El neutronio es un término teórico y ficticio que se refiere a una sustancia formada únicamente por neutrones, sin protones, y fue acuñado en 1926 por el químico Andreas von Antropoff como el "elemento cero" en la tabla periódica. Como concepto científico, se denomina neutronio a la masa compacta de neutrones que se forma en el interior de las estrellas de neutrones, donde los núcleos están sobrecargados y liberan neutrones, creando una materia extremadamente densa y supercompacta. Aunque no es un elemento químico reconocido en la tabla periódica moderna, el neutronio aparece en la ciencia ficción y en modelos teóricos sobre la materia en condiciones extremas.
Se han propuesto diversos agregados de neutrones como el dineutrón, trineutrón o tetraneutrón, aunque su existencia como partículas vinculadas es muy limitada o no confirmada experimentalmente. Por ejemplo, los neutrones libres se desintegran rápidamente y los dineutrones existen solo transitoriamente en ciertas reacciones nucleares.
En resumen, el neutronio es una materia hipotética o un estado especial de masa de neutrones en estrellas compactas, con características de extrema densidad y fuerza, pero no un elemento con átomos estables en la química convencional.
Diferencias entre neutronio y materia de neutrones
Cómo se formaría el neutronio en una estrella de neutrones
Por qué el neutronio es considerado elemento cero
Usos del neutronio en la ciencia ficción y ejemplos
Limitaciones físicas para crear un átomo solo de neutrones
Limitaciones físicas para crear un átomo solo de neutrones
Limitaciones físicas para crear un átomo solo de neutrones
Las limitaciones físicas para crear un átomo compuesto solo por neutrones son muy estrictas debido a las propiedades fundamentales de los neutrones y las fuerzas que actúan en el núcleo atómico:
Los neutrones son partículas neutras que no tienen carga eléctrica, por lo que no pueden mantener una nube de electrones alrededor como sucede en los átomos normales. La atracción electromagnética entre protones y electrones es necesaria para que un átomo exista como tal, y si no hay protones no hay carga positiva para atraer electrones. Por tanto, un "átomo" solo de neutrones no puede formar una estructura atómica convencional ni reaccionar químicamente porque no tendría electrones ligados.
Los neutrones libres son inestables y tienen una vida media corta de unos 15 minutos fuera del núcleo, desintegrándose en protones y otros productos. Por eso, los neutrones aislados no permanecen juntos mucho tiempo y no forman núcleos estables por sí solos.
La fuerza nuclear fuerte es la que mantiene unidos a protones y neutrones en el núcleo. Sin protones, la interacción entre neutrones resulta demasiado débil para formar un núcleo estable. Experimentos han observado pares de neutrones (dineutrones) o grupos pequeños, pero estos estados son muy inestables y se desintegran casi instantáneamente.
Solo bajo presiones y gravedad extremas, como en las estrellas de neutrones, los neutrones pueden mantenerse juntos en una masa extremadamente densa llamada neutronio o materia de neutrones. Pero en estas condiciones extremas y en grandes cantidades de neutrones (del orden del 1% de la masa solar) la gravedad es clave para mantener cohesión, no la fuerza nuclear. Sacar esta materia fuera de estas condiciones la desestabilizaría gravemente.
En resumen, la creación de un átomo solo de neutrones se ve limitada porque no hay carga para atraer electrones, los neutrones libres son inestables y la fuerza nuclear no es suficiente para formar núcleos estables sin protones, excepto en condiciones extremas de estrellas de neutrones donde la gravedad es determinante.
¿Qué fuerzas impiden que neutrones formen núcleos estables?
Las fuerzas físicas que impiden que los neutrones formen núcleos estables por sí solos son principalmente las siguientes:
La fuerza nuclear fuerte es la fuerza más poderosa dentro del núcleo atómico y actúa entre nucleones (protones y neutrones) para mantenerlos unidos. Sin embargo, esta fuerza tiene un alcance muy corto (del orden de 1 femtómetro) y solo actúa eficazmente cuando los nucleones están muy cercanos y en combinación tanto de protones como de neutrones. Para neutrones solos, la fuerza resultante es insuficiente para mantener un núcleo estable, pues no hay protones que contribuyan al equilibrio.
La fuerza electromagnética provoca repulsión entre protones debido a su carga positiva, y la fuerza nuclear fuerte debe superar esta repulsión para que el núcleo sea estable. En ausencia de protones, no hay carga positiva para equilibrar o contribuir a las interacciones, y los neutrones no pueden sostenerse unidos solo mediante la fuerza fuerte.
La interacción entre neutrones es más débil y menos estable que la combinación proton-neutrón. Los neutrones libres son inestables y tienden a desintegrarse en protones, electrones y antineutrinos si no están unidos en un núcleo estable con protones. La falta de carga provoca que la atracción entre neutrones no sea suficiente para formar un núcleo duradero.
Además, a distancias muy pequeñas entre nucleones se genera una repulsión conocida como "repulsión de corto alcance" o "repulsión de núcleo duro" (core repulsion), que evita que nucleones se compriman en exceso. Esto también limita la posibilidad de que neutrones solos formen núcleos compactos y estables.
En resumen, las limitaciones para que neutrones formen núcleos estables se deben a la combinación de la necesidad de la fuerza nuclear fuerte para actuar a corto alcance en combinación con protones, la falta de carga para estabilidad electromagnética y la inestabilidad inherente de los neutrones libres, además de la repulsión a muy corta distancia entre nucleones
Cómo contribuye la fuerza nuclear fuerte a la estabilidad de núcleos con neutrones
La fuerza nuclear fuerte contribuye a la estabilidad de los núcleos atómicos al actuar como un "pegamento" que mantiene unidos a protones y neutrones (nucleones) dentro del núcleo. Esta fuerza es mucho más intensa que la repulsión electromagnética entre los protones, que tienen carga positiva y tienden a alejarse mutuamente. La interacción fuerte es de corto alcance, eficaz solo en distancias muy pequeñas (aproximadamente 1 femtómetro), y es la responsable directa de la cohesión del núcleo.
Los neutrones cumplen un papel crucial porque, al no tener carga eléctrica, ayudan a contrarrestar la repulsión entre los protones y proporcionan equilibrio. Sin una proporción adecuada de neutrones respecto a protones, el núcleo no es estable y puede sufrir desintegración radiactiva. La fuerza nuclear fuerte se manifiesta mediante el intercambio de partículas mediadoras llamadas piones, que permiten la atracción entre nucleones, ya sea protón-protón, protón-neutrón o neutrón-neutrón, siendo esta última más débil pero aún significativa para la estabilidad nuclear.
Además, la energía de enlace nuclear, resultado de esta fuerza, es la medida que indica cuánto están unidos los nucleones; cuanto mayor es esta energía por nucleón, mayor estabilidad tiene el núcleo. Por esta razón, los núcleos con el adecuado balance entre neutrones y protones, en lo que se denomina el "cinturón de estabilidad", son los más estables.
Cómo varía la fuerza fuerte con la distancia dentro del núcleo
Cómo varía la fuerza fuerte con la distancia dentro del núcleo
La fuerza nuclear fuerte varía con la distancia dentro del núcleo de la siguiente manera:
A distancias muy cortas, inferiores a aproximadamente 0.5 femtómetros (fm), la fuerza fuerte es altamente repulsiva. Esta repulsión de muy corto alcance se denomina "core repulsivo" y evita que los nucleones (protones y neutrones) se acerquen demasiado, impidiendo que el núcleo colapse o que las partículas se compriman en exceso.
Entre aproximadamente 0.5 y 2.5 femtómetros, la fuerza fuerte es atractiva y muy intensa, suficiente para vencer la repulsión electromagnética entre los protones con carga positiva. Esta atracción permite que los nucleones permanezcan unidos formando un núcleo estable. Este rango es donde la fuerza nuclear fuerte actúa eficazmente como "pegamento" del núcleo.
Más allá de 2.5 a 3 femtómetros, la fuerza fuerte decrece rápidamente y se vuelve prácticamente insignificante, lo que limita el tamaño y la densidad del núcleo atómico. Esto explica que la fuerza fuerte sea de corto alcance, afectando solo a nucleones muy cercanos.
En términos teóricos, a muy pequeñas distancias la fuerza puede decaer aproximadamente según la inversa del cuadrado de la distancia, pero a escalas nucleares domina un decrecimiento exponencial debido al intercambio de mesones virtuales (en particular piones), los cuales median la interacción fuerte residual entre nucleones.
Esta variación con la distancia crea un equilibrio que permite la formación de núcleos estables: la repulsión a distancias muy cortas evita el colapso y la atracción a distancias intermedias mantiene la cohesión.
En resumen, la fuerza nuclear fuerte es repulsiva a distancias extremadamente cortas, atractiva en un rango intermedio cercano, y luego se desvanece rápidamente con la distancia, lo que asegura la estabilidad y tamaño característico del núcleo atómico
Cómo varía la fuerza fuerte con la distancia dentro del núcleo
La fuerza nuclear fuerte varía con la distancia dentro del núcleo de la siguiente manera:
A distancias muy cortas, inferiores a aproximadamente 0.5 femtómetros (fm), la fuerza fuerte es altamente repulsiva. Esta repulsión de muy corto alcance se denomina "core repulsivo" y evita que los nucleones (protones y neutrones) se acerquen demasiado, impidiendo que el núcleo colapse o que las partículas se compriman en exceso.
Entre aproximadamente 0.5 y 2.5 femtómetros, la fuerza fuerte es atractiva y muy intensa, suficiente para vencer la repulsión electromagnética entre los protones con carga positiva. Esta atracción permite que los nucleones permanezcan unidos formando un núcleo estable. Este rango es donde la fuerza nuclear fuerte actúa eficazmente como "pegamento" del núcleo.
Más allá de 2.5 a 3 femtómetros, la fuerza fuerte decrece rápidamente y se vuelve prácticamente insignificante, lo que limita el tamaño y la densidad del núcleo atómico. Esto explica que la fuerza fuerte sea de corto alcance, afectando solo a nucleones muy cercanos.
En términos teóricos, a muy pequeñas distancias la fuerza puede decaer aproximadamente según la inversa del cuadrado de la distancia, pero a escalas nucleares domina un decrecimiento exponencial debido al intercambio de mesones virtuales (en particular piones), los cuales median la interacción fuerte residual entre nucleones.
Esta variación con la distancia crea un equilibrio que permite la formación de núcleos estables: la repulsión a distancias muy cortas evita el colapso y la atracción a distancias intermedias mantiene la cohesión.
En resumen, la fuerza nuclear fuerte es repulsiva a distancias extremadamente cortas, atractiva en un rango intermedio cercano, y luego se desvanece rápidamente con la distancia, lo que asegura la estabilidad y tamaño característico del núcleo atómico.
Los modelos teóricos que predicen estados ligados de dineutrones
Los modelos teóricos que predicen estados ligados de dineutrones (pares de neutrones unidos) se basan principalmente en aproximaciones del potencial nuclear y la mecánica cuántica aplicada a sistemas de nucleones.
Uno de los enfoques comunes es el uso de modelos de potencial nuclear, que describen la interacción entre dos neutrones mediante un potencial efectivo en la ecuación de Schrödinger. Estos modelos buscan resolver esa ecuación para encontrar estados ligados, es decir, configuraciones con energía inferior a la suma de energías de neutrones libres. Sin embargo, los estados ligados de dineutrones son muy inestables o apenas existen como estados metaestables bajo condiciones normales.
Modelos de capas nucleares y aproximaciones de campo medio también se utilizan para estudiar nucleones adicionales dentro de núcleos dobles mágicos, donde se analizan estados ligados de protones o neutrones; ajustando parámetros del modelo se investiga la existencia de posibles estados ligados, como dineutrones.
Teorías de fuerza fuerte residual, basada en la cromodinámica cuántica (QCD) y su efectividad a bajas energías, modelan la interacción fuerte entre neutrones y predicen que, a diferencia del diprotón (par de protones), el dineutrón no forma un estado ligado estable, aunque puede existir un estado cuasiligado o resonante con muy corta vida.
En resumen, los modelos teóricos predicen que si bien un dineutrón ligado estable no existe en condiciones normales, pueden existir estados cuasiligados o resonantes. Estos estados son útiles para entender reacciones nucleares y la estructura nuclear, y se estudian usando modelos de potencial, aproximaciones de campo medio y teoría cuántica de campos aplicada a la interacción fuerte.