Il neutrone è una particella subatomica costituita da due quark down e un quark up, con carica elettrica pari a zero, appartenente alla famiglia degli adroni, in particolare al gruppo dei barioni e avendo spin semi-intero è un fermione.
Ha una massa a riposo di 939,57 Mev/c2 , leggermente superiore a quella del protone (in questi mesi sono stati condotti studi sulla particolare differenza tra le masse di queste due particelle portando una precisione senza precendenti nelle misure).
Inoltre è una particella instabile caratterizzato da una vita media di circa 14 minuti e decade per mezzo del decadimento beta, cioè una trasformazione nucleare in cui si verifica l’emissione di un elettrone o un positrone.
Fin dagli albori della radioattività vi era molta confusione sui meccanismi che governassero tale decadimento: ad esempio all’epoca si pensava che l’elettrone facesse parte anche lui del nucleo atomico.
Un forte argomento contro questa assunzione viene da:
a) principio di conservazione dell’energia;
b) principio di conservazione del momento angolare;
c) principio di indeterminazione.
Dopo la scoperta del neutrone, il decadimento beta e tutti i fatti ad esso connessi vennero spiegati con l’ipotesi del neutrino di Pauli (1931) che portò alla teoria di Fermi del 1934. L’ipotesi di Pauli è che la trasformazione sia data da:
dove la particella ν (neutrino) è neutra per la conservazione della carica, ha spin semiintero per la conservazione del momento angolare, ed ha massa a riposo molto piccola per la conservazione dell’energia.
Ricordiamo inoltre che:
I meccanismi di decadimento beta sono i seguenti:
DECADIMENTO BETA MENO
Un neutrone (libero o meno) decade in una coppia protone-elettrone più un antineutrino elettronico, il protone resta nel nucleo atomico, mentre le altre due particelle vengono espulse.
Richiamando la teoria dei quark, otteniamo questo semplice schema per il decadimento del neutrone:
Un esempio di decadimento beta meno può essere, oltre quello del neutrone, quello del muone:
tramite il bosone
DECADIMENTO BETA PIU’
Un protone (legato) decade in una coppia neutrone-positrone più un neutrino elettronico; sperimentalmente risulta che il protone libero è una particella stabile, ovvero spontaneamente non decade anche se secondo alcune teorie ancora non accettate invece il protone potrebbe decadere.
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In seguito, poi, il neutrone decade secondo il meccanismo precedente; un esempio di decadimento beta più, come sopra, può essere quello del muone :
questo tramite il bosone W+
Un altro importante fenomeno riguardante i neutroni è la CATTURA ELETTRONICA: accade quando un nucleo assorbe uno dei suoi elettroni orbitanti trasformando un protone del nucleo in un neutrone, ottenendo l’emissione di un neutrino:
Anche se non non rappresenta un decadimento radioattivo, questo fenomeno risulta molto importante nella trasmutazione di molti nuclei instabili che in un secondo momento possono decadere beta.
DOPPIO DECADIMENTO BETA
Questo è un decadimento radioattivo raro in cui un nucleo decade in un altro con stesso numero di massa e può essere interpretato come il verificarsi di due decadimenti beta contemporanei. Possono essere distinti quattro tipi di doppi decadimenti beta: due decadimenti ß– (come in figura), due decadimenti ß+, due catture elettroniche, una cattura elettronica ed un decadimento ß+.
DOPPIO DECADIMENTO BETA SENZA NEUTRINO
Questo è un tipo di decadimento estremamente raro (non è stato ancora osservato ma solo teorizzato) dove il neutrino emesso viene subito riassorbito da un altro nucleone; tale meccanismo di decadimento, se dovesse esistere, chiarirebbe molto le idee sulla natura del neutrino.
ATTIVAZIONE NEUTRONICA*
Tale processo consiste nella produzione di un isotopo instabile attraverso l’assorbimento di neutroni da parte dei nuclei presenti nel materiale.
In generale si sfrutta la reazione (n,γ) per neutroni termici, oppure (ma molto meno nella pratica) reazioni del tipo (n,p), (n,α), (n,2n) con neutroni di fissione e veloci.
Tornando alla reazione (n,γ), il fotone emesso a seguito della reazione ha in genere una energia di 6÷8 MeV (l’energia di legame del neutrone catturato) e viene detto “pronto” in quanto emesso all’istante della reazione nucleare. Il nucleo formatosi contiene un neutrone in più e molto spesso è soggetto a decadimento β- : un esempio può essere quello della trasformazione del Cobalto 60 in Nichel 60, reazione che avviene tipicamente nei reattori nucleari:
Questi, in sintesi, sono i meccanismi che portano alla disintegrazione del neutrone.
Per quanto riguarda la domanda posta, gli unici casi in cui può presentarsi un fotone sono nella cattura elettronica, in quanto gli elettroni una volta assorbiti possono emettere fotoni sottoforma di radiazione X dovuta alla transizione degli elettroni verso gli orbitali più interni, o nell'attivazione neutronica:
Infine, possiamo dire che nell’analisi dei meccanismi di decadimento beta, Fermi prese come esempio l’emissione di un fotone da parte di un protone eccitato come analogia per spiegare l’emissione dell elettrone e del neutrino: la transizione del protone da uno stato quantico di energia più alta a uno di energia inferiore attiva una corrente elettrica che causa l’emissione di onde elettromagnetiche, i fotoni .
Nella visione di Fermi la trasformazione di un neutrone in un protone attiva un nuovo tipo di corrente, oggi chiamata corrente debole, che causa la creazione della coppia elettrone-neutrino: l’interazione debole è quindi, secondo Fermi, una interazione diretta tra correnti deboli.
(*con la collaborazione dell'esperto Dino Pezzella)