Fundamentos nucleares #1. El átomo: de la materia al núcleo
¿Qué es la materia?
Es una cuestión milenaria, que puede tener respuestas más o menos elaboradas. Una descripción que podría encajar con la experiencia de cualquier persona es la de: todo lo que tiene masa y ocupa un espacio. Elementos como una piedra, un perro o una casa pueden definirse como materia, y el denominador común es la masa y el volumen, pero dichas magnitudes no definen sus propiedades. Para definir sus propiedades nos vemos obligados a recurrir a otro tipo de magnitudes, ya sean físicas, como la densidad o la dureza, o químicas, como el poder calorífico o la reactividad.
Por otro lado, nuestro día a día nos lleva a pensar que la materia es un elemento de distribución continua, pero la realidad es que su estructura microscópica dista mucho de ser continua.
Representación gráfica de materia continua y discontinua
El componente másico del átomo (el núcleo) es una fracción del volumen de dicho átomo. Realmente lo que nos rodea está hecho, en su inmensa mayoría, de vacío, sea lo que sea dicho concepto, que merecería un libro entero.
La unidad estructural que conforma la estructura granular de la materia es el átomo, y es en última instancia la que explica los procesos físico-químicos de la materia. Estos átomos, a su vez, constituyen a las moléculas, y estas a su vez generan estructuras más complejas, como las células que dotan de vida. La química moderna abordó el estudio del estrato molecular; es decir, es su ámbito de aplicabilidad.
Pero, ¿y qué ocurre en el estrato atómico, qué disciplina se centra en el estudio del átomo y del núcleo? Este es el campo de aplicabilidad de la física nuclear, y de la física de partículas. De forma breve, se podría decir que la física nuclear estudia la estructura, propiedades y transformaciones de los núcleos atómicos, mientras que la física de partículas desciende un nivel más y estudia las partículas elementales y las interacciones fundamentales que las gobiernan.
Lejos de estar completamente resuelta esta cuestión sobre los constituyentes primarios de la materia, seguimos sin una respuesta final, pues ese átomo que a priori se consideraba el punto último de la materia demostró estar formado por otras partículas. Además, el átomo no es único; en función de su composición se ve alterada su naturaleza.
El número de protones, Z, determina a qué elemento químico pertenece el átomo. En un átomo eléctricamente neutro, el número de electrones coincide con Z. Actualmente la IUPAC reconoce 118 elementos químicos, aunque continúa la búsqueda experimental de elementos superpesados con números atómicos superiores.
La masa del átomo está concentrada en un minúsculo núcleo que alberga a los protones y a los neutrones. Cuando decimos que el núcleo es pequeño frente al radio atómico, es bueno poner en perspectiva la comparativa para hacernos una idea de la magnitud:
El tamaño característico de un átomo es del orden de 10−10 m, mientras que el de un núcleo es del orden de 10−15 m
Dicho de otra manera, si colocáramos una esfera de 1 cm a modo de núcleo, la nube electrónica se extendería hasta distancias del orden de cientos de metros o aproximadamente un kilómetro. De aquí que podamos concluir que el átomo se encuentra prácticamente vacío, o hueco, y que la práctica totalidad de su masa se concentra en su núcleo.
Los constituyentes básicos del núcleo
Composición del núcleo, carga y densidad atómica
Como ya hemos tratado, el átomo está formado por tres tipos de partículas: protones, neutrones y electrones, y pueden identificarse dos zonas: el núcleo, y la nube de electrones que envuelve a dicho núcleo.
De entre las partículas mencionadas, los protones y los neutrones se encuentran en el núcleo atómico. El número de protones (Z) es el número atómico del átomo, que coincide con su número de electrones, mientras que el número másico del núcleo (A) sería la suma de los protones y neutrones presentes en el núcleo. El número de protones sería el que define el elemento atómico correspondiente. Por otro lado, el número de neutrones N sería la diferencia entre el número másico y el número de protones. Los protones y neutrones, como constituyentes del núcleo, reciben el nombre de nucleones.
Existen diferentes átomos, que estarán determinados por la composición de las diferentes partículas expuestas. No obstante, estas partículas siempre serán idénticas, y no habrá forma de distinguir a un electrón de otro electrón, al igual que no habría forma de diferenciar a dos átomos de idéntica composición. En función de la agrupación de los nucleones, podemos identificar las diferentes especies atómicas, lo que se conoce como núclido. Un núclido es una configuración concreta de nucleones.
En el seno del núcleo atómico, los nucleones ejercen una fuerza atractiva muy intensa sobre el resto de nucleones próximos. La cohesión del núcleo se debe a la interacción nuclear residual, una manifestación de la interacción fuerte fundamental que actúa entre los quarks. A distancias nucleares, esta interacción puede vencer la repulsión electrostática entre protones, aunque su alcance es de apenas unos femtómetros. Ni cabe mencionar el efecto de la fuerza gravitatoria, que en física nuclear se considera despreciable. La fuerza nuclear fuerte se manifiesta casi con igual intensidad entre relaciones neutrón-protón o protón-protón, aunque entre dos protones, como cabría esperar, la repulsión electroestática debilita ligeramente la atracción. Es conveniente indicar que aunque la fuerza nuclear fuerte es muy intensa, su alcance es muy reducido, y podemos considerar despreciable su influencia a distancias mayores de unos pocos femtómetros.
En lo que respecta a sus masas, el protón y el neutrón tienen una masa prácticamente igual (el neutrón es un 0,2% más pesado), y el protón tiene una carga eléctrica +e, en oposición a la que porta el electrón -e. Por su parte, el neutrón carece de carga. Dado que la carga del protón es +e, la carga del núcleo será igual al número de protones por la carga elemental:
Carga nuclear = +Ze
En su estado convencional, el átomo se encuentra eléctricamente neutro. Ahora bien, si ante algún evento, como podría ser una reacción química, el átomo gana o cede electrones, decimos que el átomo se encuentra ionizado y recibe el nombre de ion.
Un parámetro de importancia en física nuclear es la denominada densidad atómica, es decir, el número de átomos contenidos por unidad de volumen. Para una sustancia constituida por un sólo tipo de átomos la densidad atómica N es:
donde ρ es la densidad, NA el número de átomos de cada mol y M es el peso atómico.
En el caso de sustancias compuestas de moléculas individuales, la expresión a emplear para calcular la densidad atómica de cada constituyente sería la siguiente:
donde n es el número de átomos de cada uno de los constituyentes de la molécula.
Isótopos
Cuando dos o más núclidos comparten el mismo número atómico (Z), es decir son un mismo elemento, pero tienen un número diferente de neutrones, se dice que son isótopos. Cabe mencionar que todos los isótopos de un mismo elemento comparten idénticas propiedades químicas, aunque las diferencias de masa pueden originar efectos isotópicos apreciables. En términos generales, la mayor parte de los elementos se encuentran constituidos por una combinación de isótopos. La simbología para representar al isótopo en cuestión es mediante un superíndice en la parte izquierda del símbolo del elemento químico, 3H. También se acepta la notación, hidrógeno-3, en este caso representando al tritio.
La proporción en la que se encuentra cada isótopo en dicha mezcla presente en la naturaleza, es lo que determina la abundancia isotópica natural. Dicha abundancia natural de un isótopo es el cociente entre el número total de átomos del isótopo en cuestión y el número total de átomos presente.
Abundancia de los tres isótopos naturales del uranio
Si es conocida la abundancia isotópica de cada uno de los isótopos, el peso atómico del elemento es:
donde γ es la abundancia isotópica en porcentaje atómico del isótopo i, y Mi es el peso atómico.
También es posible calcular la densidad atómica de un isótopo i empleando una variación de la expresión de la densidad atómica previamente mostrada, donde γ es la fracción isotópica del isótopo i (la abundancia relativa de dicho isótopo en la naturaleza).
Clasificación de los nucleidos
Además de los isótopos, los nucleidos se pueden clasificar en las siguientes categorías, atendiendo a su configuración de neutrones y protones en el núcleo:
- Isótonos. Nucleidos que tienen el mismo número de neutrones (N) pero diferente número de protones (Z). Por ejemplo, el carbono-14 (6 protones, 8 neutrones) y el nitrógeno-15 (7 protones, 8 neutrones) son isótonos, ya que ambos tienen 8 neutrones.
- Isóbaros. Nucleidos que tienen el mismo número másico (A = Z + N), es decir, la misma suma de protones y neutrones, pero diferente número de protones. Por ejemplo, el carbono-14 (6 protones, 8 neutrones) y el nitrógeno-14 (7 protones, 7 neutrones) son isóbaros, ya que ambos tienen un número másico de 14.
- Isómeros. Nucleidos que tienen el mismo número de protones y neutrones, pero que se encuentran en estados de energía diferentes debido a la disposición diferente de los nucleones dentro del núcleo. Por ejemplo, el tecnecio-99 y el tecnecio-99m son isómeros, donde el segundo está en un estado excitado (metaestable).
Por otro lado, atendiendo a su estabilidad tendríamos:
- Nucleidos estables. No sufren desintegración radiactiva, es decir, tienen una vida media infinita.
- Nucleidos radiactivos. Sufren algún tipo de desintegración radiactiva para alcanzar un estado más estable. El Uranio-238 o el Polonio 210 son un ejemplo de nucleidos radiactivos.
Que protones y neutrones permanezcan confinados en un volumen tan extraordinariamente pequeño tiene una consecuencia fundamental: el núcleo almacena enormes cantidades de energía.
Ahora bien, para entender de dónde procede esa energía tendremos que relacionar masa, estabilidad y energía de enlace.
