Las reacciones nucleares

La estructura del núcleo atómico

Desde que en 1932, James Chadwick propuso la existencia del neutrón, el modelo de átomo posee una estructura básica en su núcleo, formado por neutrones y protones. Ambas partículas nucleares o nucleones tienen prácticamente la misma masa, que resulta casi 2000 veces mayor a la de un electrón. Por tal motivo, la distribución de la masa atómica es despareja ya que la mayor parte se encuentra concentrada en el núcleo.

Por otra parte, bombardeando con neutrones diferentes núcleos se pudo deducir el diámetro de cada uno de ellos. Así el más pequeño, el del hidrógeno, que está formado por un único protón, tiene un radio de aproximadamente 10-15 m; y el núcleo más grande, el del uranio, que posee 92 protones, tiene un radio 7 veces mayor.

Los átomos, mejor dicho, el radio atómico es unas 10000 veces mayor que el nuclear. Así, si el núcleo tuviera el tamaño de una pelotita de ping-pong, el diámetro de la nube de electrones sería de un kilómetro.

Recuerden que cada uno de los elementos químicos se corresponde con un número definido de protones o número atómico, llamado Z.

Elemento	Cantidad de protones	Número atómico Z
Hidrógeno	1	1
Helio	2	2
Litio	3	3
Hierro	26	26
Uranio	92	92

Existen átomos que coinciden en el mismo número de protones pero difieren en la cantidad de neutrones, se denominan isótopos. La mayoría de los núcleos tiene varios isótopos, pero siempre hay un isótopo que es mucho más abundante en la naturaleza que los demás.

Por ejemplo existen naturalmente núcleos de nitrógeno de masa 14 y otros de masa 15, ambos tienen 7 protones pero el primero tiene 7 neutrones y el segundo 8. Estos dos nitrógenos son químicamente iguales pero sus núcleos no y algunas de sus propiedades físicas cambian, por ejemplo a igual presión y temperatura, un litro de nitrógeno 14 pesa 6,6 % menos que un litro de nitrógeno 15.

Para referirse a un núcleo determinado, se acostumbra emplear el símbolo químico del elemento correspondiente y colocar a su izquierda dos cantidades: arriba su número de masa A (número de protones + neutrones), y debajo su número atómico Z (número de protones). El número de neutrones es la diferencia entre A – Z.

La fuerza nuclear fuerte

Una de las cuatro fuerzas conocidas de la naturaleza es la fuerza nuclear fuerte.

La fuerza nuclear fuerte es una de las cuatro fuerzas que el modelo estándar actual de la Física establece para explicar las interacciones entre las partículas conocidas.

Dentro del núcleo atómico, los protones tienen carga eléctrica positiva. Se sabe que cargas eléctricas de mismo signo, se repelen mutuamente. Si sólo existiera la fuerza electromagnética, los protones se dispersarían y el núcleo no podría existir.

La fuerza nuclear fuerte es la que mantiene unidos a los protones en el núcleo, a pesar de la fuerza de repulsión eléctrica.  La fuerza nuclear es un centenar de veces más intensa que la fuerza electromagnética y gracias a ella los nucleones (protones y neutrones) permanecen unidos.

Los neutrones no poseen carga eléctrica, pero están sometidos a la fuerza nuclear fuerte.

Contrariamente a las fuerzas de gravedad y electromagnética que tienen un alcance infinito, la fuerza nuclear fuerte es de muy corto alcance: su radio de acción es menor que una billonésima de milímetro,  10-13mm, ligeramente menor que el tamaño del núcleo. Como su alcance es menor que el radio del núcleo, no interactúa con otros núcleos cercanos. Si no fuera así, todos los núcleos del universo se habrían colapsado para formar un gran conglomerado de masa nuclear.

Si un núcleo atómico es bombardeado con un haz de neutrones, gana neutrones adicionales y se hace más grande. Llega un momento en que la fuerza nuclear fuerte no tiene el alcance suficiente para mantener al núcleo unido. Como resultado, el núcleo se parte en dos, generando una gran cantidad de energía.

La fuerza nuclear define la relación entre la cantidad de protones y neutrones que tiene un núcleo. Si el núcleo es pequeño, los nucleones están en contacto entre sí y la fuerza nuclear actúa entre todos ellos, debido a esto el núcleo es estable. Incluso, núcleos pequeños pueden unirse entre sí y formar estructuras aun más estables, porque la fuerza nuclear es suficiente para mantener unidos a los nucleones vecinos.

En cambio, si un núcleo es grande, muchos de sus nucleones, los que forman la superficie del núcleo, tienen pocos vecinos y están ligados menos fuertemente. Pero la fuerza eléctrica de repulsión entre protones se hace sentir aun entre protones distanciados. Esto hace que un núcleo grande resulte más estable si tiene más neutrones que protones, porque de esta manera agregan atracción entre sus partículas sin agregar repulsión eléctrica. De todas maneras, a medida que el número de nucleones aumenta, la fuerza nuclear fuerte se hace progresivamente menos efectiva para mantener ligado al núcleo. Es por esto que muchos núcleos grandes, de muchos neutrones y protones, tienden a desarmarse en partes y no existen en la naturaleza núcleos de más de 238 nucleones.