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Jul

22

¿El núcleo del átomo? ¡Una maravilla de la Naturaleza!

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física    ~    Comentarios Comments (0)

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Symphony of Science – The Quantum World! (Subtitulado)

El contertulio José C Gómez me envía el enlace de arriba y, por lo simpático, os lo pongo aquí.
 

Aunque nos parezcan muy diferentes (que lo son), lo cierrto que es que, en lo esencial,  ambos estarían hechos de los mismos materiales, el hombre gris y la bella humana tienen vidas basadas en el Carbono.
¿Podemos ir más allá? ¿Podemos esperar semejanzas más concretas entre la vida extraterrestre y la vida tal como la conocemos? Creo que sí, que de la misma manera que existen planetas como la Tierra que tendrán paisajes parecidos a los que podemos contemplar en nuestro mundo, de igual forma, dichos planetas podrán albergar formas de vida que, habiéndo surgido en condiciones similares a las nuestras de Gravedad, Magnetismo, Radiación… Habrán seguido el mismo camino que tomamos nosotros y los otros seres que en la fauna terrestre nos acompañan.
La región de formación estelar S106
Es cierto que cuando vemos las cosas con cierta asiduidad y de forma permanente, esa cotidianidad nos hace perder la perspectiva y no pensamos en lo que realmente esas cosas pueden ser y, con las estrellas nos ocurre algo similar, ya que son algo más, mucho más, que simples puntitos luminosos que brillan en la oscuridad de la noche. Una estrella es una gran bola de gas luminoso que, en alguna etapa de su vida, produce energía por la fusión nuclear del hidrógeno para formar helio. El término estrella por tanto, no sólo incluye estrellas como nuestro Sol, que están en la actualidad quemando hidrógeno, sino también protoestrellas, aún no lo suficientemente calientes como para que dicha combustión haya comenzado, y varios tipos de objetos evolucionados como estrellas gigantes y supergigantes, que están quemando otros combustibles nucleares, o las enanas blancas y las estrellas nucleares, que están formadas por combustible nuclear gastado.

 

                 Las partículas del núcleo atómico. Protón y neutrón.

 

En 1920 (Rutherford) descdubrió las partículas positivas que forman los átomos, los protones.

Rutherford descubrió que bombardear átomos de nitrógeno con partículas alfa ( y esto es bien sencillo ya que basta con poner la sustancia radiactiva en el aire cuyo 75 % es nitrógeno) se producían una nuevas partículas con estas características:
Su carga eléctrica es la misma que la de los electrones, pero positiva, y su masa es semejante a la del átomo de hidrógeno (recuerda que la masa de los electrones es 1836 menor que la del átomo de hidrógeno. LLamó a estas partículas positivas protones.

Por lo tanto en los núcleos de los átomos hay unas partículas positivas que se llaman protones. En el hidrógeno solo hay una partícula ya que recordemos su masa era casi la misma.

Se comprobó que el número de protones es una característica especial de cada elemento quí­mico, ya que todos los átomos del mismo elemento tienen el mismo número de protones. Se llama nú­mero atómico (Z) al número de protones que tienen los átomos de un elemento químico. A cada elemento químico le corresponde un número atómico desde 1 hasta 106.

Todavía tenemos que buscar otras partículas en el núcleo atómico. La masa de los protones de un núcleo es mucho menor que la masa del núcleo.

ISÓTOPOS

 

Cada elemento químico se caracteriza por el número de protones de su núcleo, que se denomina número atómico (Z). Así, el hidrógeno ( 1H) tiene un protón, el carbono ( 6C) tiene 6 protones y el oxígeno ( 8O) tiene 8 protones en el núcleo.

El número de neutrones del núcleo puede variar. Casi siempre hay tantos o más neutrones que protones. La masa atómica (A) se obtiene sumando el número de protones y de neutrones de un núcleo determinado.

Un mismo elemento químico puede estar constituído por átomos diferentes, es decir, sus números atómicos son iguales, pero el número de neutrones es distinto. Estos átomos se denominan isótopos del elemento en cuestión. Isótopos significa “mismo lugar“, es decir, que como todos los isótopos de un elemento tienen el mismo número atómico, ocupan el mismo lugar en la Tabla Periódica.

isótopos del Hidrógeno

isótopos del Carbono

Desde 1918 estaba probado que existían los isótopos. Estos, eran átomos que tenían propiedades químicas iguales (parecían elementos iguales, por tanto), tenían el mismo número atómico, pero sus masas atómicas eran di­ferentes. En el núcleo debían existir partículas neutras que contribuyeran a la masa pero no tuvieran carga eléctrica.

Estas partículas neutras del núcleo se descubrieron en 1932 y se llamaron neutrones. Chadwick consiguió detectarlas y medir su masa. Un neutrón  tiene una masa ligeramente mayor que la del protón (exactamente 1,00014 veces). Los neutrones proporcionan las fuerzas de unión que estabilizan el núcleo atómico.
Representación aproximada del átomo de Helio,  en el núcleo los protones están representados en rojo y los neutrones en azul. En la realidad el núcleo también es simétricamente esférico.
Hasta aquí tenemos una idea de las partículas que forman el núcleo atómico y de otras propiedades que en él pueden estar presentes. Sin embargo, el núcleo atómico tiene que ser visto como el corazón central del átomo que contiene la mayor parte de su masa, exactamente, el 99,9%. Digamos que el núcleo más masivo que se encuentra en la Naturaleza es el del Uranio-238 que contiene 92 protones y  146 neutrones. El núcleo más simple es el del Hidrógeno que consiste en un único protón.
Resultado de imagen de Neutrones
Hasta aquí hemos dado un repaso sobre los componentes de los núcleos atómicos y algunas de sus particularidades para saber, sobre ellos y tener una idea más exacta de cómo fueron descubiertos y que son en realidad con sus cargas y sus masas. Sin embargo, podemos seguir explicandolo de manera sencilla pero con algo más de detalles.
El tamaño de un átomo

La curiosidad acerca del tamaño y masa del átomo atrajo a cientos de científicos durante un largo período en el que la falta de instrumentos y técnicas apropiadas impidió lograr respuestas satisfactorias. Con posterioridad se diseñaron numerosos experimentos ingeniosos para determinar el tamaño y peso de los diferentes átomos.

El átomo más ligero, el de hidrógeno, tiene un diámetro de aproximadamente 10-10 m (0,0000000001 m) y una masa alrededor de 1,7 x 10-27 kg (la fracción de un kilogramo representada por 17 precedido de 26 ceros y una coma decimal).

 

 

Empecemos por decir que los átomos son muy pequeños, tan pequeños que necesitaríamos una fila de unos diez millones para poder rellenar el espacio que ocupa un milímetro, es decir, los átomos son tan pequeños que los tamaños típicos son alrededor de 100 pm (diez mil millonésima parte de un metro). Una peculiaridad del átomo es que está casi vacío, su estructura conformada por el núcleo rodeado de electrones que orbitan a su alrededor lo hace un objeto singular.
Si el átomo tuviera 10 metros de diámetro el núcleo sería un puntito diminuto central de apenas un milímetro, y, sin embargo… ¡Cuanta complejidad contiene dentro tan minúsculo objeto! Tenemos que señalar que algunos núcleos pueden ser inestable y se desintegran emitiendo partículas Alfa, con carga positiva, mientras que otros emiten partículas Beta, con carga negativa. También pueden emitir radiación Gamma.
Pero dejémos tranquilas a las partículas Alfa y Beta de las que nos ocuparemos en otra oportunidad. El tema de este pequeño trabajo es el núcleo atómico y, a él, nos dedicaremos. Nunca podré dejar de asombrarme ante los hechos mágicos que la Naturaleza es capaz de realizar. En realidad, la Naturaleza se vale de estos pequeños objetos llamados átomos para que unidos sean los responsables de conformar toda la materia que existe (al menos la conocida) estén formando cualquier objeto, grande o pequeño que podamos ver en el Universo. Desde las estrellas y los mundos hasta las inmensas galaxias, todo está conformado por átomos.
Cuando hablamos del núcleo atómico, por lo general, nos referimos a que está hecho de protones y neutrones, dos partículas que pertenecen a la familia de los Hadrones en la rama de los Bariones donde están las partículas de materia. Cuando nos referimos a ellas situadas en el núcleo atómico, las solemos llamar nucleaones.
Pero veámos que hay ahí, dentro de los nucleones (protones y neutrones).
Monografias.com
Los hadrones (protones y neutrones), a su vez, están hechos por otras partículas más pequeñas que pertenecen a la familia de los Quarks. Tanto el protón como el Neutrón están conformados por tripletes de Quarks. El protón de 2 quarks up y un quark down, mientras que el nutrón está hecho por 2 quarks down y 1 quark up.
La familia Quark

 

Como no es el objeto del trabao, no hablaremos hoy de los Quarks, y, simplemente diremos que en la naturaleza no se encuentran quarks aislados. Estos siempre se encuentran en grupos, llamados Hadrones. de dos o tres quarks, conocidos como mesones y bariones respectivamente. Esto es una consecuencia directa del confinamiento de color.  En el año 2003 se encontró evidencia experimental de una nueva asociación de cinco quarks, los Pentaquarks, cuya evidencia, en principio controvertida , fue demostrada gracias al Colisionador de Partículas LHC en el pasado Julio de 2.015.

Pero sigamos con lo que nos ocupa y veámos que los Quarks están confinados dentro de los nucleones (protones y neutrones) donde la fuerza fuerte les retiene y nos los deja que se vayan alejando más de lo debido como se explica en el cuadro de arriba.

Dentro del nucleo se desatan las fuerzas de la Naturaleza, la que conocemos como fuerza nuclear fuerte, la más potente de las cuatro fuerzas fundamentales que, intermediada por otras partículas de la familia de los Bosones, los Gluones, no dejan que los Quarks se alejen y son retenidos allí, dentro de los nucleones donde tienen su función de conformar los hadrones másicos del núcleo que le aporta la materia al átomo.

Los Gluones, son las partículas intermediarias de la fuerza fuerte, y, de la misma manera, existen otros Bosones encargados de mediar en las otras fuerzas conocidas de la Naturaleza: El Fotón para los fenómenos electromagnéticos, el Gravitón (no encontrado aún) para la fuerza de Gravedad, y, los W+,  W– y Zº para la fuerza nuclear débil.

Lo cierto es que, el núcleo atómico está cargado positivamente y, tal carga, hace la llamada para que, un enjambre de electrones, con cargas negativas, vengan a rodear el núcleo atómico y, de esa manera, queda estabilidado el átomo, ese pequeño objeto que conforma todas las cosas hechas de materia.

Así, los electrones que rodea el núcleo, con su carga eléctrica negativa que complementa la positiva de los protones y hace estable al átomo; una masa de solamente 1/1.836 de la del núcleo más ligero (el del hidrógeno). Y, sin embargo, la importancia del electrón es vital en el universo.

Repasando todo esto, no puedo dejar de recordar aquellas palabras que el físico Freeman Dyson escribió:

“Cuando miramos en el universo e identificamos los muchos accidentes de la física y la astronomía que han colaborado en nuestro beneficio, casi parece que el universo debe haber sabido, en cierto sentido, que nosotros íbamos a venir“.

Fijaros en el hecho cierto de que, si la carga del electrón, o, la masa del protón, variaran aunque sólo fuese una diezmillonésima parte… ¡La vida no podría existir en el Universo! Estamos hechos de átomos y, con tal cambio, éstos nunca se habrían podido conformar.

emilio silvera.

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Esta entrada fue publicada el viernes, 22 de julio de 2016 a las 7:42 y está clasificada bajo: Física. Puede hacer un seguimiento de los comentarios de esta entrada gracias al feed RSS 2.0. Puede dejar un comentario, o enviar un trackback desde su sitio.
 


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