Núcleo atómico

Una imagen artística relativamente precisa del núcleo de helio con protones rojos y neutrones azules. En realidad, el núcleo tiene una simetría esférica.

En física, el término núcleo atómico generalmente se refiere a la parte central y densa de un átomo , que consta de protones que tienen una carga positiva y neutrones que no tienen carga, denominados colectivamente nucleones . Es el tema del estudio de la física nuclear .

Descripción

Orbital atómico alrededor del núcleo

El núcleo se caracteriza por varios parámetros de los cuales los más importantes son el número de masa A, que representa el número total de nucleones presentes, el número atómico Z que es el número de protones y el número de neutrones N que representa el número de neutrones. La relación es válida: A = Z + N. Otros parámetros importantes son el espín total, la paridad , el espín isotópico y, en el caso de los núcleos radiactivos , la vida media .

A pesar de la presencia de protones cargados positivamente que luego se repelen entre sí, el núcleo se mantiene unido por la fuerte interacción nuclear que atrae a todas las partículas compuestas de quarks , como los nucleones. Esta fuerza actúa entre nucleones de una manera relativamente similar a la fuerza de van der Waals entre moléculas : parece similar al residuo externo de la fuerza que atrae a los quarks dentro de un nucleón. Sin embargo, esta fuerza no siempre consigue mantener estable el núcleo, dando lugar a fenómenos como la desintegración alfa , beta , gamma y, en algunos casos, la fisión nuclear u otras formas más exóticas de desintegración radiactiva.

Históricamente, la primera evidencia experimental de la existencia del núcleo que contiene toda la carga positiva de los átomos se observó a raíz de un experimento realizado en Manchester por el físico neozelandés Ernest Rutherford . Al comentar sobre su formidable descubrimiento, escribió:

"Es como si regresara una bala de cañón contra una hoja de papel de seda".

Las propiedades de los núcleos son estudiadas por la física nuclear , que durante el siglo XX ha encontrado decenas de aplicaciones en los campos científicos más dispares: técnicas como la resonancia magnética nuclear explotan el giro total de los núcleos para obtener imágenes extremadamente detalladas de tejidos humanos, carbono 14 o la datación por potasio nos permite fechar hallazgos históricos con gran precisión a través de la vida media de los núcleos radiactivos contenidos en la muestra a fechar, la fisión nuclear ha permitido la construcción de centrales termonucleares y algunos optimistas predicen que su hermana, la fusión nuclear poder , se convertirá en la principal fuente de energía de la humanidad en un futuro próximo. También se han encontrado otras aplicaciones en otros campos como la agricultura y la esterilización / almacenamiento de alimentos.

El radio del núcleo

Un método clásico para calcular el radio R de un núcleo usa la fuerza de Coulomb :

E_{Coulomb}\approx {\frac {3}{5}}{\frac {(Ze)^{2}}{R}}

{\ Displaystyle E_ {Coulomb} \ approx {\ frac {3} {5}} {\ frac {(Ze) ^ {2}} {R}}}

{\ Displaystyle E_ {Coulomb} \ approx {\ frac {3} {5}} {\ frac {(Ze) ^ {2}} {R}}}

que es igual a la energía superficial :

E_{superficie}\approx 4\pi R^{2}\gamma

{\ Displaystyle E_ {superficie} \ approx 4 \ pi R ^ {2} \ gamma}

{\ Displaystyle E_ {superficie} \ approx 4 \ pi R ^ {2} \ gamma}

donde γ es la tensión superficial .

Al igualar las dos primeras ecuaciones , obtenemos para el radio el valor de:

R\approx \left({\frac {3e^{2}}{20\pi \gamma }}\right)^{1/3}Z^{2/3}

{\ Displaystyle R \ approx \ left ({\ frac {3e ^ {2}} {20 \ pi \ gamma}} \ right) ^ {1/3} Z ^ {2/3}}

{\ Displaystyle R \ approx \ left ({\ frac {3e ^ {2}} {20 \ pi \ gamma}} \ right) ^ {1/3} Z ^ {2/3}}

Empíricamente, para un núcleo de masa A , tenemos:

R\approx R_{0}A^{1/3}

{\ Displaystyle R \ approx R_ {0} A ^ {1/3}}

{\ Displaystyle R \ approx R_ {0} A ^ {1/3}}

donde R ₀ es aproximadamente 1,2 imágenes fijas . Es decir, el radio es proporcional a la raíz cúbica del número másico.
Esta fórmula obtenida experimentalmente muestra cómo el tamaño del núcleo depende exclusivamente del número de nucleones: de hecho, se distribuyen en el espacio de forma aproximadamente uniforme, excepto en la zona más externa donde los nucleones tienden a adelgazarse ligeramente.

La medición del tamaño del núcleo atómico se realiza en centros de investigación de física nuclear y universidades utilizando múltiples técnicas; lo que nos ha permitido estudiar casi todos los núcleos estables con excelentes resultados en los últimos años fue la dispersión de electrones : los electrones acelerados a altas energías se hacen chocar con el núcleo atómico. Una medición precisa del patrón con el que se ordenan los electrones tras la colisión permite obtener una evaluación muy precisa del tamaño del obstáculo que los difracta , que es el núcleo.
La mayor desventaja de esta técnica radica en el hecho de que, haciendo uso de las reacciones electromagnéticas entre los electrones y el núcleo, permite medir solo la distribución espacial de partículas cargadas, es decir, solo protones, mientras que los neutrones se ignoran por completo. Otras técnicas incluyen la dispersión de partículas alfa , el cambio de los niveles de energía de los electrones de valencia , el cambio de los niveles de energía del átomo muónico .

La masa del núcleo

La masa contenida en el núcleo corresponde a casi la totalidad de la masa atómica. Basta pensar que un átomo estable contiene aproximadamente la misma cantidad de electrones que los protones y neutrones, pero cada nucleón pesa 1836 veces más que un electrón.

La masa de un núcleo viene dada por la suma de la masa de cada nucleón menos la energía de enlace , que es la energía necesaria para restaurar los nucleones que forman el núcleo a su estado libre. Para dar un ejemplo: imagina una serie de protones y neutrones en reposo libres en el espacio , su masa total será equivalente a la suma total de las masas del sistema y la energía total del sistema estará dada solo por la masa como se predice por la relatividad . Ahora imaginemos los mismos nucleones unidos dentro de un núcleo: para devolver el sistema a la situación anterior será necesario superar la fuerza fuerte que los mantiene unidos aplicando una fuerza capaz de dividir el núcleo, o de introducir energía. Esto significa que el estado ligado del núcleo es menos energético que el estado libre y, dado que el núcleo está en reposo y la energía corresponde a la masa como se mencionó anteriormente, se deduce que la masa total del primer estado es menor que la de el segundo. Analíticamente, la masa nuclear se calcula mediante la fórmula:

M_{nucleo}=\sum _{neutroni}M_{neutrone}+\sum _{protoni}M_{protone}-B

{\ Displaystyle M_ {núcleo} = \ sum _ {neutrones} M_ {neutrón} + \ sum _ {protones} M_ {protón} -B}

{\ Displaystyle M_ {núcleo} = \ sum _ {neutrones} M_ {neutrón} + \ sum _ {protones} M_ {protón} -B}

donde B representa la energía de enlace.

La energía de enlace juega, por tanto, un papel fundamental dentro del núcleo: se genera por la saturación de los campos generados por la fuerza fuerte que tiende a unir los nucleones y por la fuerza electromagnética que repele los protones. Es responsable de la estabilidad de los núcleos y, por tanto, también de su inestabilidad: un núcleo inestable (con, por ejemplo, demasiados neutrones o protones) tenderá a desintegrarse radiactivamente a través de desintegraciones alfa o beta para alcanzar un estado estable. Es gracias a ella que somos capaces de extraer energía nuclear : los procesos de fisión y fusión nuclear no son más que procesos en los que la energía de unión total tras la reacción es superior a la inicial, es decir, los núcleos están más estrechamente vinculados y por tanto, la masa total es menor.

Modelos nucleares

Mismo tema en detalle: Modelos nucleares .

A nivel teórico, la física nuclear presenta considerables dificultades y hasta la fecha no existe una buena teoría nuclear exhaustiva. Sin embargo, existen varios modelos que explican solo algunas características de los núcleos. ^[1]

Modelo de gota de líquido

El mismo tema en detalle: Modelo de gota de líquido .

Niels Bohr y John Archibald Wheeler formularon la hipótesis del modelo de caída nuclear en 1939 para explicar la pérdida de masa durante la fisión nuclear ( defecto de masa ). Cuando el núcleo es golpeado por un neutrón, esta partícula es absorbida por el propio núcleo y esto provoca un exceso de energía que determina un movimiento oscilatorio (como una gota de líquido que ha absorbido energía mecánica ). Por tanto, el movimiento oscilatorio provoca un alargamiento del núcleo hasta que se rompe (fisión nuclear).

Modelo de concha

El mismo tema en detalle: modelo de capa nuclear .

Modelo de capa nuclear

El modelo de capa (capa, o capas, también llamado autopartícula) son los nucleones como objetos cuánticos, que se mueven en estados cuánticos (o capas de energía) bien definidos y separados entre sí, de manera similar a lo que sucede con los electrones alrededor del núcleo. . Además, obedecen al principio de exclusión de Pauli , es decir, dos nucleones no pueden ocupar el mismo estado cuántico al mismo tiempo.

Este modelo explica bien el hecho de que si el número de neutrones o protones presentes en el núcleo es igual a los " números mágicos " (2, 8, 20, 28, 50, 82 y 126) los núcleos son particularmente estables, están fuertemente unidos y son particularmente abundantes; a la inversa, los núcleos con uno o dos protones y / o neutrones adicionales están mal unidos.

Modelo colectivo

Incluso el modelo de caparazón no es del todo satisfactorio porque explica solo una parte de los fenómenos nucleares. El modelo colectivo integra el modelo de gota con el modelo de capa, asumiendo que los nucleones que exceden el número mágico ocupan estados cuantificados dentro del pozo potencial generado por la capa interna. De esta forma interactúan con él, deformándolo y provocando oscilaciones, similares a las predichas por el modelo de caída.

Esta unificación, por tanto, reconcilia los dos modelos y consigue explicar fenómenos ulteriores que actualmente gozan de cierto éxito, de esta integración nace el modelo colectivo que, sin embargo, deja todavía muchos problemas sin resolver sobre la naturaleza del núcleo.

Nota

↑ En el libro se citan 37 modelos diferentes: ND Cook, Models of the Atomic Nucleus , Springer, 2006, p. 56, ISBN 3-540-28569-5 .

Otros proyectos

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enlaces externos

( EN ) Nucleo atomico , en Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
( EN ) IUPAC Gold Book, "nucleus" , en goldbook.iupac.org .

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[Cook-1] En el libro se citan 37 modelos diferentes: ND Cook, Models of the Atomic Nucleus , Springer, 2006, p. 56, ISBN 3-540-28569-5 .

[1]