X. FUENTES DE NEUTRONES

X. FUENTES DE NEUTRONES

ANTES de examinar la forma en que se usan los neutrones para extraer informaci�n sobre las caracter�sticas microsc�picas de las sustancias, hablaremos de c�mo se los puede obtener y c�mo formar un haz de ellos.
Recordemos que los neutrones at�micos deben ser la fuente primaria de neutrones. �C�mo podemos sacar a los neutrones de los n�cleos?
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 mencion� en el cap�tulo VIII, algunos is�topos de ciertas sustancias no son estables. Esto tiene como consecuencia que el n�cleo correspondiente se rompe en varios fragmentos. Al desprenderse estos fragmentos se dice que el n�cleo decae o se desintegra. Ahora bien, cuando un n�cleo se desintegra se transforma en otro n�cleo ya que, en general, pierde protones. Hacemos notar que esta desintegraci�n es espont�nea. Por ejemplo, el n�cleo de uranio, que tiene 92 protones, no es estable; al romperse se emiten dos part�culas: una de ellas, llamada part�cula alfa (a) y otra, un n�cleo del elemento torio. La part�cula alfa est� compuesta de dos protones y de dos neutrones, por lo que la otra part�cula debe tener 92-2 = 90 protones. Un n�cleo con este n�mero de protones corresponde al torio. Vemos entonces que al desintegrarse un n�cleo se transforma en otro n�cleo. De esta manera un elemento qu�mico se transforma en otro (el viejo sue�o de los alquimistas al fin realizado). Se escribe esta reacci�n como sigue:

₉₂ U ²³⁸ ® ₂ a⁴ + ₉₀ Th ²³⁴

(1)

Este tipo de transformaciones en los n�cleos at�micos se llama reacci�n nuclear. Como consecuencia de esta reacci�n nuclear el uranio se transmuta en torio. Adem�s de la desintegraci�n, existen tambi�n otros tipos de reacciones nucleares.
Cuando una part�cula microsc�pica choca con el n�cleo de un �tomo puede ocurrir que despu�s de la colisi�n salgan part�culas completamente distintas a las que iniciaron la colisi�n. Este proceso es otro tipo de reacci�n nuclear.
Las reacciones nucleares son an�logas a los procesos que ocurren entre �tomos o mol�culas y que dan lugar a reacciones qu�micas. La diferencia es que ahora los procesos ocurren en n�cleos at�micos en lugar de ocurrir en �tomos o mol�culas.
Las colisiones entre part�culas que dan lugar a reacciones nucleares se pueden lograr bombardeando n�cleos de �tomos con otras part�culas. Por ejemplo, si se bombardea nitr�geno con part�culas alfa.

₂ a ⁴ + ₇ N ¹⁴ ® ₈ O ¹⁷ + ₁ p¹

(2)

se obtiene un n�cleo de oxígeno y un prot�n.
Otro ejemplo ser�a bombardear un n�cleo de boro con un neutr�n. En este caso se obtiene un n�cleo de litio y una part�cula alfa

₀ n ¹ + ₅ B ¹⁰ ® ₃ Li ⁷ + ₂ a ⁴

(3)

Otro ejemplo ocurre cuando se bombardea uranio con una part�cula alfa. Como resultado de esta reacci�n nuclear se obtiene un n�cleo de plutonio y un neutr�n:

₂ a ⁴ + ₉₂ U ²³⁸ ® ₉₄ Pu ²⁴¹ + ₀ n ¹

(4)

Obs�rvese que este es un ejemplo de una reacci�n nuclear en la que se obtiene como producto un neutr�n. Hemos de mencionar que existen otras reacciones nucleares en las que tambi�n se obtienen neutrones.
En las reacciones nucleares que hemos mencionado se ha determinado en cada caso, expl�citamente, qu� is�topo es el bombardeado. Esto es muy importante porque si se cambia el is�topo, aunque sea del mismo elemento qu�mico, el resultado de la reacci�n ser�, en general, distinto.
Un caso muy interesante y de suma importancia ocurre al bombardear n�cleos de uranio con neutrones. �De d�nde se pueden sacar estos neutrones para usarlos como proyectiles sobre los n�cleos de uranio? Pues, simplemente, estos neutrones pueden ser los que se obtienen de reacciones nucleares cuyos productos sean neutrones y que ejemplificamos en la reacci�n (4). El proyectil incidente en esta reacci�n nuclear es una part�cula alfa, que puede ser la que emite espont�neamente un n�cleo de uranio, como se ve en la reacci�n nuclear (1) que mencionamos arriba.
En resumen, las part�culas alfa que se emiten de la desintegraci�n espont�nea del ₉₂U²³⁸ [v�ase la reacci�n (1)] se hacen incidir sobre otros n�cleos de ₉₂U²³⁸ [v�ase la reacci�n (4)]. El resultado es que se obtienen neutrones. Esta ser�a una manera de sacar neutrones de n�cleos del �tomo.
Por otro lado, existen en la naturaleza, al menos, dos is�topos de uranio. Ambos tienen en sus n�cleos 92 protones y 92 electrones, que los hacen uranio. Uno de los is�topos tiene en su n�cleo 146 neutrones, mientras que el otro tiene 143. De esta forma, uno de ellos tiene 92 + 146 = 238 part�culas en el n�cleo, mientras que el otro tiene 92 + 143 = 235 part�culas en el n�cleo. Al primero se le llama uranio 238 ( mismo que apareci� 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 is�topo 238 es much�simo m�s abundante que el 235.
Ahora bien, si un neutr�n lento (obtenido de alguna reacci�n nuclear) choca con un n�cleo de ₉₂U²³⁵, este n�cleo se divide en otros dos n�cleos: uno de bario y otro de krypt�n. Es decir, el n�cleo de uranio se parte transform�ndose en otros dos n�cleos. Al mismo tiempo, tambi�n se liberan tres neutrones. Esta reacci�n nuclear se puede escribir como

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

(5)

Una reacci�n nuclear como la que acabamos de mostrar se llama fisi�n nuclear: proceso en el que un n�cleo se fragmenta en dos o m�s n�cleos.
En la reacci�n de fisi�n del n�cleo de uranio de arriba resulta que la masa de las part�culas antes de la reacci�n NO es igual a la masa de las part�culas despu�s de la reacci�n. Despu�s de la reacci�n, la masa total es menor que la que hab�a antes de la reacci�n. �Qu� ocurre con la masa que se pierde? Seg�n la teor�a de la relatividad de Einstein, la masa que se pierde se transforma en energ�a. Adem�s, resulta que esta energ�a, llamada nuclear pues proviene del n�cleo, es extraordinariamente grande. Es justamente esta energ�a la que se puede utilizar para diversos fines. Uno de ellos es, por ejemplo, transformarla en energ�a el�ctrica.
Por otro lado, notamos que en la reacci�n nuclear (5) de fisi�n del uranio 235 se emiten varios neutrones; es decir, por cada neutr�n incidente aparecen m�s de un neutr�n. Imaginemos ahora que cada uno de estos neutrones que salen de la reacci�n chocaran con otros tres n�cleos de uranio 235. Como consecuencia, estos tres n�cleos de uranio se fisionar�an, emitiendo cada uno de ellos, a su vez, energ�a y tres neutrones. Ahora tendr�amos nueve neutrones en lugar de los tres originales. Si se permite que los neutrones que se producen en cada reacci�n de fisi�n de uranio incidan sobre otros n�cleos de uranio, nos damos cuenta de que se liberar� una cantidad muy grande de energ�a nuclear, as� como un buen n�mero de neutrones. A este proceso se le llama Una reacci�n en cadena (Figura 23).

Figura 23. Esquema de una reacc�on en cadena en la que cada n�cleo de U²³⁵ se fisiona generando energ�a y produciendo tres neutrones. Este proceso constituye una fuente tanto de energ�a como de neutrones.

Si en una muestra de uranio 235 se dejara que todos los neutrones obtenidos en cada reacci�n fisionaran otros n�cleos de uranio, en poco tiempo se liberar�a una cantidad tan grande de energ�a, que ocurrir�a una explosi�n. Esto es lo que justamente pasa en una bomba at�mica.
Por otro lado, si se controla la reacci�n en cadena, permitiendo que por cada n�cleo de uranio solamente un neutr�n de los que salen fisione a otro n�cleo de uranio absorbiendo de alguna manera los otros neutrones, entonces se liberar� mucha energ�a pero no habr� explosi�n. 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 part�culas se pueden guiar, por medio de tuber�as adecuadamente dise�adas, hacia el exterior, a lo que se llama un puerto del reactor, logrando as� 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 microsc�picas de diversas sustancias. En el siguiente capítulo examinaremos con detalle la manera como esto se hace.