El núcleo atómico es la región pequeña y densa formada por protones y neutrones en el centro de un átomo , descubierta en 1911 por Ernest Rutherford basándose en el experimento de la lámina de oro de Geiger-Marsden de 1909 . Después del descubrimiento del neutrón en 1932, Dmitri Ivanenko [1] y Werner Heisenberg desarrollaron rápidamente modelos para un núcleo compuesto de protones y neutrones . [2] [3] [4] [5] [6] Un átomo está compuesto por un núcleo cargado positivamente, rodeado por una nube de electrones cargados negativamente , unidos por una fuerza electrostática . Casi toda la masa de un átomo se localiza en el núcleo, con un aporte muy pequeño de la nube de electrones . Los protones y neutrones se unen para formar un núcleo mediante la fuerza nuclear .
El diámetro del núcleo está en el rango de1,70 fm (1,70 × 10 −15 m [7] ) para el hidrógeno (el diámetro de un solo protón) hasta aproximadamente11,7 fm para el uranio . [8] Estas dimensiones son mucho más pequeñas que el diámetro del átomo mismo (núcleo + nube de electrones), por un factor de aproximadamente 26,634 (el radio atómico del uranio es aproximadamente156 pm (156 × 10 −12 m )) [9] a aproximadamente 60,250 ( el radio atómico del hidrógeno es aproximadamente52.92 pm ). [a]
La rama de la física que se ocupa del estudio y comprensión del núcleo atómico, incluida su composición y las fuerzas que lo unen, se llama física nuclear .
El núcleo fue descubierto en 1911, como resultado de los esfuerzos de Ernest Rutherford por probar el " modelo de pudín de pasas " del átomo de Thomson. [10] El electrón ya había sido descubierto por JJ Thomson . Sabiendo que los átomos son eléctricamente neutros, JJ Thomson postuló que también debe haber una carga positiva. En su modelo del pudín de ciruelas, Thomson sugirió que un átomo estaba formado por electrones negativos esparcidos aleatoriamente dentro de una esfera de carga positiva. Más tarde, Ernest Rutherford ideó un experimento con su compañero de investigación Hans Geiger y con la ayuda de Ernest Marsden , que implicaba la desviación de partículas alfa (núcleos de helio) dirigidas a una fina lámina de metal. Razonó que si el modelo de JJ Thomson fuera correcto, las partículas alfa cargadas positivamente pasarían fácilmente a través de la lámina con muy poca desviación en sus trayectorias, ya que la lámina debería actuar como eléctricamente neutra si las cargas negativas y positivas están tan íntimamente mezcladas como para formar parece neutral. Para su sorpresa, muchas de las partículas fueron desviadas en ángulos muy grandes. Debido a que la masa de una partícula alfa es aproximadamente 8000 veces la de un electrón, se hizo evidente que debía estar presente una fuerza muy fuerte para poder desviar las masivas y rápidas partículas alfa. Se dio cuenta de que el modelo del pudín de ciruelas no podía ser exacto y que las desviaciones de las partículas alfa sólo podían explicarse si las cargas positivas y negativas estaban separadas entre sí y que la masa del átomo era un punto concentrado de carga positiva. Esto justificaba la idea de un átomo nuclear con un centro denso de carga y masa positivas.
El término núcleo proviene de la palabra latina nucleus , un diminutivo de nux ('nuez'), que significa 'la semilla' (es decir, la 'nuez pequeña') dentro de un tipo de fruta acuosa (como un melocotón ). En 1844, Michael Faraday utilizó el término para referirse al "punto central de un átomo". El significado atómico moderno fue propuesto por Ernest Rutherford en 1912. [11] Sin embargo, la adopción del término "núcleo" para la teoría atómica no fue inmediata. En 1916, por ejemplo, Gilbert N. Lewis afirmó, en su famoso artículo El átomo y la molécula , que "el átomo está compuesto por el núcleo y un átomo o capa exterior " . [12] De manera similar, el término kern que significa núcleo es utilizado para núcleo en alemán y holandés.
El núcleo de un átomo está formado por neutrones y protones, que a su vez son la manifestación de partículas más elementales, llamadas quarks , que se mantienen asociadas por la fuerza nuclear fuerte en ciertas combinaciones estables de hadrones , llamadas bariones . La fuerza nuclear fuerte se extiende lo suficientemente lejos de cada barión como para unir a los neutrones y protones contra la fuerza eléctrica repulsiva entre los protones cargados positivamente. La fuerza nuclear fuerte tiene un alcance muy corto y esencialmente cae a cero justo más allá del borde del núcleo. La acción colectiva del núcleo con carga positiva es mantener a los electrones con carga eléctrica negativa en sus órbitas alrededor del núcleo. El conjunto de electrones cargados negativamente que orbitan alrededor del núcleo muestra afinidad por ciertas configuraciones y números de electrones que hacen que sus órbitas sean estables. El elemento químico que representa un átomo está determinado por el número de protones en el núcleo; el átomo neutro tendrá el mismo número de electrones orbitando alrededor de ese núcleo. Los elementos químicos individuales pueden crear configuraciones electrónicas más estables al combinarse para compartir sus electrones. Es ese intercambio de electrones para crear órbitas electrónicas estables alrededor de los núcleos lo que nos parece la química de nuestro macromundo.
Los protones definen toda la carga de un núcleo y, por tanto, su identidad química . Los neutrones son eléctricamente neutros, pero contribuyen a la masa de un núcleo casi en la misma medida que los protones. Los neutrones pueden explicar el fenómeno de los isótopos (mismo número atómico con diferente masa atómica). La función principal de los neutrones es reducir la repulsión electrostática dentro del núcleo.
Los protones y los neutrones son fermiones , con diferentes valores del número cuántico de isospin fuerte , por lo que dos protones y dos neutrones pueden compartir la misma función de onda espacial ya que no son entidades cuánticas idénticas. A veces se los considera dos estados cuánticos diferentes de la misma partícula, el nucleón . [13] [14] Dos fermiones, como dos protones, o dos neutrones, o un protón + neutrón (el deuterón) pueden exhibir un comportamiento bosónico cuando se unen libremente en pares, que tienen espín entero.
En el raro caso de un hipernúcleo , un tercer barión llamado hiperón , que contiene uno o más quarks extraños y/u otros quarks inusuales, también puede compartir la función de onda. Sin embargo, este tipo de núcleo es extremadamente inestable y no se encuentra en la Tierra excepto en experimentos de física de alta energía.
El neutrón tiene un núcleo cargado positivamente de radio ≈ 0,3 fm rodeado por una carga negativa compensadora de radio entre 0,3 fm y 2 fm. El protón tiene una distribución de carga positiva que decae aproximadamente exponencialmente con un radio cuadrático medio de aproximadamente 0,8 fm. [15]
La forma del núcleo atómico puede ser esférica, en forma de pelota de rugby (deformación alargada), en forma de disco (deformación achatada), triaxial (una combinación de deformación achatada y alargada) o en forma de pera. [16] [17]
Los núcleos están unidos por la fuerza fuerte residual ( fuerza nuclear ). La fuerza fuerte residual es un residuo menor de la interacción fuerte que une a los quarks para formar protones y neutrones. Esta fuerza es mucho más débil entre neutrones y protones porque está mayormente neutralizada dentro de ellos, de la misma manera que las fuerzas electromagnéticas entre átomos neutros (como las fuerzas de van der Waals que actúan entre dos átomos de gas inerte) son mucho más débiles que las fuerzas electromagnéticas que mantienen unidas internamente las partes de los átomos (por ejemplo, las fuerzas que mantienen unidos a los electrones en un átomo de gas inerte a su núcleo).
La fuerza nuclear es muy atractiva a la distancia de separación típica de los nucleones, y esto anula la repulsión entre protones debido a la fuerza electromagnética, permitiendo así que existan los núcleos. Sin embargo, la fuerza fuerte residual tiene un alcance limitado porque decae rápidamente con la distancia (ver potencial de Yukawa ); por lo tanto, sólo los núcleos más pequeños que un cierto tamaño pueden ser completamente estables. El núcleo completamente estable más grande conocido (es decir, estable a la desintegración alfa, beta y gamma ) es el plomo-208, que contiene un total de 208 nucleones (126 neutrones y 82 protones). Los núcleos mayores que este máximo son inestables y tienden a tener una vida cada vez más corta con un mayor número de nucleones. Sin embargo, el bismuto-209 también es estable ante la desintegración beta y tiene la vida media más larga hasta la desintegración alfa de cualquier isótopo conocido, estimada en mil millones de veces más que la edad del universo.
La fuerza fuerte residual es efectiva en un rango muy corto (normalmente sólo unos pocos femtómetros (fm); aproximadamente uno o dos diámetros de nucleones) y provoca una atracción entre cualquier par de nucleones. Por ejemplo, entre un protón y un neutrón para formar un deuterón [NP], y también entre protones y protones, y neutrones y neutrones.
El límite absoluto efectivo del alcance de la fuerza nuclear (también conocida como fuerza fuerte residual ) está representado por núcleos de halo como el litio-11 o el boro-14 , en los que los dinutrones , u otras colecciones de neutrones, orbitan a distancias de aproximadamente10 fm (más o menos similar al8 fm de radio del núcleo de uranio-238 ). Estos núcleos no son máximamente densos. Los núcleos de halo se forman en los bordes extremos del gráfico de nucleidos (la línea de goteo de neutrones y la línea de goteo de protones) y son todos inestables con vidas medias cortas, medidas en milisegundos ; por ejemplo, el litio-11 tiene una vida media de8,8 ms .
En efecto, los halos representan un estado excitado con nucleones en una capa cuántica externa que tiene niveles de energía vacíos "debajo" (tanto en términos de radio como de energía). El halo puede estar formado por neutrones [NN, NNN] o protones [PP, PPP]. Los núcleos que tienen un solo halo de neutrones incluyen 11 Be y 19 C. Un halo de dos neutrones lo exhiben 6 He, 11 Li, 17 B, 19 B y 22 C. Los núcleos de halo de dos neutrones se rompen en tres fragmentos, nunca dos. y se denominan núcleos borromeos debido a este comportamiento (en referencia a un sistema de tres anillos entrelazados en el que al romper cualquier anillo se liberan los demás). 8 He y 14 Be exhiben un halo de cuatro neutrones. Los núcleos que tienen un halo de protones incluyen 8 B y 26 P. 17 Ne y 27 S exhiben un halo de dos protones . Se espera que los halos de protones sean más raros e inestables que los ejemplos de neutrones, debido a las fuerzas electromagnéticas repulsivas del protón(es) del halo.
Aunque se cree ampliamente que el modelo estándar de física describe completamente la composición y el comportamiento del núcleo, generar predicciones a partir de la teoría es mucho más difícil que en la mayoría de las otras áreas de la física de partículas . Esto se debe a dos razones:
Históricamente, los experimentos se han comparado con modelos relativamente toscos que son necesariamente imperfectos. Ninguno de estos modelos puede explicar completamente los datos experimentales sobre la estructura nuclear. [19]
El radio nuclear ( R ) se considera una de las cantidades básicas que cualquier modelo debe predecir. Para núcleos estables (no núcleos de halo u otros núcleos inestables distorsionados), el radio nuclear es aproximadamente proporcional a la raíz cúbica del número de masa ( A ) del núcleo, y particularmente en núcleos que contienen muchos nucleones, ya que se organizan en configuraciones más esféricas:
El núcleo estable tiene aproximadamente una densidad constante y, por lo tanto, el radio nuclear R puede aproximarse mediante la siguiente fórmula,
donde A = Número de masa atómica (el número de protones Z , más el número de neutrones N ) y r 0 = 1,25 fm = 1,25 × 10 −15 m. En esta ecuación, la "constante" r 0 varía en 0,2 fm, dependiendo del núcleo en cuestión, pero esto es menos del 20% de cambio con respecto a una constante. [20]
En otras palabras, empaquetar protones y neutrones en el núcleo da aproximadamente el mismo resultado de tamaño total que empaquetar esferas duras de tamaño constante (como canicas) en una bolsa esférica o casi esférica apretada (algunos núcleos estables no son del todo esféricos, pero se sabe que ser prolatado ). [21]
Los modelos de estructura nuclear incluyen:
El modelo de cúmulo describe el núcleo como una colección similar a una molécula de grupos protón-neutrón (p. ej., partículas alfa ) con uno o más neutrones de valencia ocupando orbitales moleculares. [22] [23] [24] [25]
Los primeros modelos del núcleo lo veían como una gota de líquido en rotación. En este modelo, el equilibrio entre fuerzas electromagnéticas de largo alcance y fuerzas nucleares de alcance relativamente corto causan juntas un comportamiento que se asemeja a las fuerzas de tensión superficial en gotas de líquido de diferentes tamaños. Esta fórmula logra explicar muchos fenómenos importantes de los núcleos, como sus cantidades cambiantes de energía de enlace a medida que cambian su tamaño y composición (ver fórmula de masa semiempírica ), pero no explica la estabilidad especial que ocurre cuando los núcleos tienen "especiales". números mágicos" de protones o neutrones.
Los términos de la fórmula de masa semiempírica, que se pueden utilizar para aproximar la energía de enlace de muchos núcleos, se consideran la suma de cinco tipos de energías (ver más abajo). Entonces, la imagen de un núcleo como una gota de líquido incompresible explica aproximadamente la variación observada en la energía de enlace del núcleo:
Energía de volumen . Cuando un conjunto de nucleones del mismo tamaño se empaqueta en el volumen más pequeño, cada nucleón interior tiene un cierto número de otros nucleones en contacto con él. Entonces, esta energía nuclear es proporcional al volumen.
Energía superficial . Un nucleón en la superficie de un núcleo interactúa con menos nucleones que uno en el interior del núcleo y, por lo tanto, su energía de enlace es menor. Este término de energía superficial tiene eso en cuenta y, por lo tanto, es negativo y proporcional al área de la superficie.
Energía de Coulomb . La repulsión eléctrica entre cada par de protones en un núcleo contribuye a disminuir su energía de enlace.
Energía de asimetría (también llamada energía de Pauli ). Una energía asociada al principio de exclusión de Pauli . Si no fuera por la energía de Coulomb, la forma más estable de materia nuclear tendría el mismo número de neutrones que de protones, ya que un número desigual de neutrones y protones implica llenar niveles de energía más altos para un tipo de partícula, mientras que deja vacantes niveles de energía más bajos para el otro tipo.
Energía de emparejamiento . Una energía que es un término de corrección que surge de la tendencia a ocurrir de pares de protones y pares de neutrones. Un número par de partículas es más estable que un número impar.
También se han propuesto varios modelos para el núcleo en los que los nucleones ocupan orbitales, muy parecidos a los orbitales atómicos de la teoría de la física atómica . Estos modelos de ondas imaginan que los nucleones son partículas puntuales sin tamaño en pozos potenciales o ondas de probabilidad como en el "modelo óptico", que orbitan sin fricción a alta velocidad en pozos potenciales.
En los modelos anteriores, los nucleones pueden ocupar orbitales en pares, debido a que son fermiones, lo que permite la explicación de los efectos Z y N pares/impares bien conocidos en los experimentos. La naturaleza exacta y la capacidad de las capas nucleares difieren de las de los electrones en los orbitales atómicos, principalmente porque el pozo de potencial en el que se mueven los nucleones (especialmente en núcleos más grandes) es bastante diferente del pozo de potencial electromagnético central que une los electrones en los átomos. Se puede observar cierta semejanza con los modelos de orbitales atómicos en un núcleo atómico pequeño como el de helio-4 , en el que los dos protones y los dos neutrones ocupan por separado orbitales 1s análogos al orbital 1s de los dos electrones del átomo de helio, y alcanzan niveles inusuales. estabilidad por la misma razón. Los núcleos con 5 nucleones son todos extremadamente inestables y de vida corta; sin embargo, el helio-3 , con 3 nucleones, es muy estable incluso sin una capa orbital 1s cerrada. Otro núcleo con 3 nucleones, el tritón hidrógeno-3, es inestable y se descompondrá en helio-3 cuando se aísle. En el deuterón hidrógeno-2 se encuentra una estabilidad nuclear débil con 2 nucleones {NP} en el orbital 1s , con solo un nucleón en cada uno de los pozos de potencial de protones y neutrones. Si bien cada nucleón es un fermión, el deuterón {NP} es un bosón y, por lo tanto, no sigue la exclusión de Pauli para el empaquetado compacto dentro de las capas. El litio-6 con 6 nucleones es muy estable sin un segundo orbital cerrado de capa 1p. Para los núcleos ligeros con un número total de nucleones de 1 a 6, sólo aquellos con 5 no muestran alguna evidencia de estabilidad. Las observaciones de la estabilidad beta de núcleos ligeros fuera de capas cerradas indican que la estabilidad nuclear es mucho más compleja que el simple cierre de orbitales de capas con números mágicos de protones y neutrones.
Para núcleos más grandes, las capas ocupadas por nucleones comienzan a diferir significativamente de las capas de electrones, pero, sin embargo, la teoría nuclear actual predice los números mágicos de capas nucleares llenas tanto para protones como para neutrones. El cierre de las capas estables predice configuraciones inusualmente estables, análogas al grupo noble de los gases casi inertes en química. Un ejemplo es la estabilidad de la capa cerrada de 50 protones, que permite que el estaño tenga 10 isótopos estables, más que cualquier otro elemento. De manera similar, la distancia desde el cierre de la capa explica la inusual inestabilidad de los isótopos que tienen un número lejos de ser estable de estas partículas, como los elementos radiactivos 43 ( tecnecio ) y 61 ( prometio ), cada uno de los cuales está precedido y seguido por 17 o más. elementos estables.
Sin embargo, existen problemas con el modelo de capas cuando se intenta tener en cuenta las propiedades nucleares muy lejos de las capas cerradas. Esto ha llevado a complejas distorsiones post hoc de la forma del pozo potencial para ajustarse a los datos experimentales, pero la pregunta sigue siendo si estas manipulaciones matemáticas realmente corresponden a las deformaciones espaciales en los núcleos reales. Los problemas con el modelo de capa han llevado a algunos a proponer efectos de fuerza nuclear realistas de dos y tres cuerpos que involucran grupos de nucleones y luego construir el núcleo sobre esta base. Tres de estos modelos de clúster son el modelo de estructura de grupo resonante de 1936 de John Wheeler, el modelo Spheron compacto de Linus Pauling y el modelo Ising 2D de MacGregor. [19]
Al igual que en el caso del helio líquido superfluido , los núcleos atómicos son un ejemplo de un estado en el que se aplican tanto (1) reglas físicas de partículas "ordinarias" para el volumen como (2) reglas de la mecánica cuántica no intuitivas para una naturaleza ondulatoria. En el helio superfluido, los átomos de helio tienen volumen y esencialmente se "tocan" entre sí, pero al mismo tiempo exhiben extrañas propiedades de masa, consistentes con una condensación de Bose-Einstein . Los nucleones en los núcleos atómicos también exhiben una naturaleza ondulatoria y carecen de propiedades fluidas estándar, como la fricción. En los núcleos formados por hadrones , que son fermiones , no se produce la condensación de Bose-Einstein; sin embargo, muchas propiedades nucleares sólo pueden explicarse de manera similar mediante una combinación de propiedades de las partículas con volumen, además del movimiento sin fricción característico de las partículas ondulatorias. Comportamiento de los objetos atrapados en los orbitales cuánticos de Erwin Schrödinger .
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