Como foi descoberto o nêutron?

O nêutron foi descoberto em 1932 por Chadwick e solucionou um problema grande na compreensão da natureza do átomo. Já se conhecia que o nitrogênio, que tem (spin 1) (através de estudos de espectroscopia), tem a carga de sete prótons e a massa aproximada de 14 prótons (já se conheciam as formas de obter q/m, carga sobre a massa). Para se conseguir esses resultados seria necessário considerar que o núcleo do nitrogênio deveria ser formado por 14 prótons mais 7 elétrons. Nesse modelo, existem 21 partículas dentro do núcleo, cada uma com spin ½. Já se conheciam as regras de composição de spins, e, também já havia sido atribuído spin ½ para o próton e para o elétron de acordo com as observações experimentais efetuadas. Um número ímpar de partículas de spin ½ dentro do núcleo não pode dar um spin inteiro. ( sobre spin ver também questão 10) Vários cientistas tinham na época outras razões para suspeitar a existência, dentro do núcleo, de partículas pesadas como o próton, mas com carga nula. O nêutron tem carga total nula e não interage com os materiais como as partículas carregadas tais como o próton e o elétron, o que dificulta a sua detecção. Inúmeras observações foram feitas experimentalmente para se compreender a natureza da nova partícula, que veio a ser chamada de nêutron, usando câmara de Wilson (ver questão 17) com diferentes gases. Considerando a conservação de energia e de quantidade de movimento, mostrou-se inequivocamente que não podia ser uma radiação eletromagnética, que não tem massa. Tinha que ser relativa a uma partícula com muita massa como a do próton. De fato, sabe-se que a massa tanto do próton como do nêutron são bem próximas e da ordem de 938 MeV. (Ilustração 8 Do Berkeley Physics Course 1- Mechanics, Mc Graw Hill, 1965, pag. 441).

Figura 1:Diagrama esquemático do aparelho usado por Chadwick para observar os nêutrons. Dentro de uma câmara mantida em vácuo, partículas alfa de uma fonte de polônio incidem sobre um filme de berílio, de onde saem nêutrons. Esses nêutrons atravessam uma janela fina que isola a câmara mantida em vácuo. Os nêutrons incidem sobre uma camada de parafina (CH2) de onde arrancam prótons. Esses prótons são coletados num contador proporcional a gás. Desta experiência a massa do nêutron pode ser determinada considerando as energias e massas envolvidas nas colisões. No caso de usarem paracianogênio (CN) no lugar da parafina, foram detectados núcleos de nitrogênio em vez de prótons. (Berkeley Physics Course 1- Mechanics, Mc Graw Hill, 1965, pag 441)

O nêutron pode ser detectado indiretamente também através de reações (n, α) tendo boro (B) como alvo em detectores preenchidos com BF3. As reações B(n, α) apresentam alta secção de choque e as partículas α são facilmente detectadas. Outro método é o de tempo de vôo, ou seja, medindo o tempo de voo (intervalo de tempo bem pequeno, da ordem de nano segundo, isto é, ns = 10^{– 9}s) entre dois pontos bem determinados, por onde passa o feixe de nêutrons. A passagem do nêutron pode ser observada quando o nêutron ao colidir com um próton de um detector cintilador líquido deixa um sinal elétrico, embora muito pequeno passível de análise com a utilização de circuitos eletrônicos específicos e com fotomultiplicadoras super sensíveis. O cintilador líquido é composto de moléculas de hidrocarbonetos dopados com um material cintilante. Os nêutrons colidem com os prótons, que recuam dentro do líquido causando as cintilações por ser uma partícula carregada. A quantidade de cintilações é proporcional à energia do próton de recuo, que por sua vez depende da energia do nêutron incidente.