El núcleo atómico

Los primeros conocimientos sobre el núcleo atómico se los debemos a Ernest Rutherford que propuso el primer modelo atómico nuclear en 1911.

Experimento de Rutherford:

El experimento consistía en bombardear una fina lámina de oro con partículas alfa. Para observar el resultado de dicho bombardeo, alrededor de la lámina de oro colocó una pantalla fluorescente.

Estudiando los impactos sobre la pantalla fluorescente observó que:

 

la mayoría de las partículas alfa atravesaban la lámina sin sufrir desviación;

 

algunas se desviaban;

 

y muy pocas rebotaban.

 Y lo explica del siguiente modo:

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La mayoría de las partículas alfa atravesaba la lámina sin desviarse, porque igual que en caso de la reja, la mayor parte del espacio de un átomo es espacio vacío.

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Algunas se desviaban, porque pasan muy cerca de centros con carga eléctrica del mismo tipo que las partículas alfa (CARGA POSITIVA).

rutexplic3b.jpg (3663 bytes)

Muy pocos rebotaban, porque chocan frontalmente contra esos centros de carga positiva.

 

El modelo del átomo de Rutherford se parecía a un sistema solar en miniatura, con los protones en el núcleo y los electrones girando alrededor.

A continuación tienes un applet en el que se simula el experimento de rutherford.

 

 

El applet anterior pertenece al curso de Física de Ángel Franco cuya dirección es
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/default.htm

 

EL NÚCLEO ATÓMICO

Es una pequeña región central del átomo donde se encuentran distribuidos los neutrones y protones, partículas fundamentales del núcleo, que reciben el nombre de nucleones.

La estabilidad del núcleo no puede explicarse por su acción eléctrica. Al contrario, la repulsión existente entre los protones produciría su desintegración. El hecho de que en el núcleo existan protones y neutrones es un indicador de que debe existir otra interacción más fuerte que la electromagnética que no está directamente relacionada con cargas eléctricas y que es mucho más intensa. Esta interacción se llama interacción nuclear fuerte y es la que predomina en el núcleo.

Para explicar la naturaleza de las fuerzas nucleares que mantienen unidas a las partículas dentro de los núcleos, es necesario analizar sus propiedades. En general, un núcleo tiene masa y está cargado eléctricamente. Además, tiene un tamaño que se puede medir por su radio. Los nucleones se mueven bajo la acción de sus interacciones mutuas y la intensidad de sus interacciones se puede medir por su energía de enlace o energía de ligadura nuclear.

 

A) NÚMERO MÁSICO. CLASIFICACIÓN DE LOS NUCLEIDOS O NÚCLIDOS

Igual que todos los átomos que tienen el mismo número atómico, pertenecen al mismo elemento químico, todos los núcleos que tienen igual número de protones e igual número de neutrones, pertenecen al mismo nucleido o núclido.

Un núcleo está constituido por un número de neutrones y un número de protones cuya suma recibe el nombre de número másico y se representa por A.

A = N + Z

Notación:      AzX

A = número másico

N = número de neutrones

Z = número de protones

Los distintos núclidos del mismo elemento químico se llaman isótopos.

·        Isótopos:  son núcleos con igual número de protones, pero distinto número de neutrones, y por tanto distinto número másico.

Para referirse a un determinado isótopo, se escribe así: AZX. Aquí X es el símbolo químico del elemento, Z es el número atómico, y A es el número de neutrones + protones, llamado  número másico. Por ejemplo, el hidrógeno ordinario se escribe 11H, el deuterio es 21H, y el tritio es 31H.

        

protio (es un protón) 11H deuterio 21H tritio 31H

ESTABILIDAD NUCLEAR

Un núcleo se considera estable si no se transmuta espontáneamente en 1021años, si bien puede transmutarse en otros núcleos bajo ciertas condiciones.

Hay 115 elementos químicos conocidos, de los cuales, 92 existen en la naturaleza y el resto han sido obtenido artificialmente. Se conocen hoy en día unos 2000 núclidos, de los cuales son estables 274. Unos 340 existen en la Naturaleza y el resto se han producido en el laboratorio. Por tanto, la mayoría de los núclidos son radiactivos.

Los núclidos radiactivos son inestables y se transforman espontáneamente con el tiempo formando otros núclidos.

B) CARGA Y TAMAÑO DEL NÚCLEO

La carga del núcleo determina su posición en el sistema periódico. Rutherford demostró que la mayor parte de la masa del átomo y su carga positiva están localizados en una pequeña región central del átomo que llamó núcleo, cuyo radio estimó del orden de 10-14m a través del estudio de dispersión de partículas alfa al incidir en núcleos de átomos metálicos. 

El radio nuclear ha sido calculado posteriormente, siendo del orden de 10-15m., y resultando ser proporcional al número másico A:

R = ro.A1/3

roes un valor constante para todos los núcleos y es igual a 1'3.10-15m.

Por tanto, el volumen de un núcleo si se considera su forma esférica, es proporcional al número A de nucleones, y la densidad nuclear es un valor constante, 1015 veces mayor que la densidad de la materia macroscópica, lo que da una idea de la gran compacidad de los nucleones dentro de un núcleo. Así mismo, demuestra que la materia macroscópica está esencialmente vacía, ya que la mayor parte de la masa está concentrada en los núcleos.

C) ENERGÍA DE ENLACE NUCLEAR

Se define como la energía necesaria para separar los nucleones de un núcleo, o bien como la energía que se libera cuando se unen los nucleones para formar el núcleo.

El origen de la energía de ligadura o de enlace nuclear reside en la desaparición de una parte de la masa de los nucleones que se combinan para formar el núcleo. Esta diferencia de masa recibe el nombre de defecto másico Dm, y se transforma en energía cuyo cálculo se puede realizar por la ecuación de Einstein, E=m c2

Si a la suma de las masas de los nucleones y electrones de un átomo le restamos la masa medida experimentalmente a través del espectrógrafo de masas, obtenemos el defecto másico, y podemos calcular la energía total de enlace. La energía de enlace o de ligadura será equivalente a la energía liberada en la formación de un núcleo.

La u.m.a. se define como la doceava parte de la masa del átomo 612C y 1 u.m.a.=1'66.10-27Kg, sustituyendo en la ecuación de Einstein, E=m c2,se obtiene E = 931 MeV, es decir, 1 u.m.a. libera 931 MeV. Por tanto, la energía liberada (Ee) en la formación de un núcleo será:

Ee =
Dm × 931 MeV.

Ahora bien, es más interesante calcular la energía de enlace por nucleón (Ee/A) y representarla frente al número másico A. La energía de enlace por nucleón se obtiene dividiendo la energía de enlace del núcleo por sus A nucleones. 

Si bien en los núcleos livianos se observa un aumento abrupto de la energía de enlace por nucleón frente al número másico A, a partir de A=10, la energía de enlace por nucleón es prácticamente constante.

El máximo corresponde a núcleos semipesados con A=62 (Fe, Co, Ni), donde las fuerzas de atracción serán máximas. El decrecimiento de la energía para A>60 se debe a la repulsión eléctrica entre los protones cuyo número va aumentando y reduce por tanto la estabilidad de los núcleos. En los núcleos ligeros, cada nucleón es atraído por pocos nucleones, lo que también reduce su estabilidad.

 

D) CARACTERÍSTICAS DE LAS FUERZAS NUCLEARES

·        Las fuerzas nucleares son fuerzas atractivas de gran intensidad dado el tamaño de los núcleos y su enorme densidad, que predominan en el núcleo venciendo la repulsión electrostática entre los protones.

·        Son de corto alcance, es decir, cada nucleón interacciona con los nucleones más próximos, si bien a distancias muy cortas, las fuerzas nucleares se hacen repulsivas lo que explica que los nucleones permanezcan a distancias medias constantes y que el volumen por nucleón sea constante.

·        La fuerza de interacción entre dos nucleones es independiente de la carga, por lo que la fuerza entre dos nucleones, bien sean protón-protón, neutrón-neutrón o protón-neutrón, es aproximadamente la misma.