Nêutrons

Os nêutrons são partículas subatômicas de carga elétrica neutra. Junto com os prótons, localizam-se no núcleo atômico. Em comparação com os prótons e elétrons, os nêutrons possuem maior massa e são essenciais para a manutenção da estabilidade do núcleo atômico. Interagem com os prótons por meio da chamada força forte, que supera a força de repulsão entre as cargas positivas dos prótons.

Os nêutrons são determinados a partir do número de massa de um átomo, que é uma grandeza igual ao somatório do número de prótons e nêutrons de um átomo. Além do seu papel na estabilidade nuclear, os nêutrons são importantes na diferenciação de isótopos e em processos nucleares. Nêutrons acelerados são capazes de induzir reações nucleares, sendo úteis para a produção de energia.

Leia também: Estrutura atômica — as partículas e estruturas que formam o átomo

Resumo sobre os nêutrons

• Os nêutrons são partículas subatômicas de carga elétrica neutra.
• Estão localizados no núcleo atômico, junto com os prótons.
• São determinados por meio do número de massa (A).
• São importantes para a manutenção da estabilidade nuclear, além de servirem para diferenciar isótopos.
• São essenciais para desencadearem processos nucleares, como reações de fissão.

O que é nêutron?

O nêutron é uma partícula subatômica de carga elétrica neutra (ou seja, nem positivo e nem negativo), localizada no núcleo atômico, juntamente com os prótons.

Características do nêutron

Os nêutrons, em conjunto com prótons e elétrons, configuram as três partículas básicas da estrutura atômica. Das três partículas, os nêutrons são os de maior massa, além de serem considerados partículas eletricamente neutras.

Os nêutrons não são partículas fundamentais, ou seja, não são a menor parte de uma porção de matéria, sendo constituídos por partículas ainda menores, os quarks. No caso dos nêutrons, são três quarks que os constituem: um quark up (de carga elétrica 2/3) e dois quarks down (cada um com carga elétrica –1/3). No estudo da mecânica quântica, partículas que são compostas por três quarks são conhecidas como bárions.

Embora estabilizados dentro do núcleo, os nêutrons, ao saírem da estrutura atômica, sofrem, após cerca de 15 minutos, um decaimento beta, fazendo com que se transformem em um próton, um elétron e um antineutrino.

Leia também: Elétron — a partícula subatômica de carga negativa

Como calcular o número de nêutrons?

O número de nêutrons pode ser calculado a partir do número de massa da espécie atômica (A). O número de massa é determinado pela seguinte expressão:

A = p + n

Em que “p” é o número de prótons, e “n” é o número de nêutrons. Como o número de prótons é o número atômico (Z), também é comum expressar o número de massa como A = Z + n.

Os elétrons não entram no cálculo do número de massa porque sua massa é muito pequena em comparação às massas dos prótons e nêutrons.

Vejamos um exemplo:

• O átomo de sódio, Na, possui um número de massa igual a 23, enquanto seu número de prótons é igual a 11. Dessa forma, qual o número de nêutrons presente no átomo de sódio?

Para tal, tomamos a expressão A = p + n. Substituindo-se os valores, temos que:

23 = 11 + n

n = 23 – 11

n = 12

Portanto, o átomo de sódio em questão apresenta 12 nêutrons em sua estrutura.

Para que serve o nêutron?

Para a estrutura atômica, os nêutrons auxiliam a manter a coesão nuclear, ou seja, permitem manter a estabilidade do núcleo, o qual é denso e possui cargas positivas (prótons) em constante repulsão. Os quarks presentes tanto nos nêutrons quanto nos prótons podem interagir, ligando-se por meio de uma força muito intensa conhecida como força forte.

Os nêutrons também são úteis na diferenciação dos isótopos, que são espécies atômicas que apresentam o mesmo número de prótons no núcleo, mas diferem quanto ao número de nêutrons. Por exemplo, o elemento químico magnésio possui três isótopos naturais: ²⁴Mg, ²⁵Mg e o ²⁶Mg. Por serem átomos de magnésio, todos possuem 12 prótons, mas diferem quanto ao número de nêutrons. O isótopo magnésio-24 possui 12 nêutrons, enquanto o magnésio-25 possui 13 nêutrons e o magnésio-26, por sua vez, 14 nêutrons.

Os nêutrons também são importantes no campo da química nuclear. Quando em alta velocidade, são altamente penetrantes e capazes de desencadear processos nucleares, como a fissão nuclear. É o que acontece, por exemplo, com o átomo de urânio-235. Ao absorver um nêutron, é convertido no isótopo urânio-236, altamente instável, o qual sofre fissão, liberando uma grande quantidade de energia.

O mais interessante é que, nesse processo, cada átomo de urânio produz de dois a três nêutrons, os quais podem desencadear a fissão nuclear em outros átomos de urânio presentes, em um processo conhecido como reação em cadeia. Por isso, em usinas nucleares, é comum a utilização de água para desacelerar os nêutrons, além da utilização de hastes de controle, que possuem materiais capazes de absorver os nêutrons produzidos para regulação e controle das reações de fissão.

Localização do nêutron

Assim como os prótons, os nêutrons estão localizados no núcleo dos átomos. A única espécie atômica que não possui nêutron em sua constituição é isótopo ¹H, conhecido como prótio, o qual possui, apenas, um próton e um elétron em sua estrutura.

Nêutrons, prótons e elétrons

Entende-se que as três partículas fundamentais do átomo são os nêutrons, os prótons e os elétrons. Tais partículas diferem quanto à carga elétrica, à massa e à localização no átomo.

Os prótons e os elétrons possuem a mesma intensidade de carga, sendo opostos apenas quanto à natureza. Por isso, os átomos são espécies eletricamente neutras, uma vez que, para cada próton, há um elétron, e os nêutrons não influenciam na carga total do átomo.

História do nêutron

Após os estudos de Ernest Rutherford, com auxílio de Ernest Marsden e Hans Geiger, que culminaram na descoberta e descrição do núcleo atômico, a descoberta do nêutron foi apenas questão de tempo.

Rutherford e seus colaboradores já sabiam que o núcleo atômico seria composto parcialmente por partículas positivas, as quais receberam o nome de prótons. Contudo, o número de prótons não coincidia com a massa total do átomo, por isso concluíram que mais alguma partícula estaria presente. Já se sabia, inclusive, que tal partícula seria neutra, uma vez que os átomos eram eletricamente neutros.

Até que, em 1932, bombardeando núcleos de berílio (Z = 5) com partículas alfa (que possui dois prótons), o físico britânico James Chadwick conseguiu comprovar a existência de uma partícula eletricamente neutra e com uma massa um pouco maior que a do próton, a qual recebeu o nome de nêutron.

⁹Be + ⁴α → ¹²C + ¹n

O brilhante trabalho de Chadwick rendeu-lhe o Prêmio Nobel de Física de 1935.

Leia também: História dos modelos atômicos e da compreensão acerca dessa estrutura

Exercícios resolvidos sobre nêutron

Questão 1. (Unesp 2024.1) O exame de diagnóstico por imagem denominado PET-Scan (sigla em inglês para Tomografia por Emissão de Pósitrons) utiliza como emissor de pósitrons (₊₁⁰e) o radionuclídeo ¹⁸F.

Ao emitir um pósitron, esse radionuclídeo transforma-se no isótopo ¹⁸O, cujo número de prótons e número de nêutrons são, respectivamente, iguais a

1. 8 e 10.
2. 9 e 10.
3. 8 e 9.
4. 10 e 8.
5. 10 e 9.

Resposta: Letra A.

O elemento oxigênio, O, possui 8 prótons. O número de massa do isótopo em questão é igual a 18. O número de nêutrons será obtido pela expressão:

A = p + n

18 = 8 + n

n = 10.

Questão 2. (PUC-MG – Medicina/2023.1) Se o Pb 207 (chumbo-207), cujo número atômico é 82, for bombardeado com um nêutron, ele se torna:

1. 83 – Bi
2. 84 – Po
3. Pb – 208
4. Tl – 207

Resposta: Letra C.

O nêutron adicionado à estrutura do chumbo-207 não influencia na sua carga nuclear, uma vez que é eletricamente neutro. Dessa forma, não há alteração do número atômico e, portanto, o isótopo resultante também é do elemento chumbo. Porém, o nêutron adicionado faz com que a massa aumente de uma unidade, de modo que passe de 207 para 208.

Fontes:

NIST STANDART REFERENCE DATABASE. CODATA Internationally recommended 2018 values of the Fundamental Physics Constants. Disponível em: <https://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html>.

INTERNATIONAL UNION OF PURE AND APPLIED CHEMISTRY – IUPAC. Glossary of terms used in physical organic chemistry. Pure and Applied Chemistry, Reino Unido, 1994.

ONODY, P. R. N. Um mistério – qual é o tempo de vida do neutron? Instituto de Física de São Carlos – USP. 20 dez. 2021. Disponível em: <https://www2.ifsc.usp.br/portal-ifsc/um-misterio-qual-e-o-tempo-de-vida-do-neutron/>.

COOPER, K. Neutrons: facts about the influential subatomic particles. Space.com. 4 dez. 2022. Disponível em: <https://www.space.com/neutrons-facts-discovery-charge-mass>.