Alcuni elementi speciali - per esempio la grafite (carbonio) - non hanno praticamente nessuna attitudine ad assorbire neutroni. Nel caso della grafite puo' accadere che un neutrone collida molte volte coi singoli nuclei del carbonio senza rischio di scomparire nell'avvio di una reazione nucleare. Tuttavia, ad ogni collisione nucleare, il neutrone rimbalza, trasferendo parte della sua energia motoria: di conseguenza il suo moto risultera' piu' lento. Come vedremo in seguito, in molti reattori si adopera, proprio a questo fine, un moderatore di grafite. Se in un blocco di grafite entrano neutroni veloci, dopo un solo millesimo di secondo la loro energia si sara' ridotta pari a quella degli atomi di grafite, i quelli naturalmente, sono in moto continuo. In tal caso non e' affatto errato parlare di "temperatura" dei neutroni e dire che essi sono stati raffreddati alla temperatura stessa della grafite. Il raffreddamento, o moderazione, e' possibile perche' i nuclei del carbonio hanno scarsissima attitudine ad assorbire neutroni.
Quando un pezzo di grafite, o di qualsiasi altra sostanza, e' a una data temperatura, non tutti i suoi atomi si muovono con la stessa energia. Alcuni si muovono a velocita' maggiore, altri minore della media, anche se pochissimi sono quelli che hanno una velocita' molto maggiore, o molto minore, della media. La stessa gamma di velocita' vale anche per i neutroni che sono dentro la grafite: alcuni si muovono piu' veloci e altri piu' lenti della media. Puo' anche darsi il caso di trovare qualche neutrone che si muova molto piu' lentamente della media: essi sono percio' "piu' freddi" degli altri, ma naturalmente sono soltanto una piccola parte del totale.
Il processo che ci consente di produrre neutroni veloci e di rallentarli nella grafite e' esattamente quello che avviene nel tipo normale di reattore nucleare. I neutroni risultano dalla fissione di nuclei dell'uranio, passano ad alta velocita' nel rallentatore di grafite e vengono subito portati alla stessa temperatura della grafite. In mezzo a questi neutroni rallentati, il numero di quelli molto lenti, cioe' freddi, e' piccolo, ma essendo enorme il complesso dei neutroni, quelli freddi utilizzabili negli esperimenti sono sempre in numero sufficiente.
I neutroni freddi si separano dai loro fratelli piu' caldi nel raggio neutronico che esce da un reattore. La separazione avviene facendo passare il raggio attraverso una sostanza che non assorba facilemente i neutroni, per esempio il berillio, la grafite o il piombo. Una qualsiasi di queste sostanze, se e' sotto forma di piccoli cristalli, come si vede in figura 31, lascia passare soltanto i neutroni molto freddi. Come gia' sappiamo, i neutroni prossimi alla temperatura normale hanno tale lunghezza d'onda che passano per un cristallo e si disperdono, come negli esperimenti di diffrazione neutronica. D'altro canto i piccoli cristalli non riescono a disperdere i neutroni freddi. La loro lunghezza d'onda e' maggiore della spaziatura atomica; in nessuna direzione possono sommarsi le onde dei diversi atomi, come accade nella diffrazione neutronica; e quindi le onde neutroniche passano attraverso i cristalli senza difficolta'. In conseguenza di questa dispersione selettiva, il blocco funziona da filtro neutronico: i neutroni freddi vi passano liberamente, mentre quelli piu' veloci vengono dispersi dai granuli cristallini e catturati dallo strato circostante di cadmio, perche' il cadmio e' un forta assorbente.
Fig. 31. I neutroni
"freddi", cioe' quelli che viaggiano a scarsa
velocita', possono venir filtrati quando, nel raggio,
attraversano un apparecchio come quello qui sopra
rappresentato. I granuli di cristallo sparpagliano u nutroni
veloci, che vengono assorbiti dal cadmio. Passano invece i
neutroni lenti.
Fra le sostanze usate come filtri per la produzione di neutroni freddi, c'e' la grafite stessa; oppure il berillio, che fornisce un raggio piu' intenso della grafite. Quando i neutroni passano per un filtro di berillio, il raggio che ne esce e' freddo, a temperatura assai inferiore all'ambiente. Piu' precisamente, di 35 gradi della "scala assoluta", cioe' di 35 gradi al di sopra dello zero assoluto. Poiche' questa temperatura corrisponde a 238 gradi sotto lo zero della scala centigrada (e 396 sotto lo zero Fahrenheit) nessuno mettera' in dubbio che i neutroni, filtrandosi nel berillio, si "raffreddano"! Se li consideriamo su scala atomica, i neutroni a temperatura cosi' bassa si muovono lentamente, ma rispetto agli oggetti di esperienza normale, la loro velocita' e' ancora piuttosto alta. Infatti i neutroni filtrati nel berillio percorrono circa 750 metri al secondo, cioe' 2700 chilometri all'ora! Eppure, su scala atomica, i neutroni si muovono davvero assai lentamente: non poche particelle prodotte nelle reazioni nucleari corrono a velocita' mille volte maggiore.
Ma anche se ci riferiamo agli oggetti della comune esperienza, la velocita' dei neutroni non e' poi tale che non ci sia dato di misurarla direttamente, e con metodi meccanici relativamente semplici. Infatti si possono, entro un raggio neutronico, scegliere neutroni di velocita' pari ad una velocita' prescelta, misurando il tempo occorrente a percorrere una distanza prestabilita. La misurazione del tempo puo' effettuarsi in modo da isolare gli altri neutroni d'una particolare velocita'. Lo strumento impiegato (si veda la fig. 32) e' il selettore meccanico di velocita': consta di una serie di dischi in rotazione, ciascuno con una fessura. Evidentemente i neutroni debbono avere, una precisa velocita', se vogliono giungere ciascun disco rotante in tempo esatto per traversare la fessura. In tal modo fra tutti i neutroni del raggio si selezionano soltanto quelli che hanno la velocita' che a noi interessa: gli altri restano bloccati dai dischi. Questa misurazione meccanica diretta della velocita' neutronica fa pensare al filtro: nell'uno e nell'altro caso infatti si selezionano determinate velocita' neutroniche. Ma rispetto al filtro, questo metodo ha un vantaggio: ci consente di selezionare una determinata velocita' neutronica mutando semplicemente la velocita' di rotazione dei dischi. Purtroppo, restando il disco "aperto" per tempo cosi' breve, il numero dei neutroni che passano e' assai basso.
Fig. 32. L'apparecchio che
qui e' schematicamente rappresentato, e' un selettore
meccanico delle velocita': cosnete soltanto ai neutroni che
abbiano una determinata velocita' di passare attraverso le
feritoie dei suoi dischi, La velocita' di rotazione dei
dischi e' l'eleemnto che consente il controllo. Quando
l'apparecchio entra in funzione, tutto il disco viene
investito dai neutroni, ma un raggio, a forma di vite, di
neutroni forniti della medesima velocita'. Di solito lo
strumento ha piu' di due dischi: questo consente di
migliorare l'esatta selezione di velocita'.
L'uno e l'altro metodo per ottenere neutroni freddi (filtro e selettore meccanico di velocita') sono stati assai utili nello studio del moto degli atomi. I neutroni a moto lento, penetrando nell'oggetto studiato, subiscono profondamente gli effetti delle collisioni con gli atomi, rivelando cosi' con chiarezza e precisione il moto atomico.