Daniel Cano Ott
Este breve comentario pretende explicar cómo interaccionan los
neutrones con el
agua, una sustancia indispensable para la vida y cada vez mas codiciada y escasa.
Los neutrones no poseen
carga eléctrica, por lo que la única interacción que tienen con el medio es de tipo nuclear: principalmente mediante colisiones con otros núcleos pero también a través de otro tipo de
reacciones nucleares. Los neutrones son, por decirlo de una manera sencilla, bolas de billar microscópicas que van perdiendo energía en choques con otros núcleos del medio. Durante estas colisiones se satisfacen los principios universales de
conservación de la energía y la
cantidad de movimiento, por lo que la cantidad de energía que puede perder un neutrón en una colisión depende de lo masivo que sea el otro núcleo con el que choca. La transferencia de energía es máxima cuando un neutrón choca contra un núcleo de igual masa: el neutrón puede quedarse parado y transferir toda su energía cinética, como en un juego de billar.
¿Y qué núcleos hay en la naturaleza de una masa comparable a la del neutrón? No hace falta ir muy lejos. El elemento más abundante de la naturaleza, con una masa prácticamente igual a la del neutrón, es el
hidrógeno H, formado por un electrón orbitando alrededor de un protón. El hidrógeno es un elemento químicamente muy activo, por lo que enseguida reacciona con el medio para dar lugar a compuestos. Y de entre todos ellos destaca nuestro líquido objeto del deseo: el agua ó H
2O, una molécula formada por un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno (dos protones).
El agua es un elemento habitual en los
reactores nucleares y se utiliza como un
moderador: un neutrón, al chocar con el hidrógeno de las moléculas de agua, pierde toda su energía en muy pocas colisiones. Cuando el neutrón adquiere una
energía cinética comparable a la de agitación térmica de las moléculas del medio, se dice que se ha
termalizado.
Un neutrón rápido colisiona con el hidrógeno de una molécula de agua y se termaliza en una sola colisión.
La moderación de los neutrones es un método común para detectar agua en el subsuelo. Primero se introduce una fuente de neutrones de alta energía (algunos MeV) a una cierta profundidad y después se miden las energías de los neutrones que llegan a la superficie con un detector. Si los neutrones detectados tienen energías parecidas a los de la fuente, habrán atravesado materiales relativamente pesados (Si, Al...). Por el contrario, la presencia de neutrones térmicos (con energías alrededor de 0.025 eV) es una signatura inequívoca de que han atravesado un elemento rico en hidrógeno: ¡el agua!
Conclusión: el agua sirve para moderar la energía de los neutrones en unas pocas colisiones y, como consecuencia, la presencia de neutrones termalizados es una signatura de que han estado en contacto con ella. Esta última propiedad ha sido utilizada en la
búsqueda de agua en Marte, tal y como se discute en otro de los artículos de esta bitácora.