Núcleo atómico
Representación aproximada del átomo de Helio Helio.. en el núcleo los protones están representados en rojo y lo sneutrones en azul. En la realidad el núcleo también es simétricamente esférico.
El núcleo atómico es la parte central de un átomo átomo,, tiene carga positiva, y concentra más del 99.99% de la masa total del átomo. Está formado por protones por protones y neutrones (denominados nucleones) que se mantienen unidos por medio de la interacción nuclear fuerte, fuerte, la cual permite que el núcleo sea estable, a pesar de que los protones se repelen entre sí (como los polos iguales de dos imanes imanes)). La cantidad de protones en el núcleo determina el elemento químico al que pertenece. Los núcleos atómicos con el mismo número de protones protones,, pero distinto número de neutrones neutrones,, se denominan isótopos isótopos;; por esta razón, átomos de un mismo elemento pueden tener tener masas masas diferentes. La existencia del núcleo atómico fue deducida del experimento de Rutherford, Rutherford, donde se bombardeó una lámina fina de oro con partículas alfa, alfa, que son núcleos atómicos de helio emitidos por rocas radiactivas. La mayoría de esas partículas traspasaban la lámina, pero algunas rebotaban, lo cual demostró la existencia de un minúsculo núcleo atómico.
Historia El descubrimiento de los electrones fue la primera indicación de la estructura interna de los átomos átomos.. A comienzos del siglo XX el modelo aceptado del átomo era el de JJ Thomson Thomson''s "pudín de pasas" modelo en el cual el átomo era una gran bola de carga positiva con c on los pequeños electrones cargados negativamente incrustado dentro de la misma. Por aquel entonces, los físicos habían descubierto
también tres tipos de radiaciones procedentes de los átomos : alfa alfa,, beta y radiación gamma gamma.. Los experimentos de 1911 realizados por Lise por Lise Meitner y Meitner y Otto Hahn, Hahn, y por James por James Chadwicken Chadwick en 1914 mostraron que el espectro de decaimiento beta es conti nuo y no discreto. Es decir, los electrones son expulsados del átomo con una gama de energías, en vez de las cantidades discretas de energía que se observa en rayos r ayos gamma y decaimiento alfa. Esto parecía indicar que la energía no se conservaba en estos decaimiento. Posteriormente se descubrió que la energía sí se conserva, con el descubrimiento de los neutrinos neutrinos.. En 1906 Ernest Rutherford publicó "El retraso de la partícula alfa del radio cuando atraviesa la materia", en Philosophical Magazine (12, p. 134-46). Hans Geiger amplió Geiger amplió este trabajo en una comunicación a la Royal Society (Proc. Roy. Soc. 17 de julio de 1908) con experimentos y Rutherford se había hecho pasar aire a través de las partículas α, papel de aluminio y papel de aluminio dorado. Geiger
y Marsden publicaron trabajos adicionales en 1909 (Proc. Roy. Soc. A82 p. 495-500) y ampliaron aún más el trabajo en la publicación de 1910 por Geiger (Proc. Roy. Soc. Febrero 1, 1 910). En 1911 1911--2 Rutherford explicó ante la Royal Society los experimentos y propuso la n ueva teoría del núcleo atómico. Por esas mismas fechas (1909 1909)) Ernest Rutherford realizó un experimento en el que H ans Geiger y Ernest Marsden, bajo su supervisión dispararon partículas alfa (núcle os de helio) en una delgada lámina de oro. El modelo atómico de Thomson predecía que la de las partículas alfa debían salir de la lámina con pequeñas desviaciones de sus trayectorias están. Sin embargo, desc ubrió que algunas partículas se dispersan a grandes ángulos, e incluso completamente hacia atrás en algunos casos. Este descubrimiento en 1911 1911,, llevó al modelo atómico de Rutherford, Rutherford , en que el átomo está constituido por protones y electrones. Así, el átomo del nitrógeno-14 estaría constituido por 14 protones y 7 electrones. El modelo de Rutherford funcionó bastante bien hasta que los estudios llevadas a cabo por Franco por Franco Rasetti,, en el Institute of Technology de California en 1929 Rasetti 1929.. En 1925 se sabía que los protones y electrones tiene un espín de 1 / 2, y en el modelo de Rutherford nitrógeno - 14 los 14 protones y seis de los electrones deberían cancelar sus contribuciones al espín total, estimándose un espín total de 1 / 2. Rasetti descubierto, sin embargo, que el nitrógeno - 14 tiene un espín total unidad. En 1930 Wolfgang Pauli no pudo asistir a una reunión en Tubinga Tubinga,, y en su lugar envió una carta famoso con la clásica introducción "Queridos Señoras y señores radiactivos ". En su carta Pauli sugirió que tal vez existía una tercera partícula en el núcleo, que la bautizó con el nombre de "neutrones neutrones"". Sugirió que era más ligero que un electrón y sin carga eléctrica, y que no interactuaba fácilmente con la materia (y por eso todavía no se le había detectado). Esta hipótesis permitía resolver tanto el problema de la conservación de la energía en la desintegración beta y el espín de nitrógeno - 14, la primera porque los neutrones llevaban la energía no detectada y el segundo porque un electrón extra se acoplaba con el electrón sobrante en el núcleo de nitrógeno - 14 para proporcionar un espín de 1. Enrico
Fermi redenominó en 1931 los neutrones de Pauli como neutrinos (en italiano pequeño neutral) y unos treinta años después se demostró finalmente que un neutrinos realmente se emiten en el decaimiento beta. En 1932 James Chadwick se dio cuenta de que la radiación que de que había sido observado por Walther Bothe, Herbert L. Becker , Irène y Jean Frédéric Joliot-Curie era en realidad debido a una partículas que él llamó el neutrón. En el mismo año Dimitri Ivanenko sugirió que los neutrones eran, de hecho partículas de espín 1 / 2, que existían en el núcleo y que no existen electrones en el mismo, y Francis Perrin sugirió que los neutrinos son partículas nucleares, que se crean durante el decaimiento beta. Fermi publicó 1934 una teoría de los neutrinos con una sólida base teórica. En el mismo año Hideki Yukawa propuso la primera teoría importante de la fuerza para explicar la forma en que el núcleo mantiene junto.
Descripción del núcleo Forma y tamaño del núcleo
Los núcleos atómicos son mucho más pequeños que el tamaño típico de un átomo (entre 10 mil y 100 mil veces más pequeños). Además contienen más del 99% de la masa c on lo cual la densidad másica del núcleo es muy elevada. Los núcleos atómicos tienen algún tipo de estructura interna, por ejemplo los neutrones y protones parecen estar orbitando unos alrededor de los otros, hecho que se manifiesta en la existencia del momento magnético nuclear . Sin embargo, los experimentos revelan que el núcleo se parece mucho a una esfera o elipsoide compacto de 10 -15 m (= 1 fm), en el que la densidad parece prácticamente constante. Naturalmente el radio varía según el número de protones y neutrones, siendo los núcleos más pesados y con más partículas algo más grandes. La siguiente fórmula da el radio del núcleo en función del número de nucleones A:
Donde
Densidad de carga eléctrica en el núcleo atómico.
La densidad de carga eléctrica del núcleo es aproximadamente constante hasta la distancia decae rápidamente hasta prácticamente 0 en una distancia
y luego
de acuerdo con la fórmula:
Donde r es la distancia radial al centro del núcleo atómico. Las aproximaciones anteriores son mejores para núcleos esféricos, aunque la mayoría de núcleos no parecen ser esféricos como revela que pos ean momento cuadrupular diferente de cero. Este momento cuadrupolar se manifiesta en la estructura hiperfina de lo sespectros atómicos y hace que el campo eléctrico del núcleo no sea un campo coulombiano con simetría esférica. Estabilidad del núcleo
Los núcleos atómicos se comportan como partículas compuestas a energías suficientemente bajas. Además, la mayoría de núcleos atómicos por debajo de un cierto peso atómico y que además presentan un equilibrio entre el número de neutrones y el número de protones (número atómico) son estables. Sin embargo, sabemos que los neutrones aislados y los núcleos con demasiados neutrones (o demasiados protones) son inestables. La explicación de esta estabilidad de los núcleos reside en la existencia de los piones. Aisladamente los neutrones pueden sufrir vía interacción débil la siguiente desintegración: (1) Sin embargo, dentro del núcleo atómico la cercanía entre neutrones y protones hace que sean mucho más rápidas, vía interacción fuerte las reacciones:
(2) Esto hace que continuamente los neutrones del núcleo se transformen en protones, y algunos protones en neutrones, esto hace que la reacción (1) apenas tenga tiempo de acontecer, lo que explica que los neutrones de los núcleos atómicos sean mucho más estable que los neutrones aislados. Si el número de protones y neutrones se des equilibra, se abre la posibilidad de que en cada momento haya más neutrones y sea más fácil la ocurrencia de la reacción (1).
Modelos de estructura del núcleo atómico Artículo principal: estructura
nuclear
Estructura interna del átomo.
En 1808 el químico inglés John Dalton propone una nueva teoría sobre la constitución de la materia. Según Dalton toda la materia está formada por átomos indivisibles e invisibles, estos a su vez se unen para formar compuestos en proporciones enteras fijas y constantes. De hecho Dalton propuso la existencia de los átomos como una hipótesis para explicar porqué los átomos sólo se combinaban en ciertas combinaciones concretas. El estudio de esas combinaciones le llevó a poder c alcular los pesos atómicos. Para Dalton la existencia del núcleo atómico era desconocida y se consideraba que no existían partes más pequeñas. En 1897 Joseph John Thomson fue el primero en proponer un modelo estructural interno del átomo. Thomson fue el primero en identificar el electrón como partícula subatómica de carga negativa y concluyó que «si los átomos contienen partículas negativas y la materia se presenta con neutralidad de carga, entonces deben existir partículas positivas». Es así como Thomson postuló que el átomo debe
ser una esfera compacta positiva en la c ual se encontrarían incrustados los electrones en distintos lugares, de manera que la cantidad de car ga negativa sea igual a la carga positiva. Así ni el modelo atómico de Dalton ni el de Thomson incluían ninguna descripción del núcleo atómico. La noción de núcleo atómico surgió en 1911 cuando Ernest Rutherford y sus colaboradores Hans Geiger y Ernest Marsden, utilizando un haz de radiación alfa, bombardearon hojas laminadas metálicas muy delgadas, colocando una pantalla de sulfuro de zinc a su alrededor, sustancia que tenía la cualidad de producir destellos con el choque de las partículas alfa incidentes. La hoja metálica fue atravesada por la mayoría de las partículas alfa incidentes; algunas de ellas siguieron en línea recta, otras fueron desviadas de su camino, y lo más sor prendente, muy pocas rebotaron contra la lámina. A la luz de la fórmula dispersión usada por Rutherford:
(1) Donde: , siendo ε0 la constante dieléctrica del vacío y
, es la carga eléctrica
del centro dispersor. , es la energía cinética inicial de la partícula alfa incidente. es el parámetro de impacto. Los resultados del experimento requerían parámetros de impacto muy pequeños, y por tanto que el núcleo estuviera concentrado en la parte central, el núcleo de carga positiva, donde estaria concentrada la masa del átomo. con ello explicaba la desviación de las partículas alfa (partículas de carga positiva). Los electrones se encontrarían en una estructura externa girando en órbitas circulares muy alejadas del núcleo, lo que explicaría el paso mayoritario de las partículas alfa a través de la lámina de oro. En 1913 Niels Bohr postula que los electrones giran a grandes velocidades alrededor del núcleo atómico. Los electrones se disponen en diversas órbitas circulares, las cuales determinan diferentes niveles de energía. El electrón puede acceder a un nivel de energía superior, para lo cual necesita "absorber" energía. Para volver a su nivel de energía original es necesario que el electrón emita la energía absorbida (por ejemplo en forma de radiación). Comúnmente existen dos modelos diferentes describir el núcleo atómico:
El modelo de la gota de agua
El modelo de capas
Aunque dichos modelos son mútuamente excluyentes en sus hipótesis básicas tal como fueron formulados originalmente, A. Bohr y Mottelson construyeron un modelo mixto que combinaba fenomenológicamente características de ambos modelos. Modelo de la gota líquida
Energía de enlace por nucleón (= B/ A) para los isótopos conocidos.
Este modelo no pretende describir la compleja estructura interna del núcleo sino sólo las energías de enlace entre neutrones y protones así c omo algunos aspectos de los estados excitados de un núcleo atómico que se reflejan en los espectros nucleares. Fue inicialmente propuesto por Bohr (1935) y el núcleo en analogía con una masa de fluido clásico compuesto por neutrones y protones y una fuerza central columbiana repulsiva proporcional al número de protones Z y con origen en el centro de la gota. Desde el punto de vista cuantitativo se observa que la masa de un núcleo atómico es inferior a la masa de los componentes indiviudales (protones y neutrones) que lo forman. Esta no conservación de la masa está conectada con la ecuación E = mc2 de Einstein, por la cual parte de la masa está en forma de energía de ligazón entre dichos componentes. Cuantiativamente se tiene la siguiente ecuación : 1
Donde: son respectivamente la masa del núcleo, la masa de un protón y la masa de un neutrón. son respectivamente el número atómico (que coincide con el número de protones), el número másico (que coincide con el número de nucleones) y A-Z por tanto coincide con el número de neturones. es la energía de enlace entre todos los nucleones.
El modelo de la gota de agua pretende describir la energía de enlace B a partir de consideraciones geométricas e interpreta la energía de los estados excitados de los núcleos como rotaciones o vibraciones semiclásicas de la "gota de agua" que representa el núcleo. En concreto en este modelo la energía de enlace se representa c omo B:2
Donde: este término representa el efecto favorable del volumen. este término representa el efecto desfavorable de la s uperficie. representa el efecto de la repulsión coulombiana entre protones. representa el hecho de que los núcleos "equilibrados" con un número similar de protones y neutrones son más es tables. representa el hecho de que los núcleos con un número par de protones y neutrones, son más estables que los que tienen un número impar de ambas especies. Matemáticamente el término viene dado por:
Modelo de capas Este es un modelo que trata de c apturar parte de la estructura interna reflejada tanto en el momento angular del núcleo, como en su momento angular. Además el modelo pretende explicar porqué los núcleos con un "número mágico" de nucleones (neutrones y protones) resultan más estables (los números mágicos son 2, 8, 20, 28, 50, 82 y 126). La explicación del modelo es que los nucleones se agrupan en "capas". Cada capa está f ormada por un conjunto de estados cuánticos con energías s imilares, la diferencia de energía entre dos capa es grande comparada con las variaciones de energía dentro de cada capa. Así dado que los nucleones son fermiones un núcleo atómico tendrá las capas de menor energía llena por lo que los nucleones no pueden caer a capas inferiores ya llenas. Las capas aquí deben entenderse en un sentido abstracto y no como capas físicas como las capas de una cebolla, de hecho la forma geométrica del espacio ocupado por un nucleón en un determinado estado de una capa se interpenetra con el espacio ocupado por nucleones de otras capas, de manera análoga a como las capas electrónicas se interpenetran en un átomo.
http://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAcleo_at%C3%B3mico
NUCLEO ATOMICO Descripción: El núcleo, compuesto por protones y neutrones, es un cuerpo masivo extremadamente pequeño que se encuentra en el centro de un átomo. Los protones emiten carga positiva y los neutrones carecen de carga eléctrica. El núcleo se describe por él número atómico [Z], igual al número de protones, y él número de masa atómica [A], igual a la suma de neutrones y protones en un núcleo. Isótopos:
Los isótopos son átomos que contienen el mismo número de protones, pero diferente número de neutrones. El núcleo de un isótopo se denomina núclido. Todos los núclidos de un elemento tiene el mismo número de protones, y diferentes neutrones. Para describir los isótopos se necesita una notación especial. En la parte izquierda del símbolo del elemento se escribe un índice suscrito, que representa él número atómico (Z), y un índice sobrescrito que representa su masa (A). ejemplo: Radiactividad artificial:
Los físicos Joliot-Curie demostraron que los átomos estables de un elemento pueden hacerse artificialmente radiactivos bombardeándolos adecuadamente con partículas nucleares o rayos. Estos isótopos radiactivos se producen como resultado de una reacción o transformación nuclear. Reacciones nucleares:
Una reacción nuclear ocurre cuando cambia él número de neutrones o protones en un núcleo. Algunas reacciones nucleares ocurren con una liberación de energía, mientras que otras ocurren solo cuando la energía se añade al núcleo. La emisión de partículas por núcleos radiactivos es una forma de reacción nuclear. El núcleo radiactivo libera su exceso de energía en la forma de energía cinética de las partículas emitidas. En 1932, 2 científicos británicos fueron los primeros en usar partículas artificialmente aceleradas para desintegrar un núcleo atómico. Produjeron un haz de protones acelerados hasta altas velocidades mediante un dispositivo de alto voltaje ll amado multiplicador de tensión. Aceleradores de partículas:
Alrededor de 1930, un físico estadounidense desarrolló un acelerador de partículas llamado ciclotrón. Esta maquina genera fuerzas eléctricas de atracción y repulsión que aceleran las partículas atómicas confinadas en una órbita circular mediante la fuerza electromagnética de un gran imán. Las partículas se mueven hacia fuera en espiral bajo la influencia de estas fuerzas eléctricas y magnéticas, y alcanzan velocidades extremadamente elevadas. La aceleración se produce en el vacío para que las partículas no colisionen con moléculas de aire. La vida media:
La vida media de un elemento es el tiempo necesario para que decaiga la mitad del núcleo radiactivo. La vida media de un isótopo radiactivo puro es única para ese isótopo en particular. Él número de desintegraciones por segundo de una sustancia radiactiva se conoce como su actividad. La actividad es proporcional al número de átomos radiactivos presentes. Por lo tanto la actividad de una muestra particular se reduce por un medio, en una vida media. Fuerzas nucleares:
La teoría nuclear moderna se basa en la idea de que los núcleos están formados por neutrones y protones que se mantienen unidos por fuerzas nucleares extremadamente poderosas. Para estudiar estas fuerzas nucleares, los físicos tienen que perturbar los neutrones y protones bombardeándolos con partículas extremadamente energéticas. Estos bombardeos han revelado mas de 200 partículas elementales. Este mundo subnuclear salió a l a luz por primera vez en los rayos cósmicos. Estos rayos están constituidos por partículas altamente energéticas que bombardean constantemente la tierra desde el espacio exterior; muchas de ellas atraviesan la atmósfera y llegan incluso a penetrar en la corteza terrestre. La radiación cósmica incluye muchos tipos de partículas, cuando estas partículas de alta energía chocan contra los núcleos, pueden crear nuevas partículas. Según la teoría mas aceptada, las partículas nucleares se mantienen unidas por fuerzas de intercambio en las que se intercambian constantemente piones comunes a los neutrones y l os protones.
Partículas fundamentales:
Hoy en día los físicos piensan que las partículas se agrupan en dos familias: quarks y leptones. Los quarks componen a los protones y neutrones. Los leptones son partículas con poca o ninguna masa, el electrón y el neutrino. También hay partículas que transmiten la fuerza electromagnética. Los gluones son ocho partículas que transmiten la fuerza que une los quarks dentro de los protones. Los bosones débiles son tres partículas que están involucradas en la interacción débil en la cual opera el decaimiento beta. El gravitón es la partícula, todavía sin detectar, que transmite la fuerza gravitacional. Cada quark y cada leptón tiene su antipartícula. Las antipartículas tienen carga opuesta a las partículas. Cuando una partícula y una antipartícula chocan, se aniquilan y se transforman en energía. Liberación de la energía nuclear:
En 1905. Albert Einstein desarrollo de la ecuación que relaciona la masa y la energía, E= mc² , como parte de su teoría de la relatividad especial. Dicha ecuación afirma que una masa determinada (m) esta asociada con
una cantidad de energía (E) igual a la masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de l a luz (c). Una cantidad muy pequeña de masa equivale a una cantidad enorme de energía.
Hay dos procesos nucleares que tienen gran importancia practica porque proporcionan cantidades enormes de energía: la fisión nuclear ~la escisión de un núcleo pesado en núcleos más ligeros~ y la fusión termonuclear ~la unión de dos núcleos ligeros (a temperaturas extremadamente altas) para formar un núcleo mas pesado. En 1934 se logro realizar la fisión bombardeando núcleos de uranio con neutrones. Esta reacción libera a su vez neutrones, con lo que puede causar una reacción en cadena con otros núcleos. En la explosión de una bomba atómica se produce una reacción en cadena incontrolada. Las reacciones controladas, por otra parte, pueden utilizarse para producir calor y generar así energía eléctrica, como ocurre en los reactores nucleares. La fusión termonuclear se produce en las estrellas, entre ellas el sol, y constituye su fuente de calor y luz. La fusión incontrolada se da en la explosión de una bomba de hidrogeno. En la actualidad sé esta intentando desarrollar un sistema de fusión controlada. Núcleo atómico y sus componentes
http://html.rincondelvago.com/nucleo-atomico.html
Núcleo atómico El núcleo atómico es la parte central de un átomo, donde se concentra la práctica totalidad de su masa. Está formado por protones y neutrones que se mantienen unidos por medio de la interacción nuclear fuerte. La cántidad de protones en el mismo determina el elemento químico al que pertenece. Los núcleos atómicos con el mismo número de protones pero dis tinto número de neutrones se denominan isotopos. La físión del nucleo realizada en forma controlada es utilizada como fuente de energía: la energía nuclear . En forma incontrolada se utiliza en armas atómicas. http://enciclopedia.us.es/index.php/N%C3%BAcleo_at%C3%B3mico
NUCLEO Introducción
El estudio del núcleo atómico y sus transformaciones, es tarea de la química nuclear. En las reacciones químicas comunes, se suceden cambios en los electrones externos de los átomos que participan, generando como resultado una molécula con propiedades diferentes a las de los átomos que le dieron origen. En las reacciones nucleares estudiadas por la química nuclear, el núcleo atómico se afecta en tal grado que el resultado es originar una nueva especie atómica. En el presente trabajo, pretendemos mostrar una hipótesis acerca de la naturaleza del núcleo atómico tratando de explicar los fenómenos que se suceden al interior del mismo. Naturaleza que sigue siendo un misterio para la ciencia; pese a la existencia de una gran cantidad de informaciónacerca del comportamiento de los núcleos, su síntesis, su composición, su energía y su liberación de energía. Con todo esto, aun no se sabe con claridad el tipo de energía o la verdadera naturaleza de la energía que mantiene compactos a los núcleos estables. Basados en la información que hoy conocemos acerca del comportamiento del núcleo atómico, de su energía, de su composición y otros aspectos ampliamente difundidos por la ciencia moderna y sus exponentes, realizamos un análisis que nos permite lanzar una hipótesis para tratar de contribuir al adelanto de los estudios en este área y comprender mejor al núcleo atómico y su comportamiento. Descripción
EL NUCLEO ATÓMICO Es importante recordar que el núcleo atómico es una pequeña porción del átomo con un diámetro de 10-13 cm, está compuesto por Z protones y A – Z (A menos Z) neutrones; siendo Z el número atómico y A el número másico (o número de masa). "Una especie nuclear en particular se denomina núclido" (Tipler y Mosca, 2005). Las partículas que integran al núclido se denominan nucleones. "Una amplia variedad de experimentos sugieren que la mayor parte de los núcleos son aproximadamente esféricos" (Tipler y Mosca, 2005). NUCLEOS ESTABLES E INESTABLES "La inestabilidad nuclear se manifiesta por la desintegración espontánea del núcleo, dando origen a un nuevo estado nuclear" (Ferrer S. Antonio, 2003). Un núcleo se considera estable si no sufre cambio espontáneamente para convertirse
en otro núclido o se transforma tan lentamente que su cambio no puede detectarse. Cuando se transforman espontáneamente y con gran rapidez en otros núclidos se les considera muy inestables; pero cuando se transforman a menor velocidad, se les puede considerar como moderadamente inestables. La estabilidad nuclear puede verse afectada por varios factores. Uno de estos factores es la relación de neutrones a protones. "Puesto que las cargas iguales se repelen mutuamente, quizá parezca sorprendente que un gran número de protones pueda residir dentro del reducido volumen del núcleo" (Brown, Bursten and Burdge, 2004). Se cree que entre los nucleones existe una fuerza de atracción llamada interacción nuclear fuerte en la que participan los neutrones. "Cuantos más protones se encuentren empaquetados, mas neutrones se requieren para mantenerlos unidos" (Brown, Bursten and Burdge, 2004). Es sabido que los átomos con número atómico pequeño (Z = 20) tiene aproximadamente el mismo número de protones que de neutrones; pero en los de número atómico mayor, el número de neutrones sobrepasa el número de protones, con lo que se ha concluido que la relación neutrones a protones, en núcleos estables, aumenta con el número atómico, como se muestra en el gráfico del anexo 1. Se ha determinado que en "los núcleos con 2, 8, 20, 28, 50 u 82 protones o con 2, 8, 20, 28,50, 82 o 126 neutrones, son generalmente más estables que los núcleos que no contienen estos números de nucleones" (Brown, Bursten and Burdge, 2004). Es así como se asocia cierta estabilidad de los núcleos con los llamados números mágicos. Esta observación fundamenta el modelo de capas del núcleo, el cual plantea que los nucleones se organizan en el núcleo en capas análogas a la estructura de capas o de niveles de energía de los electrones en el átomo. Siendo los números mágicos el número máximo de nucleones en cada capa del núcleo. También se ha observado una estabilidad relacionada con números pares de protones y de neutrones. "Los núcleos con números pares de protones y de neutrones son generalmente más estables que los que tiene números impares de nucleones" (Brown, Bursten and Burdge, 2004). Esta situación puede ser un indicio de que los nucleones sufren algún tipo de apareamiento, como el que sucede con los electrones que forman enlaces covalentes. TIPOS DE REACCIONES NUCLEARES Un núcleo que se encuentra por fuera de la zona de estabilidad trata de alcanzar la estabilidad, mediante un proceso en el cual el núcleo puede disminuir su relación neutrón/protón. Este proceso se denomina radiactividad natural.
RADIACTIVIDAD
"En 1902, Frederick Soddy propuso la que la radiactividad "es el resultado de un cambio natural de un isótopo de un elemento hacia un isótopo de un elemento diferente". Las reacciones nucleares incluyen cambios en las partículas del núcleo de un átomo y por consiguiente causan un cambio en el átomo mismo" (Anthony Carpi en http://www.visionlearning.org/library/). Puede decirse que la radiactividad es el proceso a través del cual un núcleo inestable, alcanza un nivel de mayor estabilidad y de menor energía. "Los radionúclidos son inestables y emiten espontáneamente partículas yradiación electromagnética, transformándose en un núcleo más estable" (Raymond A. Serway y John W. Jewett, 2004). Una sustancia radiactiva puede emitir tres tipos de radiación: alfa (a), beta (ß) y gamma (?). "Las tres radiaciones se pueden separar si se coloca un campo magnético que atraviese sus trayectorias" (Paul Hewitt, 2004), como se muestra en el anexo 2.
RAYOS ALFA (a)
Son partículas cargadas positivamente, idénticas a los núcleos de helio, tiene carga +2 y masa 4. Cuando un núcleo emite una partícula alfa su número atómico se disminuye en 2 unidades y su número de masa se disminuye en 4 unidades. De tal forma que una partícula alfa está compuesta entonces por dos protones y dos neutrones.
RAYOS BETA (ß)
Están constituidos por partículas cargadas negativamente que tienen todas las propiedades de los electrones. Poseen carga menos uno (-1) y su masa es muy pequeña (tiende a cero). "Las investigaciones han demostrado que los rayos beta son un flujo de electrones" (Paul Hewitt, 2004)
RAYOS GAMMA (?)
"Un rayo gamma es radiación electromagnética de una frecuencia mayor a la de los rayos X. mientras que los rayos X se originan en la nubeelectrónica fuera del núcleo, los rayos gamma se originan en el núcleo" (Paul Hewitt, 2004) Análisis general
DENSIDAD DEL NUCLEO En el núcleo atómico se concentra la masa del átomo, en un volumen muy pequeño comparado con el total del átomo; como ya hemos dicho el diámetro del núcleo es del orden de 10-13 cm, mientras que el diámetro del átomo más ligero, el de hidrógeno, es de 10-8 cm, "si imaginamos que el átomo es del tamaño de un
estadio de futbol; en tal caso el núcleo tendría el tamaño de una canica pequeña" (Brown, Bursten and Burdge, 2004). Esta situación nos habla entonces de la gran densidad que posee un núcleo atómico: "Puesto que el diminuto núcleo concentra casi toda la masa del átomo en un volumen tan pequeño, tiene una densidad increíble, del orden de 1013 a 1014 g/cm3. Una caja de cerillas llena con un material de tal densidad pesaría ¡más de 2.500 millones de toneladas!" (Brown, Bursten and Burdge, 2004). La altísima densidad del núcleo nos revela que los nucleones se hayan compactados fuertemente, que la distancia entre estos es minúscula y que se hayan unidos por fuerzas muy poderosas. Pero: ¿Qué tipo de fuerza puede mantener unido a los nucleones? ¿Cómo es posible que en un espacio tan pequeño se pueda alojar partículas con idéntica carga, como los protones, sin que exista repulsión entre ellas? Si como afirman Tipler y Mosca: "Una amplia variedad de experimentos sugieren que la mayor parte de los núcleos son aproximadamente esféricos" y se considera que el núcleo es compacto al igual que los nucleones que lo componen y que estos nucleones son también esféricos, debería quedar espacios vacíos al juntarse varios nucleones, como sucede en una bolsa de canicas; lo cual estaría en contravía con la densidad de núcleo. Si esto es así ¿Por qué es tan alta la densidad del núcleo? ESTABILIDAD En los núcleos más ligeros (Z = 20), el número de protones es igual al número de neutrones en los átomos más estables: "en números atómicos bajos, los núclidos más estables tiene igual número de neutrones que de protones (N = Z). Arriba del número 20, los núclidos poseen más neutrones que protones" (Whitten, Davis, Peck y Stanley, 2008). Con lo anterior, encontramos una relación entre la estabilidad de núcleos pesados y el aumento en la relación neutrón a protón de estos núclidos; con lo que podemos deducir que la fuerza de repulsión que existe entre los protones del núclido es anulada, de alguna manera, por los neutrones que actuarían como una barrera aislante entre los protones y, a mayor cantidad de protones se tendría mayor superficie de contacto entre estos, por lo que se requeriría una mayor cantidad de neutrones para ocupar estas superficies de contacto y conferir mayor estabilidad al núclido. Se ha observado una especial estabilidad en aquellos átomos que poseen números pares de protones y de neutrones. "se ha encontrado que la mayoría de los núcleos estables tiene valores pares de A" (Amorocho y Oliveros, 2000) "Muchos núcleos estables tiene valores pares de Z y N" (Raymond A. Serway y John W. Jewett, 2004). Como ya se mencionó, esta tendencia puede estar relacionada con algún tipo de apareamiento entre los nucleones o alguna afinidad prevalente entre ellos que los obliga a organizarse en pares.
RADIACTIVIDAD "En 1896 el físico francés Henri Becquerel (1852 - 1908) descubrió que un mineral de uranio emitía rayos que velaban una placa fotográfica, aunque esta estuviera cubierta de un papel negro para protegerla de la exposición a la luz. En 1898 Marie Curie y sus colaboradores aislaron el polonio y elradio, que también emitían el miso tipo de rayos, y en 1899 madame Curie sugirió que los átomos de ciertas sustancias emiten estos rayos inusuales al desintegrarse; dio a este fenómeno el nombre de radiactividad y dijo que las sustancias que presentan esta propiedad son radiactivas" (Kotz, Treichel y Weaver, 2005). Lo anterior es un resumen del descubrimiento de la radiactividad. Los postulados de los esposos Curie, y del mismo Becquerel, nos llevan a la conclusión de que la radiactividad es un proceso natural que busca estabilizar un núcleo que contiene un alto nivel de energía. Un núcleo inestable se vale de la radiactividad para liberarse de todas aquellas partículas que le confieren una mayor energía, para alcanzar unestado de mayor estabilidad y mínima energía. Con esto, el núcleo inestable disminuye su relación neutrón/protón. Los estudios que se han adelantado, ponen de manifiesto la existencia de tres tipos de radiaciones generadas a partir del fenómeno de la radiactividad. RAYOS ALFA (a) "La radiación alfa consiste en una corriente de núcleos de helio 4, conocidos como partículas alfa" (Brown, Bursten and Burdge, 2004). ¿Por qué un núcleo emite unidades compuestas por un par de neutrones y un par de protones para llegar a un estado de mayor estabilidad? ¿No sería más fácil, y esto pensando en que el núcleo reduzca la relación neutrones/protones, que solo emitiera protones? ¿Qué tipo de fuerza permite que estas partículas alfa se mantengan compactadas en unidades sin que en su emisión, o en su trayectoria, se separen sus protones de sus neutrones? RAYOS BETA (ß) "La radiación beta consiste en corrientes de partículas beta, que son electrones de alta velocidad emitidos por un núcleo inestable" (Brown, Bursten and Burdge, 2004). Si como ya hemos dicho, un núcleo contiene partículas cargadas positivamente llamadas protones y partículas sin carga llamadas neutrones, con lo que la carga efectiva del núcleo es entonces positiva, en una magnitud equivalente a Z; ¿Cómo es posible que puedan surgir del núcleo los electrones? ¿Existe acaso, al interior del núcleo, algún proceso que origine como resultado la
liberación de estos electrones? Y si esto fuera así y efectivamente se originaran dichos electrones… ¿Por qué estos electrones son liberados del núcleo sin ser
atraídos por los protones de su alrededor? RAYOS GAMMA (?) "Los rayos gamma no tienen carga o masa detectable y se comportan como rayos luminosos" (Kotz, Treichel y Weaver, 2005). En el anexo 2 se muestra que mientras que los rayos alfa y los rayos beta son atraídos por la corriente eléctrica, desviándolos de su trayectoria, los rayos gamma atraviesan el campo eléctrico sin sufrir ninguna modificación. Lo que indica la ausencia de carga en este tipo de radiación. Discusiones
¿Cómo se puede explicar la gran densidad que posee el núcleo atómico? ¿Cómo es posible que en un volumen tan reducido, como el del núcleo de un átomo, pueda albergar tanta masa, como la representada en el número de masa (A)? Recordemos que "puesto que el diminuto núcleo concentra casi toda la masa del átomo en un volumen tan pequeño, tiene una densidad increíble, del orden de 1013 a 1014 g/cm3. Una caja de cerillas llena con un material de tal densidad pesaría ¡más de 2.500 millones de toneladas!" (Brown, Bursten and Burdge, 2004). ¿Cómo puede organizarse toda esta masa en un volumen tan reducido? Es muy posible que exista, gracias al spin de las partículas subatómicas, una superposición de estas partículas reduciendo el espacio vacío que pueda existir entre sí. Esto basados en el supuesto que efectivamente exista un apareamiento (protón – protón, neutrón – neutrón o protón – neutrón). Pues si asumimos que las partículas subatómicas, al igual que el núcleo, son esferas sólidas compactas debería quedar espacios vacíos al unirse, como ocurre en una bolsa de canicas en la que quedan espacios vacíos al interior de la bolsa y entre unas canicas y otras. Con la superposición a la que hacemos referencia, pretendemos exponer una reducción de los espacios intranuclear, validada por la fuerza nuclear fuerte que, junto con el fenómeno de spin, contribuye al acercamiento de las partículas hasta la superposición. La inestabilidad nuclear y, en consecuencia, la desintegración espontánea del mismo, pone de manifiesto que debido a la gran energía de un núcleo inestable, las fuerzas que mantienen unidas a las partículas subatómicas, o no es tan fuerte o es mayor la fuerza de repulsión entre estas, desencadenando en el desprendimiento espontaneo de las partículas que están más cerca de su corteza. Cuando el núcleo libera estas particas cuya repulsión es mayor a las fuerzas
atractivas, alcanza una mayor estabilidad, originando una especie nuclear más estable y de menor energía. Como ya hemos visto, la estabilidad de un núcleo tiene relación directa con el número de neutrones que este tenga. Así, los núcleos estables de mayor tamaño necesitan un mayor número de neutrones para conservarse estables. Esto puede ser debido a la existencia de una gran cantidad de carga positiva dentro de un núcleo: "Puesto que las cargas iguales se repelen mutuamente, quizá parezca sorprendente que un gran número de protones pueda residir dentro del reducido volumen del núcleo" (Brown, Bursten and Burdge, 2004). Es posible que los neutrones constituyan el origen de la fuerza nuclear que mantiene unidos a los núclidos contrarrestando la fuerza de repulsión de los protones, actuando como un intermediario entre estos, como un ligando (p – n – p), con una fuerza de atracción de magnitud mayor a la repulsión entre los protones (interacción nuclear fuerte). En los átomos pequeños, como el de He 4, es posible la organización de los núclidos de tal manera que la repulsión entre los protones es minina. Pero en los átomos de mayor tamaño es necesaria la presencia de un mayor número de neutrones para que las fuerzas atractivas sean mayores a las repulsivas (ver anexo 1). La existencia de una estabilidad relacionada con la presencia de números pares de nucleones en un núcleo; "Los núcleos con números pares de protones y de neutrones son generalmente más estables que los que tiene números impares de nucleones" (Bursten and Burdge, 2004), puede ser evidencia del apareamiento existente en los nucleones al interior del núcleo. Como ya hemos mencionado, la proporción de neutrones de los núcleos aumenta con el número atómico (Z); es decir, en los núcleos de menor tamaño la relación neutrón/protón (N/Z) es igual a uno (1), esto quiere decir que Z es igual a N (Z = N). A medida que Z aumenta, N/Z también se aumenta. Se ha notado que este aumento le confiere estabilidad al núcleo. Algunos núcleos, presentan una tendencia natural a aumentar su relación N/Z, liberando espontáneamente ciertas partículas subatómicas con el fin de obtener una mayor estabilidad. Este proceso es al que, en 1899, Marie Curie (1867 – 1934) llamó radiactividad. Hoy sabemos que las sustancias radiactivas pueden emitir tres tipos de radiación, que se pueden separar entre sí: Rayos alfa (a): Se ha determinado experimentalmente que "La radiación alfa consiste en una corriente de núcleos de helio 4, conocidos como partículas alfa" (Brown, Bursten and Burdge, 2004). Los rayos alfa evidencian que las partículas
subatómicas se encuentran apareadas, o empaquetadas en subunidades nucleares equivalentes a partículas a. Rayos beta (ß): "Las investigaciones han demostrado que los rayos beta son un flujo de electrones" (Paul Hewitt, 2004). Estos electrones de alta velocidad que componen los rayos beta se originan al interior del núcleo, posiblemente se desprenden de los neutrones dando como resultado protones (de carga positiva). Esto puede ser evidencia de una bipolaridad del neutrón. Rayos gamma (?): Habíamos dicho que "un rayo gamma es radiación electromagnética de una frecuencia mayor a la de los rayos X. mientras que los rayos X se originan en la nube electrónica fuera del núcleo, los rayos gamma se originan en el núcleo" (Paul Hewitt, 2004). Esta radiación puede ser el resultado de algún tipo de fenómeno que se suceda al interior del núcleo. Así como en las reacciones químicas, en las que participan átomos y moléculas, se absorbe o libera energía como resultado, o como consecuencia de la reacción, en las reacciones nucleares se librea energía en forma de radiación gamma como consecuencia de la reacción. Conclusiones
De la misma forma como ocurre con la nube electrónica que participa en la formación de un enlace covalente, en el que los orbitales de los átomos que participan se solapan disminuyendo el radio efectivo de los mismos y esta superposición de los orbitales atómicos es gracias al spin electrónico; es muy posible que exista, gracias al spin de las partículas subatómicas, una superposición de estas partículas reduciendo el espacio vacío que pueda existir entre sí o, igual que sucede en el enlace covalente, se suceda una reducción del radio de las partículas por la acción de la fuerza nuclear fuerte. Cabe aclarar que en el enlace covalente, los electrones son atraídos por los dos núcleos de los átomos que participan en el enlace (cuando la molécula es biatómica), lo que favorece la superposición y la disminución del radio atómico. "Conforme los dos átomos se van acercando, el electrón de cada átomo es atraído por el núcleo del otro así como por su propio núcleo. Si estos dos electrones tienen spines opuestos para así poder ocupar la misma región (orbital), ambos electrones pueden ocupar de manera preferente la región entre los dos núcleos. En esta situación, ambos núcleos atraen con mucha fuerza a los electrones" (Whitten, Davis, Peck y Stanley, 2008). Para que la superposición en las partículas subatómicas tenga lugar, al igual que en el enlace covalente, se requiere de una atracción que favorezca la disminución, si la hay, del radio de las partículas. Es en este sentido donde creemos que juega
un papel de gran importancia la presencia de los neutrones. Para los cuales, y para que esto que planteamos se suceda, creemos que poseen una bipolaridad que le permite atraer a los protones. Creemos que el neutrón es el resultado de la unión entre un protón y un electrón que gira alrededor del protón con una velocidad, que creemos, debe ser inferior a los electrones de la corteza del núcleo, esta unión es lo que le confiere la bipolaridad a la que nos referimos (ver anexo 3 A). El electrón gira alrededor del protón creando un campo alrededor de este, que atrae a otro neutrón cuyo electrón gira en sentido contrario. De esta forma los dos neutrones se aparean formando un par, de manera análoga a lo que sucede con el enlace covalente (anexo 3 B). En este par, ambos protones atraen al par electrónico que gira alrededor de ambos protones confiriéndoles un movimiento (spin), generando como resultado, una disminución de la repulsión protón – protón y tal como ocurre en el enlace covalente, se esperaría un solapamiento de las orbitas y una reducción del radio y del volumen, el cual estaría siendo ocupado por la misma cantidad de materia. Si nos detenemos en el núcleo del Helio 4, encontramos que posee dos protones y dos neutrones. Hemos explicado con nuestra hipótesis, el posible apareamiento de los neutrones. Ahora bien, si los dos electrones giran en torno al par de protones que componen a los neutrones, estos quedarían con la carga negativa, por gran parte del tiempo, en el espacio entre el par de neutrones. Lo que originaría una atracción fuerte sobre los protones vecinos. Quienes se acercarían al par de neutrones, por la línea ecuatorial del par, y en virtud de la repulsión entre los dos protones del núcleo, se unirían al par de neutrones formando un ángulo de 90° con el par. Tenemos ahora, en el núcleo de helio, un par de protones y un par de neutrones unidos íntimamente por medio de una atracción eléctrica y magnética, conformando lo que nos atrevemos a llamar una unidad nuclear. (Anexo 3 C) Con lo anterior pretendemos dar una explicación a la estabilidad relacionada con la presencia de pares de neutrones o de protones en el núcleo. Aunque creemos que la presencia de pares debería ser más relevante y de mayor aporte a la estabilidad si se trata de pares de neutrones (entendiendo al neutrón como la unión de un protón con un electrón). Como ya hemos dicho, la radiactividad natural es un fenómeno por el cual un núcleo inestable libera aquellas partículas que le confieren mayor energía y menor estabilidad. La inestabilidad de un núcleo es el reflejo de la presencia de repulsiones, en su interior, que superan a las fuerzas de atracción y que obligan al núcleo a liberarse de aquellas partículas que causan la mayor repulsión. En
consecuencia, y enmarcando este proceso dentro de la hipótesis que hemos planteado, consideraremos a continuación los tres tipos de radiación o de emisiones radiactivas que puede generar un núcleo inestable, vistas a través de nuestra hipótesis. RAYOS ALFA (a): Recordemos que "la radiación alfa consiste en una corriente de núcleos de Helio 4, conocidos como partículas alfa" (Brown, Burstein and Burdge, 2004). Las partículas alfa son lo que hemos denominado unidades nucleares (unidades alfa), compuestas por un par de neutrones y un par de protones (o un par de electrones y dos pares de neutrones) unidos por fuertes fuerzas de atracción que le confieren el carácter de unidad (anexo 3 C). Teniendo en cuenta la hipótesis que hemos planteado, nos atrevemos a concluir que un núcleo emite estas unidades cuando no existen elementos, como por ejemplo otros neutrones libres (no apareados) o pares de neutrones apareados pero que no hacen parte de una unidad alfa, que eviten el contacto entre los protones de las unidades alfa que pueda contener el núcleo, con lo que se aumenta la repulsión entre estas unidades, tengamos en cuenta que una unidad alfa tiene entonces una carga efectiva de +2 ejerciendo una fuerte repulsión con otras unidades nucleares. Esto quiere decir que sería la presencia de los neutrones libres (no apareados) o los pares de neutrones apareados los directos responsables de la estabilidad del núcleo. Recordemos que en los núcleos estables cuyo número atómico (Z) es alto (> 20) necesitan de la presencia de un mayor número de neutrones. Creemos que los protones presentes en el interior del núcleo tienen gran afinidad por los pares de neutrones apareados. Razón por la cual tienden a organizarse en unidades alfa, uniéndose íntimamente a los pares de neutrones apareados para formar unidades en las que las fuerzas de atracción superan a las repulsiones. Las unidades alfa formadas difícilmente podrían unirse con otras unidades alfa sin la mediación de neutrones libres o de pares de neutrones apareados. Con lo que se puede explicar el hecho de que el núcleo libere unidades alfa en lugar de liberar corrientes de protones, los cuales resultan ser más livianos que las unidades alfa. RAYOS BETA (ß): En un punto anterior definimos a los rayos beta como "corrientes de partículas beta, que son electrones de gran velocidad" (Brown, Burstein and Burdge, 2004). Como ya es sabido, en el interior del núcleo se alojan protones y neutrones. No hemos conocido, hasta ahora, ningún proceso que permita obtener electrones a partir de protones y/o neutrones. La única explicación que podemos encontrar para el hecho de que de un núcleo se desprendan rayos beta, entendidos como electrones de alta velocidad, es que el núcleo contenga a estos electrones alojados en su interior y que su desprendimiento sea tan enérgico, que les confiere una alta velocidad. Creemos que la presencia de los rayos beta evidencia nuestra hipótesis, demostrando la existencia de electrones
en el interior del núcleo. Electrones que no pueden moverse libremente en virtud del escaso volumen que contiene al núcleo y a las altas fuerzas atractivas que mantiene unidos a sus componentes. Los electrones contenidos en el núcleo se liberan debido a la presencia de pares de neutrones libres que contiene electrones que giran en el mismo sentido. Lo cual genera campos de la misma magnitud y el mismo sentido y, atendiendo a la regla de exclusión de Pauli para los electrones de la corteza del núcleo y extrapolando la misma regla a los electrones del núcleo, ocasionaría una enorme repulsión entre los electrones, que no evita la atracción entre los electrones y los protones de los neutrones, pero esta repulsión entre los electrones, supera a las fuerzas atractivas entre los protones y los electrones. En consecuencia, el electrón más externo (el más cercano a la corteza del átomo) sale disparado por las fuerzas de repulsión entre los electrones, mientras que el protón que lo acompaña para formar el neutrón permanece ligado al neutrón vecino para formar una unidad nuclear. Con lo anterior pretendemos explicar, basados en nuestra hipótesis, el proceso mediante el cual un neutrón se puede transformar en un protón, luego de la liberación de un electrón. RAYOS GAMMA (?): "Los rayos gamma no tienen carga o masa detectable y se comportan como rayos luminosos" (Kotz, Treichel y Weaver, 2005). Creemos que debe entenderse a los rayos gamma como la manifestación de los procesos nucleares, como corrientes de fotones de energía que se liberan como consecuencia de las reacciones que se suceden al interior del núcleo. De la misma forma como las reacciones exotérmicas que se suceden a nivel molecular o atómico desprenden energía en forma de calor , como consecuencias de los procesos químicos y físicos que acurren a través de los mecanismos de reacción, proponemos que las reacciones nucleares desprende energía en forma de rayos gamma como consecuencia de los procesos que dan lugar a los diferentes cambios nucleares. http://www.monografias.com/trabajos82/estructura-del-nucleo-atomico/estructura-del-nucleoatomico2.shtml http://www.induambiental.cl/Psu/docentes/Contenidos.aspx?sector=1&nivel=3&eje_tem_sem=1 24 http://www.visionlearning.org/library/module_viewer.php?c3=&mid=59&ut=&l=s
