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núcleo atómico

Un modelo de un núcleo atómico que lo muestra como un haz compacto de protones (rojo) y neutrones (azul), los dos tipos de nucleones . En este diagrama, los protones y neutrones...

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Un modelo de un núcleo atómico que lo muestra como un haz compacto de protones (rojo) y neutrones (azul), los dos tipos de nucleones . En este diagrama, los protones y neutrones parecen pequeñas bolas pegadas, pero un núcleo real (tal como lo entiende la física nuclear moderna ) no puede explicarse de esta manera, sino solo mediante la mecánica cuántica . En un núcleo que ocupa un cierto nivel de energía (por ejemplo, el estado fundamental ), se puede decir que cada nucleón ocupa un rango de posiciones.

El núcleo atómico es la pequeña y densa región que consta de protones y neutrones en el centro de un átomo , descubierto en 1911 por Ernest Rutherford en la Universidad de Manchester 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, 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 fm  (1,70 × 10 −15  m [ 7 ] ) para el hidrógeno (el diámetro de un solo protón) a 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 27.000 (el radio atómico del uranio es aproximadamente156 pm  (156 × 10 −12  m )) [ 9 ] a unos 60 000 ( el radio atómico del hidrógeno es aproximadamente52.92 pm  ). [ a ]

La rama de la física que se ocupa del estudio y la comprensión del núcleo atómico, incluyendo su composición y las fuerzas que lo mantienen unido, se llama física nuclear .

Historia

El núcleo fue descubierto en 1911, como resultado de los esfuerzos de Ernest Rutherford por probar el " modelo del pudín de pasas " de Thomson del átomo. [ 10 ] El electrón ya había sido descubierto por J.J. Thomson . Sabiendo que los átomos son eléctricamente neutros, J.J. Thomson postuló que también debía haber una carga positiva. En su modelo del pudín 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 lámina delgada de papel de aluminio. Razonó que si el modelo de J.J. Thomson era correcto, las partículas alfa con carga positiva pasarían fácilmente a través del papel de aluminio con muy poca desviación en sus trayectorias, ya que el papel de aluminio debería comportarse como eléctricamente neutro si las cargas negativas y positivas están tan íntimamente mezcladas que lo hacen parecer neutro. Para su sorpresa, muchas de las partículas se desviaron en ángulos muy grandes. Dado que la masa de una partícula alfa es aproximadamente 8000 veces mayor que la de un electrón, se hizo evidente que debía existir una fuerza muy intensa para desviar las partículas alfa, que eran masivas y se movían a gran velocidad. Comprendió 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 y si la masa del átomo era un punto concentrado de carga positiva. Esto justificó la idea de un átomo nuclear con un centro denso de carga positiva y masa.

Etimología

El término núcleo proviene de la palabra latina nucleus , un diminutivo de nux ('nuez'), que significa 'el grano' (es decir, la 'pequeña nuez') dentro de un tipo de fruta acuosa (como un melocotón ). En 1844, Michael Faraday usó 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" en 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 externa " . [ 12 ] De manera similar, el término kern , que significa núcleo, se usa para núcleo en alemán y neerlandés.

Principios

Representación esquemática del átomo de helio -4 con la nube electrónica en tonos grises. En el núcleo, los dos protones y los dos neutrones se representan en rojo y azul. Esta representación muestra las partículas por separado, mientras que en un átomo de helio real, los protones y neutrones forman una distribución esféricamente simétrica , lo que da como resultado un núcleo con simetría esférica.

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 unidas por la fuerza nuclear fuerte en ciertas combinaciones estables de hadrones , llamados bariones . La fuerza nuclear fuerte se extiende lo suficientemente lejos de cada barión como para mantener unidos a los neutrones y protones, contrarrestando la fuerza eléctrica repulsiva entre los protones con carga positiva. La fuerza nuclear fuerte tiene un alcance muy corto y prácticamente se anula justo más allá del borde del núcleo. La acción colectiva del núcleo con carga positiva consiste en 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 el número de protones en el núcleo; el átomo neutro tendrá un número 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 mundo macroscópico.

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 del núcleo en una proporción casi idéntica a la de 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.

Composición y forma

Los protones y neutrones son fermiones , con diferentes valores del número cuántico de 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, dos neutrones o un protón + neutrón (el deuterón) pueden exhibir comportamiento bosónico cuando se unen débilmente 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 altas energías.

La forma del núcleo atómico puede ser esférica, con forma de balón de rugby (deformación prolata), con forma de disco (deformación oblata), triaxial (una combinación de deformación oblata y prolata) o con forma de pera. [ 15 ] [ 16 ]

Efectivo

Los núcleos se mantienen unidos por la fuerza fuerte residual ( fuerza nuclear ). Esta fuerza es un residuo menor de la interacción fuerte , que une los quarks para formar protones y neutrones. Esta fuerza es mucho más débil entre neutrones y protones porque se neutraliza casi por completo dentro de ellos, del mismo modo 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 internas de los átomos (por ejemplo, las fuerzas que mantienen unidos a los electrones de un átomo de gas inerte).

La fuerza nuclear es altamente atractiva a la distancia típica de separación de nucleones, y esta supera la repulsión entre protones debida a la fuerza electromagnética, permitiendo así la existencia de los núcleos. Sin embargo, la fuerza fuerte residual tiene un alcance limitado porque decae rápidamente con la distancia (véase el potencial de Yukawa ); por lo tanto, solo los núcleos menores 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 media cada vez más corta a medida que aumenta el número de nucleones. Sin embargo, el bismuto-209 también es estable a la desintegración beta y tiene la vida media más larga a la desintegración alfa de cualquier isótopo conocido, estimada en mil millones de veces mayor que la edad del universo.

La fuerza fuerte residual es efectiva en un rango muy corto (generalmente solo unos pocos femtómetros (fm); aproximadamente uno o dos diámetros de nucleón) 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.

Núcleos Halo y límites del alcance de la fuerza nuclear

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 dineutrones , u otras colecciones de neutrones, orbitan a distancias de aproximadamente10  fm (aproximadamente similar a la8  fm de radio del núcleo de uranio-238 ). Estos núcleos no son de máxima densidad. Los núcleos de halo se forman en los extremos de la tabla de nucleidos —la línea de goteo de neutrones y la línea de goteo de protones— y todos son inestables con vidas medias cortas, medidas en milisegundos ; por ejemplo, el litio-11 tiene una vida media de8,8  ms .

Los halos representan, en efecto, un estado excitado con nucleones en una capa cuántica externa que tiene niveles de energía vacíos "debajo" de ella (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 halo de un solo neutrón incluyen 11 Be y 19 C. Un halo de dos neutrones se observa en 6 He, 11 Li, 17 B, 19 B y 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 un anillo libera a los otros dos). 8 He y 14 Be presentan un halo de cuatro neutrones. Entre los núcleos que presentan un halo de protones se encuentran el 8B y el 26P . El 17Ne y el 27S 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 de los protones del halo.

Modelos nucleares

Aunque se cree ampliamente que el Modelo Estándar de la 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:

  • En principio, la física dentro de un núcleo puede derivarse completamente de la cromodinámica cuántica (QCD). Sin embargo, en la práctica, los enfoques computacionales y matemáticos actuales para resolver la QCD en sistemas de baja energía, como los núcleos, son extremadamente limitados. Esto se debe a la transición de fase que ocurre entre la materia de quarks de alta energía y la materia hadrónica de baja energía , lo que hace que las técnicas perturbativas sean inutilizables, dificultando la construcción de un modelo preciso derivado de la QCD de las fuerzas entre nucleones . Los enfoques actuales se limitan a modelos fenomenológicos como el potencial v18 de Argonne o la teoría de campo efectiva quiral . [ 17 ]
  • Aunque la fuerza nuclear esté bien definida, se requiere una cantidad considerable de capacidad computacional para calcular con precisión las propiedades de los núcleos ab initio . Los avances en la teoría de muchos cuerpos han hecho esto posible para muchos núcleos de baja masa y relativamente estables, pero se necesitan mejoras adicionales tanto en la capacidad computacional como en los enfoques matemáticos antes de poder abordar los núcleos pesados ​​o los núcleos altamente inestables.

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. [ 18 ]

El radio nuclear ( R ) se considera una de las cantidades básicas que cualquier modelo debe predecir. Para los núcleos estables (no los núcleos de halo u otros núcleos inestables distorsionados), el radio nuclear es aproximadamente proporcional a la raíz cúbica del número másico ( A ) del núcleo, y particularmente en los 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:

R=r0A1/3{\displaystyle R=r_{0}A^{1/3}\,}

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. [ 19 ]

En otras palabras, el empaquetamiento de protones y neutrones en el núcleo da aproximadamente el mismo resultado de tamaño total que el empaquetamiento de esferas duras de tamaño constante (como canicas) en una bolsa esférica o casi esférica ajustada (algunos núcleos estables no son completamente esféricos, pero se sabe que son prolados ). [ 20 ]

Los modelos de estructura nuclear incluyen:

Modelo de clúster

El modelo de clúster describe el núcleo como una colección similar a una molécula de grupos de protones y neutrones (por ejemplo, partículas alfa ) con uno o más neutrones de valencia que ocupan orbitales moleculares. [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]

Modelo de gota líquida

Los primeros modelos del núcleo lo consideraban como una gota líquida en rotación. En este modelo, la compensación entre las fuerzas electromagnéticas de largo alcance y las fuerzas nucleares de alcance relativamente corto, en conjunto, provocan un comportamiento similar a las fuerzas de tensión superficial en gotas líquidas de distintos tamaños. Esta fórmula explica con éxito muchos fenómenos importantes de los núcleos, como la variación de su energía de enlace en función de su tamaño y composición (véase la fórmula de masa semiempírica ), pero no explica la estabilidad especial que se produce cuando los núcleos poseen un número determinado de protones o neutrones.

Los términos de la fórmula de masa semiempírica, que puede utilizarse 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 agrupa en el menor volumen posible, cada nucleón interior tiene en contacto con un cierto número de otros nucleones. 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, por lo que su energía de enlace es menor. Este término de energía superficial tiene en cuenta este hecho 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 asimétrica (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 la materia nuclear tendría el mismo número de neutrones que de protones, ya que un número desigual de neutrones y protones implica que se llenan niveles de energía superiores para un tipo de partícula, mientras que los niveles de energía inferiores quedan vacíos para el otro tipo.

Energía de apareamiento . 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.

Modelos de capa y otros modelos cuánticos

También se han propuesto varios modelos para el núcleo en los que los nucleones ocupan orbitales, muy similares a los orbitales atómicos de la física atómica . Estos modelos ondulatorios conciben los nucleones como partículas puntuales sin tamaño en pozos de potencial, o bien como 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 y capacidad exactas 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 a los electrones en los átomos. Se puede observar cierta semejanza con los modelos de 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 alcanzan una estabilidad inusual por la misma razón. Los núcleos con 5 nucleones son 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 desintegra en helio-3 cuando se aísla. 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 compacto 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 los núcleos ligeros fuera de las 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.

Para núcleos más grandes, las capas ocupadas por nucleones comienzan a diferir significativamente de las capas electrónicas, pero, no obstante, la teoría nuclear actual predice los números mágicos de capas nucleares completas tanto para protones como para neutrones. El cierre de las capas estables predice configuraciones inusualmente estables, análogas al grupo 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 al cierre de la capa explica la inestabilidad inusual de los isótopos que tienen números de estas partículas muy alejados de la estabilidad, 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 explicar las propiedades nucleares lejos de las capas cerradas. Esto ha llevado a complejas distorsiones a posteriori de la forma del pozo de potencial para ajustarse a los datos experimentales, pero persiste la duda 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 realistas de fuerzas nucleares de dos y tres cuerpos que involucran cúmulos de nucleones y, a partir de ahí, construir el núcleo. Tres de estos modelos de cúmulos son el modelo de estructura de grupo resonante de John Wheeler de 1936, el modelo de esferones compactos de Linus Pauling y el modelo de Ising 2D de MacGregor. [ 18 ]

Véase también

Notas

  1. ↑ 26.634 se deriva de2 x156  pm /11,7142  fm ; 60.250 deriva de2 x52.92  pm /1,7166  fm .

Referencias

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