahora en equilibrio termodinámico con el movimiento de agitación térmica de los átomos de los materiales moderadores [4].

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El espectro neutrónico correspondiente a esta región, en función de la energía E, puede expresarse mediante la siguiente ecuación:

 ( E )dE   th ( E / kT ) exp( E / kT )(dE / kT )

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k Es la constante de Boltzman, T es la temperatura absoluta y th es el flujo térmico.

Es importante tener en cuenta que en un reactor nuclear, los neutrones se mueven en forma de zig-zag muy complicado y que a cada instante cambian de posición, dirección y energía. En su camino, pueden ser absorbidos, pueden ser dispersados o bien pueden escapar del sistema; se dice que los neutrones han sido transportados desde su nacimiento como neutrones rápidos a la región térmica y el estudio de los detalles de su evolución se realiza mediante la teoría del transporte de Boltzman. [3], [6], la cual sobrepasa la intención de esté artículo.

4. Importancia y utilidad de los neutrones Al ser los neutrones partículas constituyentes de los núcleos, su importancia es capital en la estructura de todo lo que existe en el Universo y su comprensión es, entonces, fundamental para conocer las propiedades de la materia y su utilización en las diferentes ramas de la ciencia y la tecnología. A continuación se hace una breve descripción de algunas aplicaciones de los neutrones en diferentes campos del saber: a) Determinación de elementos traza Los neutrones que se producen, por ejemplo, en los reactores nucleares se llevan a la región térmica (bajas energías) y se utilizan luego para bombardear diferentes materiales bajo estudio. Los núcleos de estos materiales absorben a los neutrones formándose isótopos radiactivos del mismo elemento blanco, presentándose de inmediato la emisión de un fotón gamma, proceso éste que se conoce como el método de activación neutrónica. Al ser un método de alta sensibilidad (distingue partes por millón), es utilizado para la determinación de aquellos elementos que se encuentran en 7

cantidades muy pequeñas en los diferentes materiales, los que se conocen como elementos traza. Por ello, ramas de la ciencia como la medicina, la biología, la arqueología, las bellas artes, el medio ambiente y la criminalística, entre otros, apetecen de este método como una herramienta de gran utilidad para sus respectivas investigaciones. Destacando el caso de la medicina y la biología, es notable considerar que sólo 11 elementos de la tabla periódica forman la mayor parte de la materia viviente. De estos, solo 4; Oxígeno, Carbono, Nitrógeno e Hidrógeno forman el 96 % de la materia viva. Los otros 7 elementos: Calcio, Fósforo, Azufre, Potasio, Sodio, Cloro y Magnesio suman un 3,6 % de la misma [11]. Los demás elementos encontrados en la materia viva con ayuda de este método neutrónico, se hallan en pequeñísimas cantidades o en forma esporádica. Estos elementos traza que básicamente son: Hierro, Yodo, Cobre, Manganeso, Cinc, Cobalto, Molibdeno, Selenio, Cromo, Estaño, Vanadio, Fluor y Silicio, que podrían llamarse esenciales, pueden jugar roles muy importantes en los organismos y pueden presentar comportamientos distintos y contradictorios, como que su carencia puede causar la muerte pero el exceso puede tener igual efecto como suele suceder con el Selenio, mineral éste muy importante para el sistema inmunológico, pero en exceso presenta efectos nocivos como caída del pelo y de las uñas, así como nauseas, fatiga y otros trastornos. Si bien las alteraciones metabólicas en seres vivos han existido desde tiempos inmemoriales, se ha descubierto recientemente que son ciertos elementos traza los responsables de efectos tóxicos que en muchos casos afectan a grandes masas de población. A su vez, la revolución industrial, el urbanismo, el transporte masivo y el uso desaforado de fuentes de energía han ocasionado grandes problemas de contaminación y de salud pública, gracias a la presencia de los elementos traza como el mercurio. b) Estudio de las leyes fundamentales de la naturaleza La visión acerca de los constituyentes fundamentales de la naturaleza (partículas elementales y fuerzas) ha evolucionado drásticamente en el último siglo. Se han propuesto varios modelos (como el modelo Standard) que intentan describir cómo era el

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Universo en sus primeros segundos de vida, y cómo interaccionan las fuerzas y partículas para formar núcleos complejos que a su vez forman los átomos de que está compuesta la materia. Con el fin de verificar estos modelos, los físicos dedicados al estudio de partículas han propuesto diversos experimentos abarcando un gran rango de energías. En algunos experimentos se pretende hacer colisionar haces de partículas con energías del orden 1 012 eV, para simular las condiciones del Universo en sus primeros segundos de vida. Pero otros experimentos buscan efectos sutiles en el comportamiento de las partículas, perceptibles solo a muy bajas energías. Este tipo de experimentos que se realizan en las fuentes de neutrones (incluidos algunos reactores nucleares) en el rango de energías por debajo 10-3 eV, podrían ayudar a explicar bastante acerca de la simetría de las partículas y sus interacciones, y tal vez a explicar porque el Universo está constituido principalmente de materia y no de antimateria. “Un ejemplo interesante de remarcar es la reciente observación con una fuente de neutrones, de la cuantificación de los estados neutrónicos por efecto del campo gravitacional de la Tierra, lo que ha confirmado experimentalmente la coexistencia de gravedad y mecánica cuántica y ha abierto a su vez el campo de la espectroscopia en los pico-eV” [10]. c) Comprensión de los procesos biológicos Adicionalmente, en esta era del genoma, las técnicas analíticas complementarias empleadas, entre las cuales están las de dispersión de neutrones, han ayudado a los biólogos de todo el mundo a descifrar la estructura de grandes moléculas biológicas tales como las proteínas, sus complejos ordenamientos entramados y como desarrollan sus funciones en la célula, y por tanto, el impacto sobre la vida y la propia salud. Entre los diferentes estudios realizados con neutrones dentro de este campo se puede mencionar: estudios de complejos moleculares relacionados con la digestión (el metabolismo) de las grasas, estudio del papel de los átomos de hidrógeno en las enzimas, estudios acerca de la estabilidad de enzimas para aplicaciones en biotecnología, papel de las moléculas de agua en los cambios del ADN, estudio de

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membranas biológicas o cómo los péptidos penetran a través de las membranas, y estudios en terapias génicas. [10]. Algunas fuentes de neutrones construidas con diversos fines, se encuentran en Europa, Estados Unidos y Japón. Por ejemplo, la principal fuente de neutrones europea es el ILL (Institut Laue Langevin, Grenoble, Francia), la cual es solicitada por científicos de diferentes especialidades y diferentes nacionalidades. Entre otras fuentes de neutrones muy importantes están el ISIS (en Oxford, UK), el LLB, (en Saclay, Francia), el SINQ (en Viligen, Suiza) o el BENSC (en, Berlín, Alemania). En Estados Unidos hay fuentes de neutrones dedicadas a investigación en Los Álamos, Argonne, en Washington y en Oak Ridge entre otras. En el Japón cuentan con fuentes de neutrones (JAERI, KENS, KURRI) y están construyendo una nueva llamada J-PARC en Tokai.

4. Conclusiones

Al ser el neutrón una partícula que hace parte de la estructura de la materia, su estudio resulta de interés y debería incorporarse en el programa de Física moderna que normalmente se sigue en las diferentes Instituciones de Educación Superior, complementando así, la formación académica del estudiante y motivando en éste el deseo de explorar la constitución de todo aquello que conforma la naturaleza.

Las aplicaciones de técnicas neutrónicas, como una herramienta complementaria, han resultado de gran utilidad en la comprensión de diversos fenómenos de la naturaleza por lo que especialmente, en países avanzados

se está ampliando la red de fuentes

neutrónicas para el servicio de la comunidad científica y por supuesto para beneficio de la comunidad en general.

Los neutrones al igual que todas las radiaciones, producen daños directos e indirectos en los materiales alcanzados ya que pueden provocar reacciones nucleares y químicas, y por consiguiente, daños que podrían ser irreparables especialmente en la materia viva

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conforme ha sucedido en explosiones nucleares ocasionando la muerte, o al menos trastornos directos y mutaciones genéticas Entre los problemas que se afrontan con las fuentes neutrónicas se puede mencionar: los altos costos de construcción, los cuidados de manejo y operación y los riesgos inherentes a las radiaciones, lo que se constituye en una barrera para algunos países en vía de desarrollo.

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Glosario Electrón: (Del griego ελεκτρον, ámbar), es una partícula subatómica de masa me =9.11x10-31 kg y carga eléctrica negativa e- = 1,6x10-19 C. Rodea al núcleo y su movimiento produce corrientes eléctricas. Fisión: Proceso nuclear mediante el cual un núcleo se parte en dos o más núcleos más livianos y algunos subproductos como neutrones libres y la emisión de rayos gamma lo que supone la liberación de cantidades grandes de energía. Fuerza fuerte: Fuerza atractiva de muy corto alcance (~ 1 fm), que mantiene unidos a los nucleones (partículas nucleares protón y neutrón). Genoma: es todo el material genético contenido en las células de un organismo en particular. En el caso de los seres humanos, el genoma nuclear tiene 6.000 millones de pares de bases, lo que incluye dos copias muy similares del genoma haploide de 3 000 millones de pb. Isótopos: compuestos por átomos de un elemento químico cuyos núcleos tienen igual número atómico Z, pero distinto número másico A. Modelo Estándar (habitualmente abreviado como SM, del inglés Standard Model) en física de partículas trata de describir los fenómenos conocidos asociados al mundo de las partículas fundamentales y a sus interacciones. Mutación: es una alteración o cambio en la información genética de un ser vivo, que va a producir cambios en las características de forma súbita y espontáneamente, y que se puede transmitir hereditariamente. Protón: (del griego, protón = primero) es una partícula subatómica con carga positiva e+ = 1,6x10-19 C y masa mp = 1,6726x10-27 kg.

Experimentalmente se observa que el

protón es una partícula estable, con un límite inferior en su vida media de unos 1035 años, aunque algunas teorías predicen que el protón puede desintegrarse. Quarks: Constituyentes fundamentales (fermiones) de

espín 1/2 que junto a los

leptones forman la materia visible. Se conocen seis tipos o "sabores" distintos de quarks que han sido denominados de la siguiente manera: "up" (arriba), "down" (abajo),

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"cham" (encanto), "strange" (extraño), "top" (cima) y "bottom" (fondo). Curiosamente tienen carga eléctrica fraccionaria de -1/3 o +2/3 de la carga del electrón. Radiación: Energía transportada mediante ondas electromagnéticas.

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REFERENCIAS

[1] Travesi, A. (1975). Análisis por activación neutrónica, teoría, práctica y aplicaciones. Madrid. Servicio de publicaciones de la Junta de Energía Nuclear.

[2] Thomoson, M,N and Taylor, L.M. (1965). Neutron spectra from Am-Be and Ra-Be sources, Nuclear Instruments and Methods. Viena.

[3] Beckurts, K.H. and Wirtz, K. (1964). Neutron Physics. New York, Springer-Verlag.

[4] Csikai, L. (1987). Handbook of fast neutron generators. CRC press, Inc. Boca Ratón, Florida.

[5] Murray, R., L. (1959). Nuclear reactor physics. USA., Prentice Hall Inc.

[6] Caro, Rafael. (1976). Física de reactores nucleares. Madrid, Publicaciones de la JEN. . [7] Feltz, D., y Small, E. (1986). Computer software for research reactor. User manual for neutron activation software package. Texas University.

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[11] Lenihan, J.M.A. (1969). Modern Trends in Activation Analysis. National Bureau of Standards. Special Publication 312, Vol 1. Junio.

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[12] Dusan, H. (2002). ¿De qué están hechas las cosas? Modelo estándar de partículas elementales. Revista Ciencia e Ingeniería Neogranadina ISSN 0124-8170 N0 12 de julio.

[13] Medina, A., S., M. y Reyes, T., P., J. (2002). Radiaciones ionizantes y efectos sobre la materia. Revista Ciencia e Ingeniería Neogranadina ISSN 0124-8170 N0 12 de julio.

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