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La asombrosa danza de los neutrones y los átomos: ¿Por qué los neutrones pueden atravesar la materia?
La dispersión de neutrones es un fenómeno físico fascinante que implica la dispersión inusual de neutrones libres con materia. Este no es sólo un proceso físico que ocurre en la naturaleza, sino también una técnica experimental que los científicos utilizan para realizar investigaciones sobre materiales. La naturaleza libre de carga de los neutrones les permite penetrar profundamente en la materia y detectar más eficazmente su estructura interna. Los procesos naturales de dispersión de neutrones son de gran importancia para la ingeniería de la energía nuclear y la ciencia nuclear y desempeñan un papel clave en la investigación de diversos materiales.
La tecnología de dispersión de neutrones se ha convertido en una herramienta indispensable en los campos de la cristalografía, la física y la biofísica.
La base de los experimentos radica en comprender y manipular la dispersión de neutrones, lo que requiere el uso de diferentes fuentes de neutrones, como reactores de investigación y fuentes de neutrones de detonación. Estas fuentes pueden proporcionar distintas intensidades de radiación de neutrones para uso en investigación. La difracción de neutrones (dispersión elástica) permite a los científicos analizar la estructura de los materiales, mientras que la dispersión de neutrones inelástica se utiliza para estudiar las vibraciones y otros estados excitados de los átomos.
Dispersión de neutrones rápidos
Los llamados "neutrones rápidos" tienen una energía cinética superior a 1 MeV. Estos neutrones pueden ser dispersados por la materia condensada, y ésta es una aproximación experimental válida que puede considerarse como una colisión elástica. En cada colisión, los neutrones rápidos transfieren una parte importante de su energía cinética a los núcleos en dispersión, y la cantidad de energía transferida en este proceso depende del tipo de núcleo. A medida que se producen múltiples colisiones, los neutrones rápidos reducen gradualmente su velocidad y finalmente alcanzan un estado de equilibrio térmico con el material. Este fenómeno requiere la asistencia de un regulador de neutrones para producir neutrones térmicos por debajo de 1 eV.
Interacción entre neutrones y materia
Como los neutrones no están cargados, pueden penetrar el material a mayor profundidad que las partículas cargadas de la misma energía cinética, lo que los convierte en una poderosa herramienta para investigar las propiedades de los volúmenes. Los neutrones interactúan principalmente con los núcleos atómicos, a diferencia de los rayos X, que interactúan principalmente con la nube de electrones circundante. Por ejemplo, el hidrógeno tiene la sección transversal de dispersión más alta de todos los isótopos, lo que hace que los neutrones sean particularmente eficaces en el análisis de materiales de bajo número atómico, como proteínas y tensioactivos.
Las secciones transversales de dispersión y absorción de neutrones varían entre isótopos, y la dispersión puede ser incoherente o coherente, dependiendo del isótopo utilizado.
Dispersión inelástica de neutrones
La dispersión inelástica de neutrones es una técnica experimental comúnmente utilizada en la investigación de materia condensada para estudiar movimientos atómicos y moleculares, así como excitaciones de campos magnéticos y cristalinos. Esta técnica tiene en cuenta los cambios de energía cinética que ocurren durante las colisiones entre neutrones y la muestra, y los resultados generalmente se informan en términos de factores de estructura dinámica. En tales experimentos, la mayoría de las mediciones se centrarán en cualquier tipo de dispersión elástica o inelástica, según las necesidades de la pregunta de investigación.
Evolución histórica y tecnología actual
Los primeros experimentos de difracción de neutrones se llevaron a cabo en la década de 1930 y, con la llegada de los reactores nucleares en 1945, surgió la tecnología para altos flujos de neutrones. El campo se desarrolló rápidamente con la construcción de reactores de investigación multipropósito en la década de 1960. En la década de 1980, la investigación centrada en fuentes de alto flujo hizo que la tecnología de dispersión de neutrones fuera más madura y ampliamente utilizada en la investigación de diversos materiales.
Instalaciones y tecnologías actuales para experimentos de dispersión de neutrones
La mayoría de los experimentos de dispersión de neutrones actuales requieren que los científicos soliciten tiempo experimental a partir de fuentes de neutrones a través de un proceso de propuesta formal. La tasa de recuperación del experimento es relativamente baja, por lo que generalmente se necesitan varios días de experimento para obtener un conjunto de datos utilizable. En la investigación en todo el mundo se están utilizando muchas técnicas diferentes de dispersión de neutrones, como la dispersión de neutrones de ángulo pequeño, la reflectividad, la dispersión inelástica de neutrones, etc.
¿Cómo aprovechar al máximo las ventajas de los neutrones en el desarrollo de tecnología futura para promover la investigación relacionada en la ciencia de materiales?
Estos estudios no solo nos brindan una comprensión más profunda de la naturaleza de la materia, sino que también inspiran infinitas posibilidades para el desempeño de los materiales. ¿Qué impacto tendrá la exploración de la interacción entre neutrones y materia en el desarrollo de la ciencia y la tecnología?
