Che cos'è un fascio di neutroni?

Un fascio di neutroni è un flusso di neutroni, che sono particelle subatomiche che non hanno carica elettrica e si trovano, insieme a protoni caricati positivamente, nei nuclei di tutti gli elementi chimici tranne la forma più comune di idrogeno, che ha solo un protone. Sebbene i neutroni siano stabili nel nucleo, un neutrone libero decade in un protone, un elettrone e un'altra particella chiamata antineutrino elettronico; i neutroni isolati hanno un'emivita di poco più di 10 minuti, il che significa che dopo questo periodo, la metà dei neutroni in un dato campione sarà decaduta. I neutroni liberi sono prodotti dalla fissione nucleare, ad esempio in un reattore nucleare, e possono essere generati negli acceleratori di particelle. Un fascio di neutroni ha molte importanti applicazioni nella scienza dei materiali, nella medicina e nella sicurezza.

I fasci di neutroni vengono normalmente prodotti utilizzando generatori di neutroni, che sono acceleratori di particelle che sparano deuterio o ioni di trizio in bersagli contenenti deuterio, trizio o entrambi. Il deuterio e il trizio sono isotopi di idrogeno contenenti rispettivamente uno e due neutroni. La fusione di deuterio e trizio produce neutroni che possono essere focalizzati in un fascio di neutroni. I generatori di neutroni di questo tipo possono essere relativamente piccoli e portatili.

Sebbene la maggior parte delle forme di radiazione interagisca con le nuvole di elettroni che circondano i nuclei atomici, i neutroni, essendo elettricamente neutri e non una forma di radiazione elettromagnetica, interagiscono solo con i nuclei, che sono molto piccoli rispetto all'intero atomo. Un fascio di neutroni quindi è molto penetrante e può mostrare le posizioni dei nuclei atomici all'interno di un campione di materiale. A differenza dei raggi X, i raggi di neutroni possono facilmente penetrare metalli pesanti come il piombo, ma interagiscono anche con elementi leggeri come idrogeno e carbonio. Secondo la teoria quantistica, tutte le particelle subatomiche possono comportarsi come onde, quindi i neutroni hanno lunghezze d'onda. Ciò consente di mettere a punto un fascio di neutroni; sia la lunghezza d'onda che l'energia del fascio possono essere regolate per rilevare materiali specifici.

Le proprietà speciali dei fasci di neutroni hanno dato origine a una vasta gamma di applicazioni, in particolare come tecnica di imaging alternativa che può essere impiegata in situazioni in cui i raggi X non sono efficaci. Possono essere utilizzati per esaminare le strutture interne dei materiali, ad esempio per rilevare fessure e cavità nei componenti metallici, e per determinare le strutture atomiche e molecolari dei composti. La loro capacità di rilevare elementi più leggeri e tuttavia passare attraverso quelli più pesanti consente ai fasci di neutroni di essere utilizzati per controlli di sicurezza. Ad esempio, possono rilevare esplosivi nascosti o materiale radioattivo. I raggi di neutroni hanno anche importanti applicazioni mediche, in particolare nel trattamento di alcune forme di cancro; la radioterapia a neutroni può distruggere i tumori resistenti ai trattamenti di radioterapia convenzionali.