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Central nuclear de Isar, Alemania

Piscina de combustible nuclear gastado

Turbina de una central nuclear

Núcleo atómico

Núcleo atómico

El núcleo atómico es la pequeña parte central del átomo, con carga eléctrica positiva y en la que se concentra la mayor parte de la masa del átomo. Lo descubrió Ernest Ruthenford en 1911. Después del descubrimiento del neutrón, en 1932, el modelo de núcleo atómico fue desarrollado rápidamente por Dmitri Ivanenko y Werner Heisenberg.

Las principales partículas subatómicas de los núcleos de los átomos son los protones y los neutrones o los nucleones (excepto el del hidrógeno ordinario o propio, que contiene únicamente un protón). Un mismo elemento químico está caracterizado por el número de protones del núcleo que determina la carga positiva total. Éste número se denomina número atómico. El número másico es el total de protones y neutrones.

La física nuclear es la rama científica que se encarga del estudio y la comprensión del núcleo atómico, incluyendo las fuerzas que lo unen y su composición.

Propiedades del núcleo atómico

Casi toda la masa de un átomo se encuentra en el núcleo atómico, con una contribución muy pequeña de la nube de electrones debido a que los electrones pesan muy poco en comparación con les neutrones y protones. Los protones y los neutrones se unen para formar el núcleo atómico mediante la fuerza nuclear.

La fuerza que mantiene unidas las subpartículas en el núcleo de los átomos es la energía que se obtiene en las reacciones de fusión nuclear y fusión nuclear. Al romper estos enlaces de fuerza se experimenta una pérdida de mása que se convierte en energía de acuerdo con la teoria de Albert Einstein.  E=mc2

El diámetro del núcleo está en el intervalo de 1,75  fm para el hidrógeno que equivale al diámetro de un solo protón a aproximadamente 15 fm para los átomos más pesados, tales como el uranio.

Modelos de estructura del núcleo atómico

La primera propuesta sobre la estructura interna del núcleo atómico fue elaborada en 1808 por el químico inglés John. Según la propuesta de Dalton toda la materia está formada por átomos indivisibles e invisibles. En aquel entonces, no existían partículas más pequeñas; para Dalton la existencia del núcleo atómico era desconocida.

El primer modelo de estructura interna del átomo apareció en 1897 a través de Joseph John Thomson. Thomson fue el primero en identificar el electrón. Thompson definió el electrón como partícula subatómica de carga negativa. A través de este descubrimiento pudo deducir que si los átomos se presentan con una carga neutra y poseen una partícula cargada negativamente tendrían que poseer al menos otra carga de carga positiva (sería en protón)

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 realizaron un conjunto de experimentos utilizando un haz de radiación alfa y hojas laminadas metálicas muy delgadas.

En 1913 Niels Bohr postula que los electrones giran a grandes velocidades alrededor del núcleo atómico, cargadas de energía cinética. 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 los núcleos atómicos:

  • El modelo de la gota de agua
  • El modelo de capas

Modelo atómico de la gota líquida

El modelo de gota líquida es uno de los primeros modelos de estructura del núcleo atómico. En este modelo atómico el núcleo como un fluido formado por neutrones y protones, con una fuerza electrostática interna repulsiva proporcional a la Número de protones. La naturaleza mecánica cuántica de estas partículas aparece a través del principio de exclusión de Pauli. El principio de expulsión de Pauli establece que no puede haber dos nucleones del mismo tipo en el mismo estado. Así, el fluido es en realidad lo que se conoce como un líquido de Fermi.

Este modelo de núcleo atómico no pretende describir la compleja estructura interna del núcleo sino solo las energías de enlace entre neutrones y protones, así como algunos aspectos de los estados excitados de un núcleo atómico que se reflejan en los espectros nucleares.

Modelo de estructura atómica de capas

El modelo de núcleo atómico de capas es un modelo que trata de capturar parte de la estructura interna reflejada tanto en el momento angular del núcleo, como en su momento angular. Además, el modelo pretende explicar por qué los núcleos con un número de nucleones (neutrones y protones) resultan más estables.

La explicación del modelo es que los nucleones se agrupan en capas. Cada capa está formada por un conjunto de estados cuánticos con energías similares, la diferencia de energía interna entre dos capas es grande comparada con las variaciones de energía interna 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.

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Última revisión: 30 de agosto de 2017