¿Los neutrones fríos producen elementos radiactivos?

Cada captura de neutrones provoca una transmutación nuclear. La "energía de separación de neutrones" del núcleo hijo generalmente se libera rápidamente, generalmente como una cascada de rayos gamma. Los estados fundamentales de los núcleos hijos pueden ser estables o inestables. Los nuevos núcleos inestables se denominan "productos de activación de neutrones"; Se dice que el material que se ha vuelto radiactivo después de la exposición a los neutrones ha sido “activado”.

Algunos ejemplos prácticos:

• Polietileno de alta densidad, cuya fórmula química es largas cadenas de$\rm CH_2$, en su mayoría captura neutrones por hidrógeno a deuterio, con algunas capturas menos cambiando el carbono-12 a carbono-13. Ninguno de los productos de captura es radiactivo, por lo que el HDPE limpio no se activa con haces de neutrones.

• El aluminio tiene un solo isótopo estable. La captura de neutrones en aluminio forma aluminio-28, cuya beta se descompone en silicio con una vida media de un par de minutos. El aluminio activado por neutrones no tiene actividad detectable después de una hora más o menos.

• Si estuviera construyendo un experimento que usara detectores de yoduro de cesio para observar los rayos gamma instantáneos de la captura de neutrones, pero su diseño de protección tuviera fallas y los neutrones entraran en los cristales de su detector, también detectaría la radiación de las desintegraciones de yodo-128 (25 m) , el isómero cesio-134m (2,9h) y el estado fundamental cesio-134 (2y). Hola, fue un error costoso. No es que esté amargado.

• Los neutrones fríos en el aire experimentan una reacción de transferencia de nucleones con nitrógeno,

  $$\rm ^{14}N + n \to p + {}^{14}C$$

  que tiene consecuencias biológicas.

• Si posee un detector de humo con una fuente de ionización de americio, ese americio se produjo mediante la captura repetida de neutrones en uranio en el núcleo de un reactor.

En general, los neutrones cuya energía cinética está por debajo de la energía de cualquier resonancia nuclear tienen sección transversal

dónde$E_\text{thermal} \approx \rm \frac{1}{40}\,eV$es la energía cinética asociada con la "temperatura ambiente". Las resonancias nucleares tocan fondo en el rango de kilo-eV, por lo que la aproximación es buena básicamente para todos los neutrones de mili-eV. La dependencia de la energía a menudo se denomina sección transversal "uno sobre V", en referencia a la velocidad del neutrón$v = \sqrt{2E/m}$. Una interpretación agitada de la mano de un$1/v$La dependencia de la sección transversal es que la probabilidad de captura de neutrones es proporcional al “tiempo de permanencia” del neutrón en la vecindad del núcleo.

Las energías de separación de neutrones más pequeñas son mega-eV, por lo que la energía cinética de un neutrón de mili-eV es completamente insignificante en una reacción de captura.

En realidad, la sección transversal de captura de neutrones suele ser mayor para los neutrones más lentos (es por eso que necesita un moderador en un reactor nuclear que disminuya la velocidad de los neutrones calientes liberados en las reacciones de fisión). Para las reacciones nucleares no importa energéticamente si los neutrones son térmicos o fríos (unos pocos eV son irrelevantes en las escalas de energía de las que hablamos).

Un neutrón capturado por un núcleo libera energía de enlace debido a la fuerza nuclear fuerte. La configuración inicial es típicamente un estado excitado, a menudo hay$\gamma$-emisión cuando el núcleo se relaja a su estado fundamental. Un núcleo inestable bien puede ser el resultado.

A medida que aumenta el contenido de neutrones del núcleo, es posible que ya no sea estable frente a$\beta$-desintegración, por lo que un núcleo inestable puede ser el resultado.

Wikipedia tiene un artículo útil: https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_capture que incluye un mapa de nucleidos con las secciones transversales para la captura de neutrones térmicos y ejemplos de reacciones.

Las cosas son más complicadas de lo que implica su pregunta.

Como menciona Sebastian Riese, una energía más alta generalmente significa una sección transversal más baja. Hay mucha complejidad. St algunas energías intermedias hay resonancias. Se está alejando mucho de tu pregunta. Pero dejemos eso a un lado. Supongamos que hay una interacción.

Dependerá del núcleo objetivo. Esto le dará muchos resultados posibles.

A continuación, debe dar por entendido que muchas de estas reacciones pueden producir algunas gammas adicionales en el camino. Si una reacción pone un núcleo en un estado de energía elevado, un isómero, entonces puede emitir una gamma para relajarse de nuevo al estado fundamental. Incluso con esta advertencia, estoy pasando por alto muchos detalles.

Para algunos isótopos, será posible que el neutrón entrante produzca fisión. El resultado suele ser dos fragmentos del núcleo original, más unos cuantos neutrones. El número de neutrones es aleatorio y suele oscilar entre 1 y 3, según el tipo de núcleo y la energía del neutrón. Los fragmentos suelen ser radiactivos, ya que es muy probable que tengan demasiados neutrones para ser estables. Hay varias desintegraciones radiactivas posibles que pueden seguir, según el isótopo que sean. Pueden liberar un neutrón. Pueden liberar una partícula alfa. Pueden decaer beta. Algunos pueden hacer una captura de electrones. Y muchos de ellos liberarán gammas en el camino hacia algún otro decaimiento. Los fragmentos de fisión son una "sopa" de muchos tipos diferentes de radiación a muchas energías diferentes y muchas vidas medias diferentes.

Muchos isótopos pueden capturar un neutrón entrante. Dependiendo de la energía del neutrón entrante, esto puede suceder de varias maneras.

Si hay un estado de energía disponible para el núcleo resultante, es posible que simplemente absorba el neutrón. Mucho más habitual es lo que se denomina una reacción n-gamma. El neutrón se absorbe y el núcleo libera inmediatamente una gamma que le permite entrar en uno de sus estados de energía disponibles. Esto puede resultar en un nuevo núcleo con un neutrón más. Este nuevo isótopo puede ser estable o puede ser radiactivo. Esto dependerá del núcleo de partida y de la energía del neutrón entrante.

Por ejemplo, considere el hierro. El hierro natural tiene cuatro isótopos: Fe54, Fe56, Fe57 y Fe58. Fe56 es, con mucho, el más común. Pero por diversión, supongamos que el núcleo objetivo es Fe54, que es 5,85% de hierro natural. Entonces atrapa un neutrón y se convierte en Fe55. Fe55 puede capturar electrones con una vida media de 2,73 años y convertirse en Mn55, que es estable.

Hay otras cosas que el neutrón entrante puede hacer. Una reacción importante se llama "astillamiento". El neutrón entrante puede hacer que los neutrones del núcleo objetivo se disparen. Esto se llama una reacción n-2n. Puede ocurrir en plomo. El resultado es que el plomo puede ser una mala elección para protegerse contra los neutrones, ya que puede generar más neutrones de los que tenía inicialmente. Tendrán una energía más baja que con la que comenzaron, pero más de ellos. Y en algunas situaciones, eso es peor que no tener ningún tipo de protección.

En cuanto al núcleo de plomo, el plomo tiene cuatro isótopos estables: Pb204, Pb206, Pb207 y Pb208. Entonces, si el desconchado se mueve de uno a otro de estos, aún es estable. PB205 puede capturar electrones (posiblemente después de liberar algunos rayos gamma) con una vida media de 17,3 millones de años. Y PB203 puede capturar electrones a Tl203 con una vida media de 51,9 horas, y Tl203 es estable.

Hay algunas otras reacciones que pueden ocurrir, dependiendo del núcleo involucrado. Pero ya es bastante complicado.

Así que para resumir. Depende de la energía del neutrón entrante y del tipo de núcleo al que golpea. Puede producir un nuevo isótopo estable, o puede producir un isótopo radiactivo a través de una de varias reacciones. Y puede liberar varios tipos diferentes de radiación.