Descubrimiento del Neutrón

Es notable que el neutrón no fuera descubierto hasta 1932, cuando James Chadwick utilizó datos de dispersión para calcular la masa de esta partícula neutra. Desde los tiempos de Rutherford se sabía que en la mayoría de los átomos, el número de masa atómica A de los núcleos, es un poco más del doble del número atómico Z, y que esencialmente toda la masa del átomo se concentraba en un relativamente pequeño núcleo. A partir del año 1930 se suponía que las partículas fundamentales eran protones y electrones, pero se requería que de alguna manera, un determinado número de electrones estuvieran ligados al núcleo para cancelar parcialmente la carga de los A protones. Pero por entonces se sabía que por el principio de incertidumbre y por los cálculos del confinamiento del tipo de "partícula-en-una-caja", simplemente no había suficiente energía disponible para contener los electrones en el núcleo.

A escala aproximada, la energía necesaria para el confinamiento de una partícula en una dimensión dada, puede ser obtenida estableciendo la longitud de onda de De Broglie de la partícula, igual a esa dimensión dada. Por ejemplo, si suponemos que la dimensión de un átomo de hidrógeno es de aproximadamente 0,2 nm, entonces la energía de confinamiento correspondiente es de aproximadamente 38 eV, el orden correcto de magnitud de los electrones atómicos. Pero para confinar un electrón a una dimensión nuclear de aproximadamente 5 fermis, se requiere una energía de aproximadamente 250 MeV. La máxima energía de confinamiento disponible de la atracción eléctrica al núcleo está dada por

Energía Potencial Electrostática

Así que, está claro que no hay electrones en el núcleo.

Un avance experimental llegó en 1930 con la observación por Bothe y Becker, de que bombardeando el berilio con partículas alfa procedentes de una fuente radiactiva, producía una radiación neutra que era penetrante pero no ionizante. Supusieron que eran rayos gamma, pero Curie y Joliot mostraron que cuando se bombardea un blanco de parafina con esta radiación, expulsa protones con una energía de alrededor de 5,3 MeV. Esto resultó ser incompatible con los rayos gamma, como se puede comprobar a partir del análisis del momento y la energía:

Este análisis se deduce del de una colisión elástica frontal, donde una pequeña partícula golpea a una mucho más masiva. Una vez más, la energía necesaria para la explicación de los rayos gamma, era mucho mayor que cualquier energía observada disponible a partir del núcleo, por lo que la radiación neutral debía ser algún tipo de partícula neutra.

Los 5,3 MeV de energía de los protones expulsados, se podía explicar fácilmente si la partícula neutra tenía una masa comparable a la del protón. En las colisiones frontales, esto requeriría sólo 5,3 MeV de energía de la partícula neutra, un valor en el rango de las emisiones de las partículas nucleares observadas.

Chadwick fue capaz de demostrar que la partícula neutra no podía ser un fotón al bombardear objetivos distintos del hidrógeno, incluyendo el nitrógeno, oxígeno, helio y argón. No solamente eran estos incompatibles con la emisión de fotones por motivos energéticos, la sección eficaz de las interacciones eran órdenes de magnitud mayor que la de los fotones por la dispersión de Compton.

Chadwick en caró la tarea de determinar la masa de la partícula neutra. Escogió el bombardeo de boro con partículas alfa, y analizó la interacción de las resultantes partículas neutras con nitrógeno. Estos objetivos particulares se eligieron en parte porque las masas del boro y el nitrógeno eran bien conocidas. La conservación de la energía aplicada a las interacciones combinadas, da las siguientes expresiones:

Despejando la energía de masa del neutrón da

Lo que queda desconocido en el lado derecho de la ecuación es la velocidad del neutrón. Suponiendo que la masa del neutrón fuera similar a la del protón, Chadwick bombardeó átomos de hidrógeno con los neutrones producidos, para conocer la velocidad de los protones después de las colisiones. Luego, estableciendo la velocidad de los neutrones igual a las velocidades de los protones, utilizó la expresión de la energía de arriba para obtener una masa de neutrones de 938 +/- 1,8 MeV. Con un consistente conjunto de experimentos, Chadwick obtuvo el primer valor de la masa del neutrón que se asemeja bien con el valor aceptado actualmente de 939,57 MeV.