El núcleo atómico es la pequeña y densa región que consiste en protones y neutrones en el centro de un átomo , descubierto en 1911 por Ernest Rutherford basado en el experimento de la lámina de oro de Geiger-Marsden de 1909. Después del descubrimiento del neutrón en 1932, los modelos para un núcleo compuesto de protones y neutrones fueron desarrollados rápidamente por Dmitri Ivanenko [1] y Werner Heisenberg . [2] [3] [4] [5] [6] Un átomo está compuesto de un núcleo cargado positivamente, con una nube de electrones cargados negativamente que lo rodea, unidos por la fuerza electrostática . Casi toda la masa de un átomo se encuentra en el núcleo, con una contribución muy pequeña de la nube de electrones . Los protones y neutrones están unidos para formar un núcleo por la fuerza nuclear .
El diámetro del núcleo está en el rango de1.70 millas (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 de aproximadamente156 horas (156 × 10 −12 m )) [9] a aproximadamente 60 250 ( el radio atómico del hidrógeno es de aproximadamente52,92 pm ). [a]
La rama de la física que se ocupa del estudio y la comprensión del núcleo atómico, incluida su composición y las fuerzas que lo mantienen unido, se denomina física nuclear .
El núcleo fue descubierto en 1911, como resultado de los esfuerzos de Ernest Rutherford por probar el " modelo de budín de pasas " de Thomson del átomo. [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 de budín de pasas, Thomson sugirió que un átomo consistía en electrones negativos dispersos aleatoriamente dentro de una esfera de carga positiva. Ernest Rutherford ideó más tarde 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 era 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 que parezca neutra. Para su sorpresa, muchas de las partículas se desviaban en ángulos muy grandes. Como 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 partículas alfa masivas y de rápido movimiento. Se dio cuenta de que el modelo del pudín de pasas no podía ser preciso y que las desviaciones de las partículas alfa solo 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 núcleo , un diminutivo de nux ('nuez'), que significa 'el núcleo' (es decir, la 'pequeña nuez') dentro de un tipo acuoso de fruta (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] La adopción del término "núcleo" a la teoría atómica, sin embargo, 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 exterior o capa " . [12] De manera similar, el término kern que significa núcleo se utiliza 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 en asociación mediante 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 los neutrones y los protones contra la fuerza eléctrica repulsiva entre los protones con carga positiva. 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 con carga negativa que orbitan el núcleo muestra una afinidad por ciertas configuraciones y cantidades de electrones que hacen que sus órbitas sean estables. El elemento químico que representa un átomo está determinado por la cantidad de protones en el núcleo; el átomo neutro tendrá una cantidad igual de electrones orbitando 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 se nos presenta como la química de nuestro macromundo.
Los protones definen la carga total de un núcleo y, por lo tanto, su identidad química . Los neutrones son eléctricamente neutros, pero contribuyen a la masa de un núcleo en casi 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 neutrones son fermiones , con diferentes valores del número cuántico isospín 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 como 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 de manera débil en pares, que tienen espín entero.
En el caso poco frecuente de un hipernúcleo , un tercer barión llamado hiperón , que contiene uno o más quarks extraños y/o 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 con un radio de aproximadamente 0,3 fm rodeado por una carga negativa compensatoria con un radio de entre 0,3 fm y 2 fm. El protón tiene una distribución de carga positiva que decae aproximadamente de manera exponencial con un radio cuadrático medio de aproximadamente 0,8 fm. [15]
La forma del núcleo atómico puede ser esférica, con forma de pelota de rugby (deformación prolada), con forma de disco (deformación oblata), triaxial (una combinación de deformación oblata y prolada) o con forma de pera. [16] [17]
Los núcleos están unidos por la interacción 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 se neutraliza en su mayor parte 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 las partes de los átomos internamente (por ejemplo, las fuerzas que mantienen unidos a los electrones en un átomo de gas inerte a su núcleo).
La fuerza nuclear es altamente atractiva a la distancia de separación típica de los nucleones, y esto supera la repulsión entre protones debido a la fuerza electromagnética, permitiendo así que existan núcleos. Sin embargo, la fuerza fuerte residual tiene un rango limitado porque se desintegra rápidamente con la distancia (ver potencial de Yukawa ); por lo tanto, solo los núcleos más pequeños que un cierto tamaño pueden ser completamente estables. El núcleo completamente estable conocido más grande (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 más grandes 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 a la desintegración beta y tiene la vida media más larga hasta la desintegración alfa de todos los isótopos conocidos, estimada en mil millones de veces más larga que la edad del universo.
La fuerza fuerte residual es efectiva en un rango muy corto (usualmente sólo unos pocos femtómetros (fm); aproximadamente uno o dos diámetros de nucleón) y causa 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 rango 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 dineutrones , u otras colecciones de neutrones, orbitan a distancias de aproximadamente10 fm (aproximadamente similar a laRadio de 8 fm del núcleo del uranio-238 ). Estos núcleos no son densos al máximo. Los núcleos de halo se forman en los bordes extremos del diagrama de los 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 de8,8ms .
Los halos representan, en efecto, un estado excitado con nucleones en una capa cuántica externa que tiene niveles de energía no llenos "por debajo" de ella (tanto en términos de radio como de energía). El halo puede estar formado por neutrones [NN, NNN] o protones [PP, PPP]. Entre los núcleos que tienen un solo halo de neutrones se encuentran el 11 Be y el 19 C. Un halo de dos neutrones lo presentan el 6 He, el 11 Li, el 17 B, el 19 B y el 22 C. Los núcleos con halo de dos neutrones se rompen en tres fragmentos, nunca en dos, y se denominan núcleos borromeos debido a este comportamiento (en referencia a un sistema de tres anillos entrelazados en el que la ruptura de cualquiera de ellos libera a los otros dos). Tanto el 8 He como el 14 Be presentan un halo de cuatro neutrones. Los núcleos que tienen un halo de protones incluyen 8 B y 26 P. Un halo de dos protones lo presentan 17 Ne y 27 S. Se espera que los halos de protones sean más raros e inestables que los ejemplos de neutrones, debido a las fuerzas electromagnéticas repulsivas del o los protones del halo.
Aunque se cree ampliamente que el modelo estándar de la física describe por completo la composición y el comportamiento del núcleo, generar predicciones a partir de la teoría es mucho más difícil que en la mayoría de las demás áreas de la física de partículas . Esto se debe a dos razones:
Históricamente, los experimentos se han comparado con modelos relativamente rudimentarios 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 magnitudes básicas que cualquier modelo debe predecir. En el caso de núcleos estables (no núcleos de halo u otros núcleos distorsionados inestables), el radio nuclear es aproximadamente proporcional a la raíz cúbica del número másico ( A ) del núcleo, y en particular en núcleos que contienen muchos nucleones, ya que se disponen en configuraciones más esféricas:
El núcleo estable tiene una densidad aproximadamente constante y, por lo tanto, el radio nuclear R se puede aproximar 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 un tamaño constante (como canicas) en una bolsa esférica o casi esférica apretada (algunos núcleos estables no son del todo esféricos, pero se sabe que son alargados ). [21]
Los modelos de estructura nuclear incluyen:
El modelo de cúmulos describe el núcleo como una colección de grupos de protones y neutrones (por ejemplo, partículas alfa ) de tipo molecular con uno o más neutrones de valencia que ocupan orbitales moleculares. [22] [23] [24] [25]
Los primeros modelos del núcleo consideraban que este era una gota de líquido en rotación. En este modelo, la compensación entre las fuerzas electromagnéticas de largo alcance y las fuerzas nucleares de alcance relativamente corto, en conjunto, causan un comportamiento que se asemeja a las fuerzas de tensión superficial en gotas de líquido de diferentes tamaños. Esta fórmula es exitosa para explicar muchos fenómenos importantes de los núcleos, como sus cantidades cambiantes de energía de enlace a medida que cambia su tamaño y composición (ver fórmula de masa semiempírica ), pero no explica la estabilidad especial que ocurre cuando los núcleos tienen "números mágicos" especiales de protones o neutrones.
Los términos de la fórmula de masa semiempírica, que se puede utilizar para aproximar la energía de enlace de muchos núcleos, se consideran como la suma de cinco tipos de energías (véase más abajo). Entonces, la imagen de un núcleo como una gota de líquido incompresible explica aproximadamente la variación observada de la energía de enlace del núcleo:
Energía volumétrica . Cuando un conjunto de nucleones del mismo tamaño se amontona en un volumen mínimo, cada nucleón interior tiene una cierta cantidad de otros nucleones en contacto con él. Por lo tanto, 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 esto 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 ). 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 se dejan vacantes niveles de energía más bajos para el otro tipo.
Energía de apareamiento . Energía que es un término de corrección que surge de la tendencia a la formación de pares de protones y 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 similares a los orbitales atómicos en la teoría de la física atómica . Estos modelos ondulatorios imaginan que los nucleones son partículas puntuales sin tamaño en pozos de potencial o bien ondas de probabilidad como en el "modelo óptico", que orbitan sin fricción a alta velocidad en pozos de potencial.
En los modelos anteriores, los nucleones pueden ocupar orbitales en pares, debido a que son fermiones, lo que permite explicar los efectos Z y N pares/impares bien conocidos a partir de experimentos. La naturaleza exacta y la capacidad de las capas nucleares difieren de las de los electrones en 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 a los electrones en los átomos. Se puede ver cierta semejanza con los modelos orbitales atómicos en un núcleo atómico pequeño como el del helio-4 , en el que los dos protones y los dos neutrones ocupan por separado orbitales 1s análogos al orbital 1s para los dos electrones en el átomo de helio, y logran una estabilidad inusual por la misma razón. Los núcleos con 5 nucleones son todos extremadamente inestables y de corta vida, 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 desintegrará en helio-3 cuando se aísle. La estabilidad nuclear débil con 2 nucleones {NP} en el orbital 1s se encuentra en el deuterón hidrógeno-2 , con solo un nucleón en cada uno de los pozos de potencial de protón y neutrón. 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 empaquetamiento cerrado dentro de las capas. El litio-6 con 6 nucleones es altamente estable sin un segundo orbital de capa 1p cerrado. Para núcleos ligeros con números totales de nucleones de 1 a 6, solo 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 capa con números mágicos de protones y neutrones.
En el caso de 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 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 inestabilidad inusual de los isótopos que tienen números lejos de ser estables 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, el modelo de capas presenta problemas cuando se intenta explicar las propiedades nucleares que se encuentran muy alejadas de las capas cerradas. Esto ha llevado a complejas distorsiones post hoc de la forma del pozo de potencial para ajustarse a los datos experimentales, pero sigue existiendo la pregunta de si estas manipulaciones matemáticas corresponden realmente a las deformaciones espaciales en los núcleos reales. Los problemas con el modelo de capas han llevado a algunos a proponer efectos de fuerza nuclear realistas de dos y tres cuerpos que involucran cúmulos de nucleones y luego construir el núcleo sobre esta base. Tres de estos modelos de cúmulos son el modelo de estructura de grupo resonante de 1936 de John Wheeler, el modelo de esferón compacto de Linus Pauling y el modelo de Ising 2D de MacGregor. [19]
