0399. A cosa servono i neutroni?

Se i protoni sono tenuti assieme, nonostante la repulsione coulombiana, dalla forza nucleare forte, a cosa servono i neutroni presenti nel nucleo? (Francesco Arcidiacono)

La forza elettromagnetica si esercita tra particelle che hanno una carica elettrica; il suo raggio d’azione (“range”) è infinito e la sua intensità decresce con il quadrato della distanza tra le particelle. La forza nucleare forte è invece un'interazione a breve raggio d'azione (corto range) che agisce sugli adroni in generale e sulle particelle costituenti il nucleo atomico in particolare (protoni e neutroni ). La distanza tipica a cui questa forza si manifesta è di 1 fermi, cioé dell'ordine dei milionesimi di miliardesimi di metro (1 fermi = 10^-15 m). Per distanze inferiori a circa 0.6 fm la forza è repulsiva mentre diventa attrattiva a distanze comprese tra 0.6 fm e 2.0 fm, col massimo dell’intensità intorno a 1 fm. Oltre i 3 fm la forza nucleare forte diventa trascurabile. Questa forza possiede inoltre la proprietà dell’indipendenza dalla carica elettrica; la sua intensità è circa la stessa sia che le particelle coinvolte siano protoni, che siano neutroni, sia che si tratti di un protone e un neutrone. Quando cerchiamo di avvicinare tra di loro due protoni [387] dobbiamo fornire al sistema un’energia cinetica sufficiente per portare le due particelle a una distanza tale da rendere la forza nucleare attrattiva più intensa della forza elettromagnetica repulsiva (questa distanza è circa 1.7 fm). Se riusciamo a fare questo, si forma effettivamente un sistema legato di due protoni (diprotone o nucleo di ²He). Il sistema così formato è però estremamente instabile e decade con decadimento β+ in un nucleo di deuterio, formato da un protone e un neutrone. Questo nucleo, molto debolmente legato, ha un raggio di circa 4.2 fm; se avviciniamo un secondo protone ad un nucleo di deuterio abbiamo quindi una ragionevole probabilità di farlo interagire attrattivamente con il neutrone rendendo trascurabile la repulsione coulombiana dovuta al primo protone e formando un nucleo di ³He.
I neutroni sono quindi indispensabili per garantire non la formazione ma la stabilità del nucleo atomico e la loro importanza diventa sempre maggiore man mano che si costruiscono nuclei più pesanti. Nel nucleo di ⁵⁶Fe , uno dei nuclei più stabili esistenti in natura, troviamo 26 protoni e 30 neutroni. Il nucleo di ²³⁸U viene reso (quasi) stabile “aggiungendo” ai 92 protoni, 142 neutroni .

Paolo Levi Sandri - Fisico

ultimo aggiornamento giugno 2013