Il neutrone

Il neutrone è, insieme al protone, uno dei due costituenti dei nuclei atomici.
E’ un adrone, e in particolare un barione, di massa:

e raggio:

quindi molto più grande e pesante (circa 1839 volte) dell’elettrone.
Infatti negli atomi sono gli elettroni a girare intorno al nucleo composto anche di neutroni.
Comunemente il neutrone viene abbreviato con n e protoni e neutroni sono detti nucleoni.
La carica elettrica del neutrone è nulla:

Come abbiamo accennato, il neutrone è un adrone e quindi risente delle interazioni forti: sono di questo tipo le forze nucleari che regolano la vita dei nuclei atomici.
Oltre alle interazioni forti i neutroni risentono anche delle interazioni deboli, ma non elettromagnetiche in quanto hanno carica elettrica nulla.

La teoria della Cromodinamica Quantistica ci insegna che i neutroni sono composti di tre quarks, per l’esattezza due down ed un up (n=ddu).
Appare però subito evidente un fatto apparentemente inspiegabile: la massa dei tre quarks è circa un trentesimo della massa del neutrone. Questo avviene perchè, oltre ai tre quarks, detti "di valenza", esistono molte coppie quark-antiquark, dette "di mare", che, seguendo le leggi della Cromodinamica Quantistica, si creano e vivono per tempi brevissimi prima di annientarsi.
Tutti i quarks nel nucleone ed i gluoni, che tengono questi elementi uniti, vengono detti partoni.

L’ ipotesi dell’esistenza del neutrone nel nucleo fu avanzata da Rutherford nel 1920 (tredici anni prima della sua scoperta), per superare le insormontabili difficoltà legate all’ipotesi protone-elettrone nei nuclei, anche se quella ipotizzata non era una particella nel senso proprio del termine.

Dopo la scoperta della struttura atomica da parte di Rutherford, i fisici si domandavano da cosa fosse formato il nucleo; infatti, sapevano solo che aveva carica elettrica positiva pari a quella degli elettroni atomici (Z) e che le masse atomiche degli isotopi di ogni elemento erano circa uguali ad A volte la massa del protone (la massa degli elettroni è trascurabile rispetto a quella dei protoni), dove A è sempre più grande di Z (tranne che per l’idrogeno). Sulla base di questi dati fu ipotizzato che l’atomo fosse composto da A elettroni ed A protoni (così la carica elettrica degli atomi è nulla e la massa è A volte quella del protone); degli A elettroni solo Z ruotavano intorno al nucleo, gli altri e tutti i protoni, invece, erano confinati all’interno del nucleo (ipotesi protone-elettrone).
Ci si accorse presto, però, che sebbene la presenza degli elettroni nel nucleo spiegasse le misure di carica e di massa dell’atomo, altri risultati escludevano la possibilità che un elettrone si trovasse confinato all’interno del nucleo. Fu nel 1920 che Rutherford suggerì che un protone poteva, solo all’interno del nucleo, essere legato ad un elettrone e formare un'unica particella, il neutrone.
In questo modo Rutherford tentò di superare le insormontabili difficoltà presentate dall’ipotesi del confinamento degli elettroni nei nuclei. L’idea del neutrone offrì la soluzione del problema anche se, come fu presto chiaro, questo non poteva essere considerato come l’aggregazione di un elettrone e di un protone.

Nel 1930, Bothe e Becker osservarono l’emissione di radiazione neutra mentre bombardavano con particelle a su campioni di berilio (come Rutherford aveva fatto con l’oro). La possibile presenza del neutrone anche fuori dal nucleo negava che questo fosse un aggregato di elettrone e protone come ipotizzato da Rutherford. Dopo questa scoperta si sviluppò un'intensa ricerca per comprendere il tipo di radiazione.

Nel 1932 Chadwick, sulla base dei risultati di alcuni esperimenti da lui eseguiti su questa nuova radiazione, constatò che questa non poteva essere radiazione elettromagnetica. Fece altresì l’ipotesi che si trattasse di una nuova particella neutra. I risultati sperimentali furono spiegati supponendo che si trattasse di una particella neutra di massa circa uguale a quella del protone, il neutrone. Come riconoscimento per i risultati ottenuti con le sua ricerche, Chadwick fu insignito del premio Nobel per la fisica nel 1935.

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