¡El Núcleo del Átomo!

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. A pesar de su pequeñez, es de una complejidad enorme todo lo que allí está presente.

Los experimentos llevados a cabo en 1911 bajo la dirección de Ernest Rutherford modificaron las ideas existentes sobre la naturaleza del átomo. Rutherford y sus colaboradores bombardearon una fina lámina de oro con partículas alfa (núcleos de helio) procedentes de un elemento radiactivo.

El núcleo atómico es la parte central de un átomo, tiene carga positiva, y concentra más del 99,9% de la masa total del átomo. Un átomo es la unidad constituyente más pequeña de la materia que tiene las propiedades de un elemento químico. Cada sólido, líquido, gas y plasma se compone de átomos neutros o ionizados. Los átomos son muy pequeños; los tamaños típicos son alrededor de 100 pm (diez mil millonésima parte de un metro)

Está formado por protones y neutrones ( partículas de la familia de los Hadrones de la clase Barión que dentro del núcleo, son denominados nucleones) que se mantienen unidos por medio de la interacción nuclear fuerte, la cual permite que el núcleo sea estable, a pesar de que los protones se repelen entre sí (como los polos iguales de dos imanes). La cantidad de protones en el núcleo (el número atómico), determina el elemento químico al que pertenece. Los núcleos atómicos no necesariamente tienen el mismo número de neutrones, ya que átomos de un mismo elemento pueden tener masas diferentes, es decir son isótopos del elemento.

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.

• Si a un átomo se le añade un protón, se convierte en un nuevo elemento químico
• Si a un átomo se le añade un neutrón, se convierte en un isótopo de ese elemento químico.

Los isótopos del carbono son ¹¹₆C (6 protones y cinco neutrones), ¹²₆C (6 protones y seis neutrones), ¹³₆C (6 protones y siete neutrones) y ¹⁴₆C (6 protones y ocho neutrones).

La existencia del núcleo atómico fue deducida del experimento de Rutherford (segunda imagen expuesta) donde se bombardeó una lámina fina de oro con partículas alfa, que son núcleos atómicos de helio emitidos por rocas radiactivas. La mayoría de esas partículas traspasaban la lámina, pero algunas rebotaban, lo cual demostró la existencia de un minúsculo núcleo atómico.

Diagrama de Segrè, en rojo los núcleos estables, en otros colores los núcleos inestables coloreados según el período de desintegración. Obsérvese que un ligero exceso de neutrones favorece la estabilidad en átomos pesados.

Los núcleos atómicos son mucho más pequeños que el tamaño típico de un átomo (entre 10 mil y 100 mil veces más pequeños). Además contienen más del 99% de la masa con lo cual la densidad másica del núcleo es muy elevada. Los núcleos atómicos tienen algún tipo de estructura interna, por ejemplo los neutrones y protones parecen estar orbitando unos alrededor de los otros, hecho que se manifiesta en la existencia del momento magnético nuclear. Sin embargo, los experimentos revelan que el núcleo se parece mucho a una esfera o elipsoide compacto de 10^-15 m (= 1 fm), en el que la densidad parece prácticamente constante. Naturalmente el radio varía según el número de protones y neutrones, siendo los núcleos más pesados y con más partículas algo más grandes.

Aquí nos tendríamos que parar un poco y explicar que, tanto los protones como los Neutrones, partículas que son Hadrones, están conformados, a su vez, por tripletes de Quarks, es decir, un Protón está hecho de tres Quarks, 2 quarks up y 1 Quark Down, mientras que, un Neutrón, está hecho de 2 Quarks Down y 1 Quark up.

Los Quarks están confinados dentro de los nucleones, y sujetos por la fuerza nuclear fuerte que, dicho sea de paso, funciona al contrario de las otras fuerzas fundamentales, cuando más lejos están los objetos, más fuerte es la fuerza, se comporta como si de un muelle de acero se tratara que, cuanto más se estira más resistencia opone.

Si los Quarks están juntos dentro de los nucleones, se mueven con facilidad y nada les impide cierta libertad (libertad asintótica), sin embargo, si tratan de separse los unos de los otros, entre en escena la fuerza fuerte y, mediada por ocho partículas mediadoras de dicha fuerza, los Gluones, los retienen e impiden que se muevan o desplacen más de lo conveniente.

Así las coass, tenemos que en el “simple” núcleo de los átomos, están presentes objetos y huegan fuerzas que ni podíamos imaginar. No se trata sólo de un núcleo pequeño, infinitesimal con los tamaños típicos que son alrededor de 100 pm (diez mil millonésima parte de un metro), sin embargo, son de una importancia capital para que la materia exista, y los mundos, y las estrellas, las montañas, los océanos, las Galaxiass, y, ¡nosotros!

Como digo tantas veces: Todo lo grande está hecho de cosas pequeñas.

Así que ahora sabemos que la pequeña región central del átomo donde se encuentran distribuidos los neutrones y protones, partículas fundamentales del núcleo, que reciben el nombre de nucleones. La estabilidad del núcleo no puede explicarse por su acción eléctrica. Al contrario, la repulsión existente entre los protones produciría su desintegración. El hecho de que en el núcleo existan neutrones y protones es un indicador de que debe existir otra interacción más fuerte que la electromagnética que no está directamente relacionada con cargas eléctricas y que es mucho más intensa. Esta interacción se llama interacción nuclear fuerte y es la que predomina en el núcleo y, hasta la fecha, la más fuerte conocida en el universo.

La fuerza nuclear fuerte es una de las cuatro fuerzas que el modelo estándar actual de la Física establece para explicar las interacciones entre las partículas conocidas.

Contrariamente a las fuerzas de gravedad y electromagnética que tienen un alcance infinito, la fuerza nuclear fuerte es de muy corto alcance: su radio de acción es menor que una billonésima de milímetro,  10^-13mm, ligeramente menor que el tamaño del núcleo. Como su alcance es menor que el radio del núcleo, no interactúa con otros núcleos cercanos. Si no fuera así, todos los núcleos del universo se habrían colapsado para formar un gran conglomerado de masa nuclear.

Si un núcleo atómico es bombardeado con un haz de neutrones, gana neutrones adicionales y se hace más grande. Llega un momento en que la fuerza nuclear fuerte no tiene el alcance suficiente para mantener al núcleo unido. Como resultado, el núcleo se parte en dos, generando una gran cantidad de energía.

En la teoría cuántica de campos, a cada tipo de interacción le corresponde una familia de partículas portadoras de la interacción.

Las partículas que transportan la fuerza fuerte nuclear que interactúa entre los quarks se denominan gluones.

La fuerza nuclear fuerte se deduce del requisito de que las ecuaciones que describen a los quarks deben ser las mismas, independientemente de cómo se elija la definición de  los colores de los quarks. La mecánica cuántica explica bastante bien todos estos fenómenos asociados a los núcleos atómicos y los átomos, otro día avanzaremos algo más en las explicaciones.

emilio silvera

Guardar

Guardar

[?]