Núcleo (física) FÍS.

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Física

Parte central del átomo en la que está concentrada la materia en forma de nucleones.

Constitución del núcleo. Como resultado de la célebre experiencia de Rutherford (v.) (1911) en la que se bombardeaban hojas metálicas finas con partículas alfa (v. PARTÍCULAS ELEMENTALES) y la mayor parte de ellas pasaban sin desviación notable, mientras unas pocas sufrían una fuerte desviación cual si hubieran chocado contra un obstáculo, se llegó a la conclusión de que los átomos (v.) eran estructuras prácticamente vacías, pues contaban de un n. central muy pequeño (puesto que su diámetro era del orden de la cienmilésima del correspondiente al átomo), rodeado de electrones móviles que determinan el volumen de aquél. El n. está cargado positivamente y al mismo tiempo en él se concentra, prácticamente, toda la masa del átomo. Por esta razón puede decirse que la materia, a pesar de su aparente continuidad, por el hecho de estar constituida por átomos consiste, en realidad, en una serie de puntos (n. atómicos) en los que existe uria concentración extraordinaria de masa, rodeados de enormes espacios vacíos; efectivamente, un n. con sus electrones, que constituye lo que llamamos átomo, nos recuerda en su estructura la del sistema solar.

A pesar de su extraordinaria pequeñez (el diámetro del n. expresado en cm. viene dado por la unidad dividida por la unidad seguida de trece ceros), el n., a su vez, tiene estructura compleja: está constituido por un número Z de protones (n. del átomo de hidrógeno) que le dan su carga positiva, pues cada uno de ellos posee una carga eléctrica igual y de signo contrario a la del electrón (v.).

En la naturaleza se encuentran átomos cuyos n. poseen valores de Z variables entre Z=1 (hidrógeno) hasta Z=92 (uranio), pero se han creado artificialmente otros de Z’> 92 aunque su vida es, en general, sumamente efímera debido a su inestabilidad.

Prácticamente, las masas de muchos n. resultan ser múltiplos enteros de la del más ligero, el n. de hidrógeno, llamado protón. Esto indujo a suponer que todos ellos estaban formados por un número de protones igual a su número másico A, (peso del n. en cuestión tomando como unidad el de hidrógeno ordinario), pero esta hipótesis obligaba a admitir que dentro del n. existía un cierto número de electrones negativos para neutralizar el exceso de cargas positivas (A-Z). Sin embargo, esta idea fue abandonada en 1932 cuando Chadwick descubrió la existencia del neutrón, partícula de masa prácticamente igual a la del protón pero desprovista de carga. En consecuencia, hoy sabemos que un n. contiene un número Z de protones y otro (A-Z) de neutrones, lo que justifica su carga positiva total igual a Z (número atómico), y número másico igual a A.

Los n. que poseen el mismo número atómico Z pero diferente número másico se denominan isótopos (v.), y son indiferenciables desde el punto de vista de su comportamiento químico. La mayor parte de los elementos naturales existen en forma de varios isótopos, generalmente en proporciones definidas, y sus números másicos son diversos; así, p. ej., el hidrógeno ordinario (A=1; Z=1) posee otros dos isótopos: el deuterio (A=2; Z=1) y el tritio Protones y neutrones en el interior del n. se denominan nucleones y son prácticamente indiferenciables, puesto que las cargas eléctricas no juegan ningún papel en relación a las fuerzas nucleares que mantienen la estructura del n., como luego veremos.

Para los n. ligeros ocurre que, en general, el isótopo más abundante corresponde a A=2Z, esto es, en aquéllos el número de protones es igual al de neutrones, pero a medida que los n. son más pesados, es decir, contienen mayor número de nucleones, sucede que el número de neutrones aumenta más rápidamente que el de protones; así, p. ej., el isótopo más abundante del uranio (Z=92) tiene 146 neutrones; la estructura de los n. se expresa así, tomando como ejemplo el caso del uranio: Zsiu, es decir, z U, donde U es el símbolo químico del elemento (en este caso el uranio) de que se trata.

Las masas nucleares se expresan en función de la unidad atómica de masa (u.a.m.) que es la doceava parte de la que posee el n. de I6 C, o sea, del carbono de número másico 12. En esta escala, las masas de las partículas electrón, protón y neutrón son respectivamente: 0,00055; 1,00758 y 1,00893 u.a.m. Por otra parte, la u.a.m. corresponde a 1,6604X 10-27 Kg., valor que multiplicado por el número másico da, muy aproximadamente, la masa del n. en Kg., teniendo en cuenta que la del electrón es del orden de 1/2000 de la del protón y que la del neutrón es prácticamente igual a la del protón.

Estabilidad de los núcleos y fuerzas nucleares. Ocurre que si bien los n. están formados por protones y neutrones, su masa es menor que la suma de las masas de sus componentes; esta pérdida de masa da lugar a la denominada energía de enlace o de ligadura que se ha desprendido al formarse el n. a partir de sus componentes, los nucleones. Por otra parte, un n. será tanto más estable cuanto mayor sea su pérdida de masa, o energía de enlace, ya que en virtud de la conocida equivalencia entre masa y energía (v. ENERGÍA Y MASA), para descomponerlo en nucleones habría que aportar una energía igual a la que denominamos de enlace. Las energías de enlace se suelen expresar por nucleón, es decir, dividiendo la total por el número de nucleones; este valor varía entre 5 y 9 MeV para todos los n., pasando por un máximo para los elementos intermedios y decreciendo rápidamente para los ligeros, así como lentamente para los pesados, (1 MeV=1.106 eV; 1 eV o electrón. voltio es la energía que adquiere un electrón en el campo eléctrico de 1 voltio; es la unidad energética corriente en los fenómenos del microcosmos).

El hecho anterior explica por qué cuando un n. pesado, p. ej., el de uranio, se fracciona en dos partes que corresponden a n. intermedios con mayor energía de enlace, se produce una liberación de energía (fisión). Análogamente ocurre cuando varios n. ligeros se unen para formar un n. más pesado (fusión). En ambos casos, la masa desaparecida se convierte en energía (v. ENERGÍA Y MASA).

Del examen de las masas nucleares, así como de las energías de enlace, puede deducirse valiosa información acerca de la estructura del n., comprobándose que las fuerzas que mantienen unidos entre sí a los nucleones deben tener características muy peculiares. En primer lugar, puesto que todos los nucleones cargados (protones), en virtud de la repulsión electrostática entre cargas eléctricas del mismo signo, deberían repelerse, hay que admitir que, superponiéndose a estas fuerzas repulsivas y superándolas, existe otro tipo de fuerzas, las nucleares, de carácter atractivo y corto alcance, puesto que desaparecen a distancias superiores a las dimensiones del n. Por otra parte, puesto que los neutrones no están menos firmemente ligados entre sí y á los protones del n., hay que admitir que dichas fuerzas nucleares son análogas para ellos, o sea, que las fuerzas de enlace protón-protón, protónneutrón y neutrón-neutrón, son prácticamente idénticas.

En consecuencia, cabría esperar que al variar, el número de partículas o nucleones en el n., el efecto combinado de dichas fuerzas de enlace variara proporcionalmente a Al (pues cada uno de los A nucleones se supone sometido a la acción de los A-1 restantes). Sin embargo, la energía de enlace resulta ser proporcional a A (vimos que la energía de enlace por nucleón es prácticamente constante y varía sólo entre 5 y 9 MeV). De esto hay que deducir que las fuerzas nucleares son saturadas; es decir, que cada partícula determina sólo un número limitado de lazos de unión, o, en otras palabras, que dichas fuerzas nucleares, aunque extraordinariamente intensas, son de alcance sumamente corto, y más allá de cierta distancia las fuerzas atractivas entre nucleones ceden su papel a las electrostáticas de repulsión.

La marlera más corriente de explicar el mecanismo de las fuerzas nucleares consiste en suponer que cada nucleón es temporal y sucesivamente un protón y un neutrón, efectuando el cambio mediante la emisión virtual de un mesón, la cual es una partícula ligera, que puede llevar carga positiva o negativa unitaria, o ser neutra; las trasformaciones que tendrían lugar dentro del núcleo serían:

n->p++a-; p->n+7r+; n-->n+ir°; p->p+ir++7r° (n=neutrón; p=protón; a=mesón). En otras palabras. los mesones actúan a modo de aglutinante que mantiene unidos a los nucleones, pues dichas reacciones se ’repiten muy rápidamente, y los mesones, aunque intercambiándose de modo continuo entre dos de ellos, raramente serán observables fuera del n. Esta rápida y continua transferencia de mesones constituye una fuerza de intercambio que los mantiene unidos entre sí, de forma análoga a lo que ocurre en los enlaces químicos (v.) covalentes, en los que la unión se justifica por el intercambio de un electrón de dos iones.

Yukawa, físico japonés, fue quien sugirió estas ideas en 1935, asignando, por razones teóricas, a la masa del mesón un valor de unas 200 veces la del electrón. Posteriormente, 1947, Powell y sus colaboradores descubrieron tales partículas en el estudio de la radiación cósmica, donde se producen bajo el impacto de partículas de extraordinaria energía que, al chocar con los n., determinan la desintegración de éstos en un gran número de fragmentos, entre los cuales han podido identificarse los mesones; éstos, por la extraordinaria brevedad de su vida media (del orden de 10-8 segundos), son difícilmente observables. Sin embargo, hoy día los mesones pueden producirse artificialmente, bombardeando blancos de carbón con partículas alfa y protones acelerados, y el estudio

de las profundas interacciones de tales partículas con la materia resulta ser uno de los problemas más apasionantes de la Física moderna, hasta el extremo de que la Física de partículas o de alta energía es uno de los temas a los que más inversiones y esfuerzos se dedican en todos los países avanzados, pues solamente gracias a ellos podremos llegar, tal vez, a conocer la verdadera estructura del n., la naturaleza de las fuerzas nucleares y, con ello, al conocimiento de la estructura última de la materia.

V. t.: ÁTOMO;ENERGÍA Y MASA;ELECTROSTÁTICA;FÍSICA ATÓMICA; FÍSICA NUCLEAR; FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEAR; IONIZACIÓN; PARTÍCULAS ELEMENTALES; RADIACTIVIDAD; RAYOS cósmicos.

J. CATALÁ DE ALEMANY.

BIBL.: J. B. CUNNINGHAM, Introducción al núcleo atómico, Madrid 1966; L. M. A. LENIHAM, La energía atómica y sus aplicaciones, Barcelona 1956; 1. KAPLAN, Física Nuclear, Madrid 1962; L. R. B. ELTON, Introducción a la teoría.nuclear, Madrid 1964.