¿Los neutrones caen al centro de la tierra?

Para poner algunos datos sobre los comentarios anteriores, aquí hay una gráfica (de ENDF ) para O-16 de la sección transversal frente a la energía de neutrones para todas las interacciones de neutrones (azul) y solo la captura de neutrones para hacer O-17 (verde):

A bajas energías, claro, los neutrones harán muchas cosas además de ser absorbidos. Lo que están haciendo principalmente es dispersar elásticamente (tratar de trazar la sección transversal de dispersión elástica da como resultado una línea justo encima de la sección transversal total más allá de 1MeV, tales como escalas logarítmicas). Pero aún así, a energías de neutrones realmente bajas, la sección transversal para la absorción es de aproximadamente 0,01 barns. Ahora bien, las rocas son en su mayoría óxidos, y los sólidos suelen ser unos pocos$10^{22}$átomos/cm$^{2}$, entonces tomemos una roca promedio como$10^{22}$/cm$^{3}$de O-16. A partir de una sección transversal de 0,01 graneros ($10^{-26}$cm$^{2}$), un neutrón tendría que viajar unos 100 metros (longitud total del camino) antes de ser absorbido.

Dejaré como ejercicio para el lector determinar si un neutrón térmico viajará tan lejos antes de que se agoten sus 10 minutos de vida como neutrón libre o no.

En cuanto a la dispersión elástica, dado que la sección transversal es 4 órdenes de magnitud mayor a las energías más bajas, el neutrón avanza alrededor de 1 cm antes de dispersarse. Cinemáticamente, dado que el neutrón es más liviano que un núcleo, puede dispersarse en todas las direcciones. Estimando esto como una caminata aleatoria en 3D, la longitud total de la ruta de 100 metros da como resultado un movimiento neto mucho más pequeño, menos de 10 metros.

Los rayos cósmicos generan neutrones libres por espalación de núcleos en la atmósfera terrestre, la corteza terrestre y el interior profundo de la Tierra. No llegan muchos rayos cósmicos al interior profundo, porque la Tierra es un escudo bastante bueno.

La roca sólida es opaca a los neutrones por la misma razón que las nubes son opacas a la luz. Considere que las nubes de tormenta están hechas de gotas de agua y cristales de hielo, que son casi totalmente transparentes. ¿Por qué, entonces, oscurece bajo una nube de tormenta? Las gotas de agua y los cristales de hielo en la nube son dispersores de luz muy eficientes , por lo que la luz en cualquier lugar dentro de la nube se reorienta en una dirección aleatoria, con la misma probabilidad de volver hacia el sol que de continuar hacia el suelo. A medida que la nube se vuelve más y más espesa, la fracción de luz solar que se difunde hasta el fondo de la nube se vuelve cada vez más pequeña. Las nubes nunca bloquean completamente la luz solar (en la Tierra), pero nuestro océano, en su mayoría transparente, tiene una zona batipelágica donde no penetra la luz solar.

La trayectoria libre media de un neutrón en una roca depende de la composición química de la roca y de la probabilidad de que los neutrones capturen frente a la dispersión de cada especie química de la roca y de su densidad. Pero considere que un reactor nuclear, que contiene una gran cantidad de neutrones libres, está efectivamente protegido por decenas de metros (no cientos de metros) de agua y hormigón. El camino libre medio de un neutrón bajo tierra va a ser más de diez metros que de un kilómetro. Los neutrones de la superficie no se difundirán hacia el núcleo de la Tierra.

Un neutrón que se escapa hacia arriba de la superficie de la Tierra se habrá dispersado lo suficiente como para tener aproximadamente la misma temperatura que la superficie de la Tierra y, por lo tanto, se comportará como un componente de la atmósfera de la Tierra . La altura de la escala de los neutrones atmosféricos será más parecida a la altura de la escala del hidrógeno y el helio que a la altura de la escala del nitrógeno o el oxígeno, por lo que los neutrones pueden difundirse hacia la exosfera. La fracción de neutrones atmosféricos a nivel del suelo que escapan a la exosfera antes de descomponerse o ser capturados (principalmente por nitrógeno) sería un buen problema de tarea.