Un poquito sobre el núcleo
Abdus Salam, premio Nobel de física en 1979 nos explicaba la siguiente anécdota:
Aún recuerdo aquella escuela de Jhang, población de Pakistán. Nuestro maestro hablaba de la fuerza de la gravedad. Por supuesto, la gravedad era un fuerza bien conocida y el nombre de Newton había llegado hasta un remoto lugar como Jhang. Nuestro maestro nos habló luego del magnetismo y nos mostró un imán. Entonces dijo:
- La electricidad! Ah, esa es una fuerza que no ha llegado a Jhang, sólo está en la capital de esta provincia, Lahore, que queda a cien millas hacia el este.
El maestro tenía razón, pues la electricidad no llegó a Jhang hasta 5 años después. ¿Y la fuerza nuclear?:
- Es una fuerza que sólo se conoce en Europa. No está en la India ni en el Pakistán, de manera que no tenemos que preocuparnos por ella.
Como no quiero que eso suceda en Historias de la Ciencia, vamos a poner la primera piedra.
La palabra átomo significa “sin división” y por lo que sabemos hoy día la palabra no hace referencia a lo que Leucipo y Demócrito quisieron decir en su momento. El concepto de átomo para ellos se acercaría mucho más al concepto de “partícula elemental”.
Todo átomo está compuesto por electrones con carga negativa orbitando alrededor de un núcleo con carga positiva. Dicho núcleo fue descubierto por Ernest Rutherford hace ya unos cuantos años. Las investigaciones desarrolladas por James Chadwick y los Joliot-Curie concluyeron en 1932 que los núcleos están formados por partículas más pequeñas: protones y neutrones. Los protones tienen una carga positiva y los neutrones no tienen carga. Ambas partículas tienen casi la misma masa (un poco más el neutrón) y a ambas los físicos las llaman nucleones.
Cada elemento particular tiene un núcleo con un número fijo de protones y ese número no puede variar. Si lo hace, el elemento cambia (de hecho, ese era el sueño de los alquimistas: lograr cambiar un elemento y convertirlo en oro). Al número de protones de un elemento se le llama “número atómico”. En condiciones de estabilidad el número de los electrones es igual al de protones, de manera que el átomo es eléctricamente neutro.
La masa del protón es aproximadamente 1840 veces la del electrón, por lo que podemos afirmar que la totalidad de la masa del átomo reside en el núcleo. ¿Cómo es de grande un núcleo?. Bueno, el átomo tiene del orden de 1 Angstrom, o sea, 0,00000001 cm y el núcleo es 10.000 veces más pequeño. Para haceros una idea, si la Tierra fuera un átomo, el núcleo tendría un diámetro del orden de un campo de fútbol. Eso es mucho espacio vacío, ¿no?.
Todos los núcleos tienen también neutrones con sólo una excepción: el núcleo de Hidrógeno, que puede constar de un solo protón y ningún neutrón. El número de neutrones sí puede cambiar. El elemento no se entera químicamente de los neutrones pues las características eléctricas no varían.
Veamos algún ejemplo. El Oxígeno tiene un núcleo con 8 protones en su interior, sin embargo, puede tener 8, 9 o 10 neutrones. En estos tres casos es estable. Al poder tener diferente número de neutrones y ser el mismo elemento se les llama “isótopos” del oxígeno. La palabra isótopo la acuñó su descubridor: Frederick Soddy.
Dado que existen isótopos hemos de diferenciarlos y lo hacemos sumando número de protones más número de neutrones (o sea, total de nucleones). Al resultado se le llama número másico. Así podremos hablar del Oxígeno-16 (8 protones y 8 neutrones), Oxígeno-17 (8 protones y 9 neutrones) y Oxígeno-18 (8 protones y 10 neutrones). Al nombrar un elemento ya sabemos el número de protones y al decir el número másico conocemos también el de neutrones (número de neutrones = número másico – número de protones).
No todos los isótopos son estables: por ejemplo, los Oxígenos 14, 15, 19 y 20, en caso de existir se desintegrarían en otros elementos en cuestión de segundos (o menos). Algunos isótopos de otros elementos pueden no ser estables pero tardar billones de años en desintegrarse. Esa información se utiliza para datar descubrimientos; controversias aparte, ¿habéis oído hablar de la prueba del Carbono-14?.
El elemento estable más masivo es el bismuto-209 (83 protones y 126 neutrones). Cualquier elemento de mayor número atómico que el bismuto es inestable. Existen algunos con mayor número atómico cuasi-estables ya que tardan millones de años en desintegrarse. El más famoso es el Uranio-238 con 92 protones y 146 neutrones. No hay elementos de forma natural en la Tierra con mayor número atómico.
No me extiendo más, pero quisiera finalizar con unas reflexiones para mantener el suspense. Los protones tienen carga positiva y los neutrones no tienen carga. ¿No habíamos quedado que cargas iguales se repelen?. Entonces, ¿por qué el núcleo no se desintegra de forma inmediata obligándolo a explotar y desintegrar a todo el Universo? Está claro que el Universo no se ha desintegrado, por tanto, el núcleo parece ser estable. ¿Por qué?. Pues bien, es debido a una nueva forma de interacción: la fuerza nuclear fuerte.
De acuerdo pero, ¿por qué existe la fuerza nuclear fuerte?. Hasta ahora, las otras interacciones conocidas (gravedad y electromagnetismo) tenían acción a distancia infinita. Pero la interacción nuclear fuerte tiene muy corto alcance (el alcance del diámetro del núcleo), ¿por qué?. Para responder esa pregunta os tendré que explicar qué es una fuerza pero lo dejaremos para otras historias.
Espero que con esto, al menos, haya llegado la fuerza nuclear a la escuela de Jhang.
Fuentes:
“Luces en el cielo”, Isaac Asimov
“La unificación de las fuerzas fundamentales”, Abdus Salam
http://www.astromia.com/glosario/atomo.htm
El día 28 de septiembre de 2005 a las 12:52
*Leucipo y Demócrito (…) El concepto de átomo para ellos se acercaría mucho más al concepto de “partícula elemental”.*
Aunque los átomos de Leucipo y Demócrito eran indivisibles como nuestras partículas elementales, sus propiedades y su modo de agruparse explicaban las propiedades de los cuerpos macroscópicos, igual que hacen nuestros átomos “actuales”. O sea, que si bien Leucipo y Demócrito simplificaron un pelín la realidad al identificar los átomos con las partículas elementales, su atomismo era una teoría muy ingeniosa. Lástima que hubiera que esperar a la revolución científica del siglo XVII para que los científicos retomaran sus ideas materialistas.
El día 28 de septiembre de 2005 a las 13:04
Y tanto que su teoría era muy ingeniosa.
Siempre que se explica lo que alguien pensó es bueno plantearse uno mismo qué hubiera pensado en su lugar.
Y la verdad es que cuando me explicaron la existencia de los átomos en BUP se me pusieron los ojos como platos. Lástima que no empecé a entender su filosofía y consecuencias hasta mucho más tarde.
Gracias por el comentario.
El día 18 de octubre de 2005 a las 16:44
Aunque es un post bastante antiguo, no me puedo reprimir a poner un comentario (siempre me ha apasionado la estructura atómica, aunque no llego a entenderla del todo).
¿Qué hay de los quarks? Ellos forman la spartículas elementales de los átomos. Y una incógnita ya bastante conocida: la teoría de supercuerdas, en la cual se apunta a estos elementos como los conformadores de todas las fuerzas existentes, y por lo tanto toda la materia y energía y todo el universo. Hay quien afirma que las supercuerdas pueden darnos la teoría unificadora de la física en particular y de toda la ciencia en general.
Yo, personalmente no lo creo, aunque tampoco tengo muy claro qué son las supercuerdas con sus múltiples dimensiones y oscilaciones.
Un saludo,
Nelor
El día 18 de octubre de 2005 a las 16:54
En un futuro iré poniendo más posts sobre nuclear. Lo de los quarks es algo más complejo porque es una consecuencia de la cantidad de partículas elementales que se han detectado. Pero intentaré introducir el tema poco a poco para, al menos, quien quiera leerlo, pueda tener una idea de qué son.
Y lo de las supercuerdas parece ser que va muy bien, pero todavía tienen que encajar conceptos (creo que daba un espacio de 10 dimensiones) y con ello poder hacer alguna comprobación empírica. Aun así, todavía está en investigación.
Muchas gracias por el comentario.