El problema de la estructura nuclear

Experientia docet El núcleo Artículo 21 de 23

Foto: Aron Visuals / Unsplash

El descubrimiento de la radiactividad y de la existencia de los isótopos fueron avances extraordinarios. Y, como es habitual, también plantearon nuevas preguntas sobre la estructura última de los átomos, cuestiones que involucraban al núcleo atómico.

Las reglas de desplazamiento radiactivo podían entenderse en términos del modelo del átomo de Rutherford-Bohr-Sommerfeld. Pero ese modelo ampliado lo único que decía del núcleo era que es pequeño, que tiene carga y masa, y que puede emitir partículas alfa o beta. De aquí había que deducir necesariamente que el núcleo tiene una estructura que cambia cuando ocurre un proceso radiactivo. La pregunta es inmediata: ¿Se puede desarrollar un modelo del núcleo atómico que explique los hechos de la radiactividad y la existencia de isótopos? [1]

El problema de la estructura nuclear se puede plantear como dos preguntas:

(1) ¿Cuáles son las piezas básicas (partículas) de las que está hecho el núcleo?
(2) ¿Cómo se unen estas piezas para formar el núcleo?

El intento de resolver el problema de la estructura nuclear, aunque sigue siendo una actividad de frontera en la física actual, ya ha dado lugar a muchos descubrimientos básicos y a aplicaciones prácticas a gran escala. También ha tenido importantes consecuencias económicas, sociales y políticas, que se extienden mucho más allá de la ciencia básica.

La emisión de partículas alfa y beta por los núcleos radiactivos sugería que se podría construir un modelo del núcleo comenzando con estas partículas alfa y beta como piezas básicas. Un modelo de este tipo facilitaría ver, por ejemplo, cómo se pueden emitir varias partículas, en sucesión, en una serie radioactiva. Pero no va a ser tan fácil. No todos los núcleos son radiactivos, ni todos los núcleos tienen masas que sean múltiplos de la masa de la partícula alfa. Por ejemplo, el núcleo de un átomo del elemento más ligero, el hidrógeno, con una masa atómica de una unidad (dos unidades en el caso del isótopo pesado), es demasiado ligero para contener una partícula alfa; también lo es el isótopo ligero del helio, el helio-3.

Una partícula cargada positivamente con una masa unidad parece de entrada algo mucho más racional como pieza básica. De hecho, existe una partícula así: el núcleo del isótopo más común del hidrógeno, el hidrógeno-1. A esta partícula la conocemos como protón. En el modelo de estructura atómica de Rutherford-Bohr-Sommerfeld el átomo de hidrógeno consiste en un protón con un solo electrón girando a su alrededor. Es un resultado experimental el que las masas atómicas de los nucleidos están muy cerca de números naturales; de aquí que los nucleidos se escriban usando números naturales para la masa atómica, A. Este hecho, junto con las propiedades del protón (por ejemplo, su carga positiva única) hizo que pareciera posible plantear que todos los núcleos atómicos estén compuestos de protones. ¿Podría un núcleo de masa A consistir en un número A de protones?

Notas:

[1] La respuesta a esta pregunta constituye toda una rama del conocimiento conocida como física nuclear.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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