Você sabe o que é um nêutron?

Por Juliette Savin*
De Munique - Alemanha


Nêutrons, muons, prótons, pósitrons, fótons, elétrons… O que são todas essas partículas, quais são as diferenças entre elas e como elas podem ser usadas pela ciência?

Começaremos hoje com o nêutron.

Uma partícula particular

Sem carga elétrica, essa partícula subatômica é um componente do núcleo da grande maioria dos elementos químicos, junto com o próton. O hidrogênio é o único elemento cujo átomo pode não possuir nêutrons. O numero de nêutrons dentro do núcleo atômico determina qual é o isótopo do elemento, ou seja, a carga do átomo pode ser a mesma, mas a sua massa atômica pode variar de acordo com o número de nêutrons – por exemplo, o carbono 12 possui 6 prótons e 6 nêutrons no seu núcleo, enquanto o isótopo carbono 14 possui 6 prótons e 8 nêutrons.

O nêutron foi descoberto em 1932 pelo pesquisador inglês James Chadwick. Alguns anos depois (em 1938) a fissão nuclear foi descoberta, pelo alemão Otto Hahn e a austriaca Lise Meitner, e logo depois os físicos se deram conta de que ela podia gerar nêutrons, que podiam se regenerar numa reação em cadeia. Nascia então a reação em cadeia gerada pelo homem, e brotavam os conceitos de produção de energia nuclear e de armas nucleares.

Um atomo, com as suas particulas

Mas os nêutrons tem outras aplicações e utilidades. Um processo chamado de dispersão de nêutrons pode ser usado em varias áreas da ciência para estudar a estrutura atômica e magnética da matéria. Nesse processo, nêutrons gerados num reator nuclear ou numa fonte de ‘Spallation’ (ver explicação abaixo) são canalizados em um feixe que chega à amostra a ser estudada e se dispersa formando um padrão que é conhecido como perfil de dispersão dos nêutrons. Esse perfil fornece informação sobre a estrutura da amostra estudada.

Como nêutrons não tem carga elétrica, eles não são destrutivos, e são ideais para estudar amostras biológicas sob condições extremas de temperatura, pressão ou magnetismo. Eles ajudam a visualizar átomos de hidrogênio, dentro de macromoléculas ou polímeros. Eles podem ser usados para produzir imagens com mais resolução do que raio X, e arqueólogos usam nêutrons para analisar objetos antigos sem danifica-los por exemplo. Uma ferramenta multi-funcional

Graças a todas essas propriedades, nêutrons podem ser usados em varias áreas da ciência. Eles estão sendo muito útil na pesquisa para energias alternativas: cientistas na Europa estão usando nêutrons para estudar como armazenar hydrogenio para usa-lo em células combustíveis, ou para desenvolver novos materiais para painéis solares, por exemplo. Na medicina, nêutrons estão ajudando a desenvolver nano partículas para curar câncer; novas medicinas; e próteses.

Como gerar nêutrons


Existem duas formas de geração de nêutrons. Numa delas em um reator nuclear, um elemento estável chamado de elemento combustível (em muitos reatores esse elemento é o isótopo Uranio 235) é bombardeado com nêutrons e começa a liberar mais nêutrons livres que são canalizados.

‘Spallation’ é uma forma de gerar nêutrons um pouco diferente: os nêutrons são gerados por bombardeamento de um metal pesado (mercúrio por exemplo) com prótons o nêutrons. Isso gera um feixe de nêutrons que pode ser usado para experimentos com dispersão de nêutrons.

Vejam esse video produzido na Inglaterra:

Centros de pesquisa com nêutrons na Europa


Na Europa existem pouco mais de dez fontes de nêutrons para a pesquisa. Os mais importantes são os reatores nucleares do Instituto Laue-Langevin em Grenoble na França, do FRM-II da Technische Universität de Munique, e do Laboratoire Léon Brillouin perto de Paris na França. São reatores pequenos em comparação com os reatores de usinas de energia nucleares, e não apresentam nenhum risco de contaminação radioativa.

Uma fonte de nêutrons por ‘spallation’, o European Spallation Source (ESS), esta sendo construída na Suecia, com financiamento de 17 paises da Europa. O ESS deve ficar pronto em 2025. Outras fontes de nêutrons funcionando por ‘spallation’ são o ISIS na Inglaterra e a do Instituto Paul Scherrer na Suiça.

Além disso, existem reatores nucleares para a pesquisa em outros países da Europa, como a Hungria, a República Tcheca, a Russia, e também nos Estados Unidos, Australia e Japão.

*Juliette Savin é especialista em divulgação científica, trabalha para o NMI3 - Integrated Infrastructure Initiative for Neutron Scattering and Muon Spectroscopy e colabora com o fóton Blog.