Estructura del núcleo atómico

Los núcleos atómicos están formados exclusivamente por protones y neutrones. Genéricamente, estas dos clases de partículas se conocen como nucleones.

• La cantidad de protones presentes en el núcleo se denomina número atómico y se expresa como Z. Este número coincide en el estado neutro del átomo con el de electrones que existen en su corteza.
• La cantidad de neutrones del núcleo se representa por N, y su influencia en el comportamiento del átomo no es comparable a la del número atómico.
• La cantidad total de nucleones del núcleo (protones más neutrones) se denomina número másico y se determina por A. De este modo, A = Z + N.

Los átomos de un mismo elemento que poseen distinto número másico se conocen por isótopos. Todos los elementos conocidos tienen isótopos. Por ejemplo, en el hidrógeno existen tres clases: protio o hidrógeno 1, con un protón en el núcleo; deuterio o hidrógeno 2, en cuyo núcleo coexisten un protón y un neutrón y tritio o hidrógeno 3, con un protón y dos neutrones en el núcleo.

Los átomos que poseen igual número másico, aunque pertenezcan a distintos elementos químicos, se denominan isobaros.

Dimensiones nucleares

Los átomos son entidades infinitamente pequeñas. Sin embargo, están prácticamente vacíos, ya que más del 99% de su masa se concentra en el núcleo, que apenas ocupa la diezmilésima parte del volumen atómico.

Para expresar las dimensiones de los núcleos atómicos, se ha definido una unidad de longitud específica llamada fermi, que equivale al submúltiplo del metro llamado femtómetro, de manera que: 1 fermi = 1 femtómetro = 10¿15 m.

Según datos experimentales, los núcleos atómicos tienen una forma aproximadamente esférica cuyo tamaño exacto depende del número de nucleones que contienen. Por otra parte, su densidad, proporcional al cubo del radio nuclear, es prácticamente constante para el núcleo atómico.

Fuerzas nucleares

Los protones que comparten el espacio de un núcleo atómico ejercen mutuamente entre sí fuerzas de repulsión electrostática. Sin embargo, los núcleos atómicos son entidades muy estables. De ello se concluye que en la escala nuclear deben existir fuerzas que mantengan la cohesión del núcleo distintas de las conocidas en el mundo macroscópico. Estas fuerzas se denominaron interacciones nucleares fuertes.

Hipotéticamente, se estableció que las interacciones nucleares fuertes debían distinguirse por dos características básicas:

• Habrían de tener una gran intensidad para superar con creces los efectos de la repulsión electromagnética entre los protones.
• Su alcance tendría que ser muy reducido, restringiéndose a las distancias nucleares.

El físico japonés Hideki Yukawa (1907-1981) conjeturó que el potencial que originaba la interacción nuclear fuerte, que se conoce por potencial de Yukawa, debía tener la forma siguiente:

siendo k una constante vinculada con la intensidad de la interacción nuclear fuerte y µ otra constante relacionada con su alcance.

Según las hipótesis actuales, la interacción nuclear fuerte procede de la fuerza de cohesión de los quarks necesaria para mantener la integridad de los nucleones. Esta cohesión entre quarks se conoce como fuerza hadrónica.

Energía de enlace

La cohesión entre los nucleones por efecto de la interacción nuclear fuerte es muy intensa. No obstante, cabe concebir la posibilidad de romper la unión entre los nucleones que conforman los núcleos atómicos mediante el aporte de las cantidades suficientes de energía.

Para que se produzca esta circunstancia, la energía suministrada ha de ser mayor que la llamada energía de enlace o de ligadura del núcleo, que mantiene unidos a los nucleones.

Según la equivalencia entre masa y energía que postula la teoría de la relatividad de Einstein, la energía de enlace del núcleo debería ser igual a la suma de las masas de los protones y los neutrones que lo constituyen menos la propia masa del núcleo. Es decir:

donde E_E es la energía de enlace, Z el número atómico, m_p la masa de los protones del núcleo,m_n la masa de sus neutrones y M_A la masa del núcleo.

Aplicando estas consideraciones a los casos reales, se obtiene que la energía de enlace es proporcional al número másico (a excepción de los núcleos ligeros).