X. FUENTES DE NEUTRONES

X. FUENTES DE NEUTRONES

ANTES de examinar la forma en que se usan los neutrones para extraer información sobre las características microscópicas de las sustancias, hablaremos de cómo se los puede obtener y cómo formar un haz de ellos.
Recordemos que los neutrones atómicos deben ser la fuente primaria de neutrones. ¿Cómo podemos sacar a los neutrones de los núcleos?
Para poder entender el mecanismo en que se basan las fuentes de neutrones, hablaremos primero, de manera breve, acerca de las reacciones nucleares.
Como se mencionó en el capítulo VIII, algunos isótopos de ciertas sustancias no son estables. Esto tiene como consecuencia que el núcleo correspondiente se rompe en varios fragmentos. Al desprenderse estos fragmentos se dice que el núcleo decae o se desintegra. Ahora bien, cuando un núcleo se desintegra se transforma en otro núcleo ya que, en general, pierde protones. Hacemos notar que esta desintegración es espontánea. Por ejemplo, el núcleo de uranio, que tiene 92 protones, no es estable; al romperse se emiten dos partículas: una de ellas, llamada partícula alfa (a) y otra, un núcleo del elemento torio. La partícula alfa está compuesta de dos protones y de dos neutrones, por lo que la otra partícula debe tener 92-2 = 90 protones. Un núcleo con este número de protones corresponde al torio. Vemos entonces que al desintegrarse un núcleo se transforma en otro núcleo. De esta manera un elemento químico se transforma en otro (el viejo sueño de los alquimistas al fin realizado). Se escribe esta reacción como sigue:

₉₂ U ²³⁸ ® ₂ a⁴ + ₉₀ Th ²³⁴

(1)

Este tipo de transformaciones en los núcleos atómicos se llama reacción nuclear. Como consecuencia de esta reacción nuclear el uranio se transmuta en torio. Además de la desintegración, existen también otros tipos de reacciones nucleares.
Cuando una partícula microscópica choca con el núcleo de un átomo puede ocurrir que después de la colisión salgan partículas completamente distintas a las que iniciaron la colisión. Este proceso es otro tipo de reacción nuclear.
Las reacciones nucleares son análogas a los procesos que ocurren entre átomos o moléculas y que dan lugar a reacciones químicas. La diferencia es que ahora los procesos ocurren en núcleos atómicos en lugar de ocurrir en átomos o moléculas.
Las colisiones entre partículas que dan lugar a reacciones nucleares se pueden lograr bombardeando núcleos de átomos con otras partículas. Por ejemplo, si se bombardea nitrógeno con partículas alfa.

₂ a ⁴ + ₇ N ¹⁴ ® ₈ O ¹⁷ + ₁ p¹

(2)

se obtiene un núcleo de oxígeno y un protón.
Otro ejemplo sería bombardear un núcleo de boro con un neutrón. En este caso se obtiene un núcleo de litio y una partícula alfa

₀ n ¹ + ₅ B ¹⁰ ® ₃ Li ⁷ + ₂ a ⁴

(3)

Otro ejemplo ocurre cuando se bombardea uranio con una partícula alfa. Como resultado de esta reacción nuclear se obtiene un núcleo de plutonio y un neutrón:

₂ a ⁴ + ₉₂ U ²³⁸ ® ₉₄ Pu ²⁴¹ + ₀ n ¹

(4)

Obsérvese que este es un ejemplo de una reacción nuclear en la que se obtiene como producto un neutrón. Hemos de mencionar que existen otras reacciones nucleares en las que también se obtienen neutrones.
En las reacciones nucleares que hemos mencionado se ha determinado en cada caso, explícitamente, qué isótopo es el bombardeado. Esto es muy importante porque si se cambia el isótopo, aunque sea del mismo elemento químico, el resultado de la reacción será, en general, distinto.
Un caso muy interesante y de suma importancia ocurre al bombardear núcleos de uranio con neutrones. ¿De dónde se pueden sacar estos neutrones para usarlos como proyectiles sobre los núcleos de uranio? Pues, simplemente, estos neutrones pueden ser los que se obtienen de reacciones nucleares cuyos productos sean neutrones y que ejemplificamos en la reacción (4). El proyectil incidente en esta reacción nuclear es una partícula alfa, que puede ser la que emite espontáneamente un núcleo de uranio, como se ve en la reacción nuclear (1) que mencionamos arriba.
En resumen, las partículas alfa que se emiten de la desintegración espontánea del ₉₂U²³⁸ [véase la reacción (1)] se hacen incidir sobre otros núcleos de ₉₂U²³⁸ [véase la reacción (4)]. El resultado es que se obtienen neutrones. Esta sería una manera de sacar neutrones de núcleos del átomo.
Por otro lado, existen en la naturaleza, al menos, dos isótopos de uranio. Ambos tienen en sus núcleos 92 protones y 92 electrones, que los hacen uranio. Uno de los isótopos tiene en su núcleo 146 neutrones, mientras que el otro tiene 143. De esta forma, uno de ellos tiene 92 + 146 = 238 partículas en el núcleo, mientras que el otro tiene 92 + 143 = 235 partículas en el núcleo. Al primero se le llama uranio 238 ( mismo que apareció en las reacciones nucleares que mencionamos arriba) y al otro, uranio 235. Se denotan como ₉₂U²³⁸ y ₉₂U²³⁵, respectivamente. Resulta que en una muestra cualquiera de uranio el isótopo 238 es muchísimo más abundante que el 235.
Ahora bien, si un neutrón lento (obtenido de alguna reacción nuclear) choca con un núcleo de ₉₂U²³⁵, este núcleo se divide en otros dos núcleos: uno de bario y otro de kryptón. Es decir, el núcleo de uranio se parte transformándose en otros dos núcleos. Al mismo tiempo, también se liberan tres neutrones. Esta reacción nuclear se puede escribir como

₀ n ¹ + ₉₂ U ²³⁵ ® ₅₆ Ba ¹⁴¹ + ₃₆Kr ⁹² + 3 _O n ¹

(5)

Una reacción nuclear como la que acabamos de mostrar se llama fisión nuclear: proceso en el que un núcleo se fragmenta en dos o más núcleos.
En la reacción de fisión del núcleo de uranio de arriba resulta que la masa de las partículas antes de la reacción NO es igual a la masa de las partículas después de la reacción. Después de la reacción, la masa total es menor que la que había antes de la reacción. ¿Qué ocurre con la masa que se pierde? Según la teoría de la relatividad de Einstein, la masa que se pierde se transforma en energía. Además, resulta que esta energía, llamada nuclear pues proviene del núcleo, es extraordinariamente grande. Es justamente esta energía la que se puede utilizar para diversos fines. Uno de ellos es, por ejemplo, transformarla en energía eléctrica.
Por otro lado, notamos que en la reacción nuclear (5) de fisión del uranio 235 se emiten varios neutrones; es decir, por cada neutrón incidente aparecen más de un neutrón. Imaginemos ahora que cada uno de estos neutrones que salen de la reacción chocaran con otros tres núcleos de uranio 235. Como consecuencia, estos tres núcleos de uranio se fisionarían, emitiendo cada uno de ellos, a su vez, energía y tres neutrones. Ahora tendríamos nueve neutrones en lugar de los tres originales. Si se permite que los neutrones que se producen en cada reacción de fisión de uranio incidan sobre otros núcleos de uranio, nos damos cuenta de que se liberará una cantidad muy grande de energía nuclear, así como un buen número de neutrones. A este proceso se le llama Una reacción en cadena (Figura 23).

Figura 23. Esquema de una reaccíon en cadena en la que cada núcleo de U²³⁵ se fisiona generando energía y produciendo tres neutrones. Este proceso constituye una fuente tanto de energía como de neutrones.

Si en una muestra de uranio 235 se dejara que todos los neutrones obtenidos en cada reacción fisionaran otros núcleos de uranio, en poco tiempo se liberaría una cantidad tan grande de energía, que ocurriría una explosión. Esto es lo que justamente pasa en una bomba atómica.
Por otro lado, si se controla la reacción en cadena, permitiendo que por cada núcleo de uranio solamente un neutrón de los que salen fisione a otro núcleo de uranio absorbiendo de alguna manera los otros neutrones, entonces se liberará mucha energía pero no habrá explosión. Un aparato que funciona de esta manera es un reactor nuclear. El control se logra por ejemplo, introduciendo barras de cadmio que absorben neutrones.
En un reactor nuclear hay, por lo tanto, una gran cantidad de neutrones. Cierta cantidad de estas partículas se pueden guiar, por medio de tuberías adecuadamente diseñadas, hacia el exterior, a lo que se llama un puerto del reactor, logrando así un haz de neutrones disponible para lo que se ofrezca. De esta manera vemos que un reactor nuclear es una fuente de neutrones que ha sido utilizada para estudiar estructuras y propiedades microscópicas de diversas sustancias. En el siguiente capítulo examinaremos con detalle la manera como esto se hace.