fbpx
Wikipedia

Núcleo atómico

Para otros usos de este término, véase Núcleo.

El núcleo atómico es la parte central de un átomo, tiene carga positiva, y concentra más del 99,9 % de la masa total del átomo.

Representación aproximada del átomo de Helio. en el núcleo los protones están representados en rojo y los neutrones en azul. En la realidad el núcleo también es simétricamente esférico.

Está formado por protones y neutrones (denominados nucleones) que se mantienen unidos por medio de la interacción nuclear fuerte,y detallada 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). La cantidad de protones en el núcleo (número atómico), determina el elemento químico al que pertenece. Los núcleos atómicos no necesariamente tienen el mismo número de neutrones, ya que átomos de un mismo elemento pueden tener masas diferentes, es decir son isótopos del elemento.

La existencia del núcleo atómico fue deducida del experimento de Rutherford, donde se bombardeó una lámina fina de oro con partículas 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.

Índice

El descubrimiento de los electrones fue la primera indicación de la estructura interna de los átomos. A comienzos del siglo XX el modelo aceptado del átomo era el de J.J Thomson, 'pudín de pasas', modelo en el cual el átomo era una gran bola de carga positiva con 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, beta y radiación gamma. Los experimentos de 1911 realizados por Lise Meitner y Otto Hahn, y por James Chadwick en 1914 mostraron que el espectro de decaimiento beta es continuo 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 gamma y decaimiento alfa. Esto parecía indicar que la energía no se conservaba en estos decaimientos. Posteriormente se descubrió que la energía sí se conserva, con el descubrimiento de los neutrinos.

En 1906 Ernest Rutherford publicó "El retraso de la esfera alfa del radio cuando atraviesa la materia", en Philosophical Magazine (12, p. 134-46). Hans 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. 1 de febrero de 1910). En 1911-2 Rutherford explicó ante la Royal Society los experimentos y propuso la nueva teoría del núcleo atómico. Por lo que se considera que Rutherford demostró en 1911 la existencia del núcleo atómico.

Por esas mismas fechas (1909) Ernest Rutherford realizó un experimento en el que Hans Geiger y Ernest Marsden, bajo su supervisión dispararon partículas alfa (núcleos 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. Sin embargo, descubrió que algunas partículas se dispersan a grandes ángulos, e incluso completamente hacia atrás en algunos casos. Este descubrimiento en 1911, llevó al modelo atómico de 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 durante muchos años. Se pensaba que la repulsión de las cargas positivas entre protones era solventada por los electrones (con carga negativa) interpuestos ordenadamente en medio, por lo que el electrón era considerado como un "cemento nuclear".​ Esto fue hasta que los estudios llevados a cabo por Franco Rasetti, en el Institute of Technology de California en 1929. En 1925 se sabía que los protones y electrones tiene un espín de1 / 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 de1 / 2. Rasetti descubierto, sin embargo, que elnitrógeno - 14 tiene un espín total unidad.

En 1930 Wolfgang Pauli no pudo asistir a una reunión en 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". 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 había sido observada por Walther Bothe, Herbert L. Becker, Irène y Jean Frédéric Joliot-Curie era en realidad debido a una partícula 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.

Luego del descubrimiento del neutrón, por James Chadwick, Werner Heisenberg (que enunció años antes el principio de incertidumbre), indicó que los neutrones pueden ser parte del núcleo, y no así los electrones. Con esta teoría se resolvía totalmente el problema del spin que no coincidía, además de explicar todos los aspectos del comportamiento nuclear.

Sin embargo, la nueva teoría traía consigo otro severo problema: con el modelo anterior, que incluía electrones como "cemento nuclear", se explicaba que los protones, todos con la misma carga positiva, permanecieran totalmente juntos, sin que saliesen disparados por la repulsión de cargas iguales. Sin embargo, con el modelo que incluye el neutrón, no había explicación alguna respecto a la forma en que en núcleo se mantiene unido y no explota de inmediato (es decir, ningún elemento debería existir, con la única excepción del hidrógeno). Para ejemplificar, la fuerza con la que se repelen dos protones a la distancia que están (una diezbillonésima de centímetro), es de aproximadamente 240 newtons, fuerza suficiente para elevar en el aire un objeto de algo más de 24 kilogramos (nótese la enormidad inimaginable de esa fuerza dado que estamos hablando de dos protones, cuya masa es de algo más de 10-27 kilogramos)

La enorme dificultad que sufría la teoría se fue resolviendo gradualmente. En 1927, Heisenberg propuso el principio de incertidumbre, que indica que mientras mayor sea la precisión con que conozcamos la velocidad de una partícula, con menor precisión podremos conocer su posición.

En 1930 Einstein dedujo a partir de este principio, por medios matemáticos, que si el principio es correcto, también es correcto otro tipo de indeterminación sobre la medición de la energía existente en un sistema cerrado. Mientras menor sea el lapso de tiempo en el cual se quiere saber la cantidad de energía del sistema, con menor precisión se la podrá medir.

Al momento de sugerir el modelo de núcleo protón-neutrón, en 1932, Heisenberg sugirió también la existencia de un campo de fuerza que unía los protones, por medio de la existencia efímera de una partícula. La existencia de esta partícula sería posible solo por el principio de incertidumbre, en la versión enunciada por Einstein.

El físico japonés, Hideki Yukawa, entonces se puso a analizar las propiedades de la partícula propuesta por Heisenberg, y en 1935 describió esas propiedades con precisión. La partícula solo podría existir un instante de unos 5 × 10-24 segundos, tiempo suficiente para que pueda ir de un protón a otro, pero no más allá del núcleo del átomo. La energía necesaria para la existencia de esta partícula en ese breve periodo se ajusta al principio de incertidumbre en la versión de Einstein.​ Utilizando esas ecuaciones, la energía disponible en ese periodo sería de 20 pJ (pico julios, 2 × 10-11 J o 1,25 × 108 eV), lo que equivale a una partícula con una masa de 250 veces la del electrón.

Desde entonces hubo varios intentos de detectar esa partícula experimentalmente. Por supuesto que siendo una partícula que solo existe un breve instante, y utilizando energía no disponible, solo gracias al principio de incertidumbre, sería imposible de detectar, excepto si esa energía fuese proporcionada. Los rayos cósmicos —partículas que llegan del espacio a enormes velocidades— pueden proporcionar esa energía. En 1948, experimentando con rayos cósmicos en Bolivia, la partícula fue detectada por Cecil Frank Powell. La partícula fue llamada Pion.

Forma y tamaño del núcleo

Los núcleos atómicos son mucho más pequeños que el tamaño típico de un átomo (entre 10 000 y 100 000 veces más pequeños). Además contienen más del 99 % de la masa con 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:

R n = r 0 A 1 3 {\displaystyle R_{n}=r_{0}A^{\frac {1}{3}}}

Donde r 0 10 15 m {\displaystyle r_{0}\approx 10^{-15}{\mbox{ m}}}

Densidad de carga eléctrica en el núcleo atómico.

La densidad de carga eléctrica del núcleo es aproximadamente constante hasta la distancia R n {\displaystyle \scriptstyle R_{n}} y luego decae rápidamente hasta prácticamente 0 en una distancia a {\displaystyle \scriptstyle a} de acuerdo con la fórmula:

ρ ( r ) = ρ 0 1 + exp ( r R n 0 , 228 a ) {\displaystyle \rho (r)={\frac {\rho _{0}}{1+\exp \left({\frac {r-R_{n}}{0,228a}}\right)}}}

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 posean momento cuadrupolar diferente de cero. Este momento cuadrupolar se manifiesta en la estructura hiperfina de los espectros atómicos y hace que el campo eléctrico del núcleo no sea un campo coulombiano con simetría esférica.

Estabilidad del núcleo

Diagrama de Segrè, en rojo los núcleos estables, en otros colores los núcleos inestables coloreados según el período de desintegración. Obsérvese que un ligero exceso de neutrones favorece la estabilidad en átomos pesados.

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 o radiactivos.

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) n 0 p + + e + ν ¯ e {\displaystyle n^{0}\to p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}

Sin embargo, dentro del núcleo atómico la cercanía entre neutrones y protones hace que sean mucho más rápidas, vía interacción fuerte las reacciones:

(2) { n 0 p + + π p + n 0 + π + {\displaystyle {\begin{cases}n^{0}\rightleftarrows p^{+}+\pi ^{-}\\p^{+}\rightleftarrows n^{0}+\pi ^{+}\end{cases}}}

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 desequilibra, se abre la posibilidad de que en cada momento haya más neutrones y sea más fácil la ocurrencia de la reacción (1).

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 calcular 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 cual se encontrarían incrustados los electrones en distintos lugares, de manera que la cantidad de carga 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 sorprendente, muy pocas rebotaron contra la lámina.

A la luz de la fórmula dispersión usada por Rutherford:

(1) χ = 2 π 2 cos 1 ( 2 K / ( E 0 b ) 1 + ( 2 K / ( E 0 b ) ) 2 ) {\displaystyle \chi =2\pi -2\cos ^{-1}\left({\frac {2K/(E_{0}b)}{\sqrt {1+(2K/(E_{0}b))^{2}}}}\right)}

Donde:

K = ( q N / 4 π ε 0 ) {\displaystyle K=(q_{N}/4\pi \varepsilon _{0})\,} , siendo ε 0 {\displaystyle \varepsilon _{0}} la constante dieléctrica del vacío y q N {\displaystyle q_{N}\,} , es la carga eléctrica del centro dispersor.
E 0 {\displaystyle E_{0}\,} , es la energía cinética inicial de la partícula alfa incidente.
b {\displaystyle b\,} 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 estaría 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 mutuamente 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 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. 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 coulombiana 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 individuales (protones y neutrones) que lo forman. Esta no conservación de la masa está conectada con la ecuación E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} de Einstein, por la cual parte de la masa está en forma de energía de ligazón entre dichos componentes. Cuantitativamente se tiene la siguiente ecuación:

m N = Z m p + ( A Z ) m n B c 2 {\displaystyle m_{N}=Zm_{p}+(A-Z)m_{n}-{\frac {B}{c^{2}}}}

Donde:

m N , m p , m n {\displaystyle m_{N},m_{p},m_{n}\,} son respectivamente la masa del núcleo, la masa de un protón y la masa de un neutrón.
Z , A , A Z {\displaystyle Z,A,A-Z\,} 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.
B {\displaystyle B\,} 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 como B:

B = B v + B s + B c + B a + B p {\displaystyle B=B_{v}+B_{s}+B_{c}+B_{a}+B_{p}\,}

Donde:

B v = a v A {\displaystyle B_{v}=a_{v}A\,} este término representa el efecto favorable del volumen.
B s = a s A 2 / 3 {\displaystyle B_{s}=-a_{s}A^{2/3}\,} este término representa el efecto desfavorable de la superficie.
B c = a c Z 2 A 1 / 3 {\displaystyle B_{c}=-a_{c}Z^{2}A^{-1/3}\,} representa el efecto de la repulsión coulombiana entre protones.
B a = a a ( A 2 Z ) 2 / A {\displaystyle B_{a}=-a_{a}(A_{2}Z)^{2}/A\,} representa el hecho de que los núcleos "equilibrados" con un número similar de protones y neutrones son más estables.
B p {\displaystyle B_{p}\,} 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:
B p = { + a p A 1 / 2 (par-par) 0 (impar-par) a p A 1 / 2 (impar-impar) {\displaystyle B_{p}={\begin{cases}+a_{p}A^{-1/2}&{\mbox{(par-par)}}\\0&{\mbox{(impar-par)}}\\-a_{p}A^{-1/2}&{\mbox{(impar-impar)}}\end{cases}}}

Modelo de capas

Este 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 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 formada por un conjunto de estados cuánticos con energías similares, 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.

  1. Asimov, 1972, Aproximadamente en el sitio 9,26 % del ensayo (66,6 % del libro)
  2. Asimov, 1972, Aproximadamente en el sitio 22,2 % del ensayo (67,3 % del libro)
  3. Asimov, 1972, Aproximadamente en el sitio 32,9 % del ensayo (67,9 % del libro)
  4. Asimov, 1972-b, Aproximadamente en el sitio 38,9 % del ensayo (62,8 % del libro)
  5. Asimov, 1972, Aproximadamente en el sitio 72,8 % del ensayo (70 % del libro)
  6. Asimov, 1972, Aproximadamente en el sitio 93,2 % del ensayo (71,1 % del libro)
  7. C. Sánchez del Río, 2003, p. 893
  8. C. Sánchez del Río, 2003, p. 894
  • Asimov, Isaac (1972), Ensayo "A espaldas del maestro" décimo tercer capítulo del libro "El electrón es zurdo y otros ensayos".
  • Asimov, Isaac (1972-b), Ensayo "La certidumbre de la incertidumbre" décimo segundo capítulo del libro "El electrón es zurdo y otros ensayos".
  • C. Sánchez del Río (2003). «Estructura de los núcleos atómicos». En C. Sánchez del Río, ed. Física cuántica. Ediciones Pirámide. pp. 882-899. ISBN 978-84-368-1656-3.


Núcleo atómico
núcleo, atómico, parte, central, átomo, idioma, vigilar, editar, para, otros, usos, este, término, véase, núcleo, núcleo, atómico, parte, central, átomo, tiene, carga, positiva, concentra, más, masa, total, átomo, representación, aproximada, átomo, helio, núcl. Nucleo atomico parte central de un atomo Idioma Vigilar Editar Para otros usos de este termino vease Nucleo El nucleo atomico es la parte central de un atomo tiene carga positiva y concentra mas del 99 9 de la masa total del atomo Representacion aproximada del atomo de Helio en el nucleo los protones estan representados en rojo y los neutrones en azul En la realidad el nucleo tambien es simetricamente esferico Esta formado por protones y neutrones denominados nucleones que se mantienen unidos por medio de la interaccion nuclear fuerte y detallada la cual permite que el nucleo sea estable a pesar de que los protones se repelen entre si como los polos iguales de dos imanes La cantidad de protones en el nucleo numero atomico determina el elemento quimico al que pertenece Los nucleos atomicos no necesariamente tienen el mismo numero de neutrones ya que atomos de un mismo elemento pueden tener masas diferentes es decir son isotopos del elemento La existencia del nucleo atomico fue deducida del experimento de Rutherford donde se bombardeo una lamina fina de oro con particulas alfa que son nucleos atomicos de helio emitidos por rocas radiactivas La mayoria de esas particulas traspasaban la lamina pero algunas rebotaban lo cual demostro la existencia de un minusculo nucleo atomico Indice 1 Historia 2 Descripcion del nucleo 2 1 Forma y tamano del nucleo 2 2 Estabilidad del nucleo 3 Modelos de estructura del nucleo atomico 3 1 Modelo de la gota liquida 3 2 Modelo de capas 4 Vease tambien 5 Referencias 6 BibliografiaHistoria EditarEl descubrimiento de los electrones fue la primera indicacion de la estructura interna de los atomos A comienzos del siglo XX el modelo aceptado del atomo era el de J J Thomson pudin de pasas modelo en el cual el atomo era una gran bola de carga positiva con los pequenos electrones cargados negativamente incrustado dentro de la misma Por aquel entonces los fisicos habian descubierto tambien tres tipos de radiaciones procedentes de los atomos alfa beta y radiacion gamma Los experimentos de 1911 realizados por Lise Meitner y Otto Hahn y por James Chadwick en 1914 mostraron que el espectro de decaimiento beta es continuo y no discreto Es decir los electrones son expulsados del atomo con una gama de energias en vez de las cantidades discretas de energia que se observa en rayos gamma y decaimiento alfa Esto parecia indicar que la energia no se conservaba en estos decaimientos Posteriormente se descubrio que la energia si se conserva con el descubrimiento de los neutrinos En 1906 Ernest Rutherford publico El retraso de la esfera alfa del radio cuando atraviesa la materia en Philosophical Magazine 12 p 134 46 Hans Geiger amplio este trabajo en una comunicacion a la Royal Society Proc Roy Soc 17 de julio de 1908 con experimentos y Rutherford se habia hecho pasar aire a traves de las particulas a 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 aun mas el trabajo en la publicacion de 1910 por Geiger Proc Roy Soc 1 de febrero de 1910 En 1911 2 Rutherford explico ante la Royal Society los experimentos y propuso la nueva teoria del nucleo atomico Por lo que se considera que Rutherford demostro en 1911 la existencia del nucleo atomico 1 Por esas mismas fechas 1909 Ernest Rutherford realizo un experimento en el que Hans Geiger y Ernest Marsden bajo su supervision dispararon particulas alfa nucleos de helio en una delgada lamina de oro El modelo atomico de Thomson predecia que la de las particulas alfa debian salir de la lamina con pequenas desviaciones de sus trayectorias Sin embargo descubrio que algunas particulas se dispersan a grandes angulos e incluso completamente hacia atras en algunos casos Este descubrimiento en 1911 llevo al modelo atomico de Rutherford en que el atomo esta constituido por protones y electrones Asi el atomo del nitrogeno 14 estaria constituido por 14 protones y 7 electrones 1 El modelo de Rutherford funciono bastante bien durante muchos anos Se pensaba que la repulsion de las cargas positivas entre protones era solventada por los electrones con carga negativa interpuestos ordenadamente en medio por lo que el electron era considerado como un cemento nuclear 1 Esto fue hasta que los estudios llevados a cabo por Franco Rasetti en el Institute of Technology de California en 1929 En 1925 se sabia que los protones y electrones tiene un espin de 1 2 y en el modelo de Rutherford nitrogeno 14 los 14 protones y seis de los electrones deberian cancelar sus contribuciones al espin total estimandose un espin total de 1 2 Rasetti descubierto sin embargo que el nitrogeno 14 tiene un espin total unidad 2 En 1930 Wolfgang Pauli no pudo asistir a una reunion en Tubinga y en su lugar envio una carta famoso con la clasica introduccion Queridos Senoras y senores radiactivos En su carta Pauli sugirio que tal vez existia una tercera particula en el nucleo que la bautizo con el nombre de neutrones Sugirio que era mas ligero que un electron y sin carga electrica y que no interactuaba facilmente con la materia y por eso todavia no se le habia detectado Esta hipotesis permitia resolver tanto el problema de la conservacion de la energia en la desintegracion beta y el espin de nitrogeno 14 la primera porque los neutrones llevaban la energia no detectada y el segundo porque un electron extra se acoplaba con el electron sobrante en el nucleo de nitrogeno 14 para proporcionar un espin de 1 Enrico Fermi redenomino en 1931 los neutrones de Pauli como neutrinos en italiano pequeno neutral y unos treinta anos despues se demostro finalmente que un neutrinos realmente se emiten en el decaimiento beta En 1932 James Chadwick se dio cuenta de que la radiacion que habia sido observada por Walther Bothe Herbert L Becker Irene y Jean Frederic Joliot Curie era en realidad debido a una particula que el llamo el neutron En el mismo ano Dimitri Ivanenko sugirio que los neutrones eran de hecho particulas de espin 1 2 que existian en el nucleo y que no existen electrones en el mismo y Francis Perrin sugirio que los neutrinos son particulas nucleares que se crean durante el decaimiento beta Fermi publico 1934 una teoria de los neutrinos con una solida base teorica En el mismo ano Hideki Yukawa propuso la primera teoria importante de la fuerza para explicar la forma en que el nucleo mantiene junto Luego del descubrimiento del neutron por James Chadwick Werner Heisenberg que enuncio anos antes el principio de incertidumbre indico que los neutrones pueden ser parte del nucleo y no asi los electrones Con esta teoria se resolvia totalmente el problema del spin que no coincidia ademas de explicar todos los aspectos del comportamiento nuclear 2 Sin embargo la nueva teoria traia consigo otro severo problema con el modelo anterior que incluia electrones como cemento nuclear se explicaba que los protones todos con la misma carga positiva permanecieran totalmente juntos sin que saliesen disparados por la repulsion de cargas iguales Sin embargo con el modelo que incluye el neutron no habia explicacion alguna respecto a la forma en que en nucleo se mantiene unido y no explota de inmediato es decir ningun elemento deberia existir con la unica excepcion del hidrogeno Para ejemplificar la fuerza con la que se repelen dos protones a la distancia que estan una diezbillonesima de centimetro es de aproximadamente 240 newtons fuerza suficiente para elevar en el aire un objeto de algo mas de 24 kilogramos notese la enormidad inimaginable de esa fuerza dado que estamos hablando de dos protones cuya masa es de algo mas de 10 27 kilogramos 3 La enorme dificultad que sufria la teoria se fue resolviendo gradualmente En 1927 Heisenberg propuso el principio de incertidumbre que indica que mientras mayor sea la precision con que conozcamos la velocidad de una particula con menor precision podremos conocer su posicion 4 En 1930 Einstein dedujo a partir de este principio por medios matematicos que si el principio es correcto tambien es correcto otro tipo de indeterminacion sobre la medicion de la energia existente en un sistema cerrado Mientras menor sea el lapso de tiempo en el cual se quiere saber la cantidad de energia del sistema con menor precision se la podra medir 3 Al momento de sugerir el modelo de nucleo proton neutron en 1932 Heisenberg sugirio tambien la existencia de un campo de fuerza que unia los protones por medio de la existencia efimera de una particula La existencia de esta particula seria posible solo por el principio de incertidumbre en la version enunciada por Einstein 5 El fisico japones Hideki Yukawa entonces se puso a analizar las propiedades de la particula propuesta por Heisenberg y en 1935 describio esas propiedades con precision La particula solo podria existir un instante de unos 5 10 24 segundos tiempo suficiente para que pueda ir de un proton a otro pero no mas alla del nucleo del atomo La energia necesaria para la existencia de esta particula en ese breve periodo se ajusta al principio de incertidumbre en la version de Einstein 5 Utilizando esas ecuaciones la energia disponible en ese periodo seria de 20 pJ pico julios 2 10 11 J o 1 25 108 eV lo que equivale a una particula con una masa de 250 veces la del electron Desde entonces hubo varios intentos de detectar esa particula experimentalmente Por supuesto que siendo una particula que solo existe un breve instante y utilizando energia no disponible solo gracias al principio de incertidumbre seria imposible de detectar excepto si esa energia fuese proporcionada Los rayos cosmicos particulas que llegan del espacio a enormes velocidades pueden proporcionar esa energia En 1948 experimentando con rayos cosmicos en Bolivia la particula fue detectada por Cecil Frank Powell La particula fue llamada Pion 6 Descripcion del nucleo EditarForma y tamano del nucleo Editar Los nucleos atomicos son mucho mas pequenos que el tamano tipico de un atomo entre 10 000 y 100 000 veces mas pequenos Ademas contienen mas del 99 de la masa con lo cual la densidad masica del nucleo es muy elevada Los nucleos atomicos tienen algun 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 magnetico nuclear Sin embargo los experimentos revelan que el nucleo se parece mucho a una esfera o elipsoide compacto de 10 15 m 1 fm en el que la densidad parece practicamente constante Naturalmente el radio varia segun el numero de protones y neutrones siendo los nucleos mas pesados y con mas particulas algo mas grandes La siguiente formula da el radio del nucleo en funcion del numero de nucleones A R n r 0 A 1 3 displaystyle R n r 0 A frac 1 3 Donde r 0 10 15 m displaystyle r 0 approx 10 15 mbox m Densidad de carga electrica en el nucleo atomico La densidad de carga electrica del nucleo es aproximadamente constante hasta la distancia R n displaystyle scriptstyle R n y luego decae rapidamente hasta practicamente 0 en una distancia a displaystyle scriptstyle a de acuerdo con la formula r r r 0 1 exp r R n 0 228 a displaystyle rho r frac rho 0 1 exp left frac r R n 0 228a right Donde r es la distancia radial al centro del nucleo atomico Las aproximaciones anteriores son mejores para nucleos esfericos aunque la mayoria de nucleos no parecen ser esfericos como revela que posean momento cuadrupolar diferente de cero Este momento cuadrupolar se manifiesta en la estructura hiperfina de los espectros atomicos y hace que el campo electrico del nucleo no sea un campo coulombiano con simetria esferica Estabilidad del nucleo Editar Diagrama de Segre en rojo los nucleos estables en otros colores los nucleos inestables coloreados segun el periodo de desintegracion Observese que un ligero exceso de neutrones favorece la estabilidad en atomos pesados Los nucleos atomicos se comportan como particulas compuestas a energias suficientemente bajas Ademas la mayoria de nucleos atomicos por debajo de un cierto peso atomico y que ademas presentan un equilibrio entre el numero de neutrones y el numero de protones numero atomico son estables Sin embargo sabemos que los neutrones aislados y los nucleos con demasiados neutrones o demasiados protones son inestables o radiactivos La explicacion de esta estabilidad de los nucleos reside en la existencia de los piones Aisladamente los neutrones pueden sufrir via interaccion debil la siguiente desintegracion 1 n 0 p e n e displaystyle n 0 to p e bar nu e Sin embargo dentro del nucleo atomico la cercania entre neutrones y protones hace que sean mucho mas rapidas via interaccion fuerte las reacciones 2 n 0 p p p n 0 p displaystyle begin cases n 0 rightleftarrows p pi p rightleftarrows n 0 pi end cases Esto hace que continuamente los neutrones del nucleo se transformen en protones y algunos protones en neutrones esto hace que la reaccion 1 apenas tenga tiempo de acontecer lo que explica que los neutrones de los nucleos atomicos sean mucho mas estable que los neutrones aislados Si el numero de protones y neutrones se desequilibra se abre la posibilidad de que en cada momento haya mas neutrones y sea mas facil la ocurrencia de la reaccion 1 Modelos de estructura del nucleo atomico EditarArticulo principal Estructura nuclear Estructura interna del atomo En 1808 el quimico ingles John Dalton propone una nueva teoria sobre la constitucion de la materia Segun Dalton toda la materia esta formada por atomos 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 atomos como una hipotesis para explicar porque los atomos solo se combinaban en ciertas combinaciones concretas El estudio de esas combinaciones le llevo a poder calcular los pesos atomicos Para Dalton la existencia del nucleo atomico era desconocida y se consideraba que no existian partes mas pequenas En 1897 Joseph John Thomson fue el primero en proponer un modelo estructural interno del atomo Thomson fue el primero en identificar el electron como particula subatomica de carga negativa y concluyo que si los atomos contienen particulas negativas y la materia se presenta con neutralidad de carga entonces deben existir particulas positivas Es asi como Thomson postulo que el atomo debe ser una esfera compacta positiva en la cual se encontrarian incrustados los electrones en distintos lugares de manera que la cantidad de carga negativa sea igual a la carga positiva Asi ni el modelo atomico de Dalton ni el de Thomson incluian ninguna descripcion del nucleo atomico La nocion de nucleo atomico surgio en 1911 cuando Ernest Rutherford y sus colaboradores Hans Geiger y Ernest Marsden utilizando un haz de radiacion alfa bombardearon hojas laminadas metalicas muy delgadas colocando una pantalla de sulfuro de zinc a su alrededor sustancia que tenia la cualidad de producir destellos con el choque de las particulas alfa incidentes La hoja metalica fue atravesada por la mayoria de las particulas alfa incidentes algunas de ellas siguieron en linea recta otras fueron desviadas de su camino y lo mas sorprendente muy pocas rebotaron contra la lamina A la luz de la formula dispersion usada por Rutherford 1 x 2 p 2 cos 1 2 K E 0 b 1 2 K E 0 b 2 displaystyle chi 2 pi 2 cos 1 left frac 2K E 0 b sqrt 1 2K E 0 b 2 right Donde K q N 4 p e 0 displaystyle K q N 4 pi varepsilon 0 siendo e 0 displaystyle varepsilon 0 la constante dielectrica del vacio y q N displaystyle q N es la carga electrica del centro dispersor E 0 displaystyle E 0 es la energia cinetica inicial de la particula alfa incidente b displaystyle b es el parametro de impacto Los resultados del experimento requerian parametros de impacto muy pequenos y por tanto que el nucleo estuviera concentrado en la parte central el nucleo de carga positiva donde estaria concentrada la masa del atomo con ello explicaba la desviacion de las particulas alfa particulas de carga positiva Los electrones se encontrarian en una estructura externa girando en orbitas circulares muy alejadas del nucleo lo que explicaria el paso mayoritario de las particulas alfa a traves de la lamina de oro En 1913 Niels Bohr postula que los electrones giran a grandes velocidades alrededor del nucleo atomico Los electrones se disponen en diversas orbitas circulares las cuales determinan diferentes niveles de energia El electron puede acceder a un nivel de energia superior para lo cual necesita absorber energia Para volver a su nivel de energia original es necesario que el electron emita la energia absorbida por ejemplo en forma de radiacion Comunmente existen dos modelos diferentes describir el nucleo atomico El modelo de la gota de agua El modelo de capas Aunque dichos modelos son mutuamente excluyentes en sus hipotesis basicas tal como fueron formulados originalmente A Bohr y Mottelson construyeron un modelo mixto que combinaba fenomenologicamente caracteristicas de ambos modelos Modelo de la gota liquida Editar Energia de enlace por nucleon B A para los isotopos conocidos Este modelo no pretende describir la compleja estructura interna del nucleo sino solo las energias de enlace entre neutrones y protones asi como algunos aspectos de los estados excitados de un nucleo atomico que se reflejan en los espectros nucleares Fue inicialmente propuesto por Bohr 1935 y el nucleo en analogia con una masa de fluido clasico compuesto por neutrones y protones y una fuerza central coulombiana repulsiva proporcional al numero 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 nucleo atomico es inferior a la masa de los componentes individuales protones y neutrones que lo forman Esta no conservacion de la masa esta conectada con la ecuacion E m c 2 displaystyle E mc 2 de Einstein por la cual parte de la masa esta en forma de energia de ligazon entre dichos componentes Cuantitativamente se tiene la siguiente ecuacion 7 m N Z m p A Z m n B c 2 displaystyle m N Zm p A Z m n frac B c 2 Donde m N m p m n displaystyle m N m p m n son respectivamente la masa del nucleo la masa de un proton y la masa de un neutron Z A A Z displaystyle Z A A Z son respectivamente el numero atomico que coincide con el numero de protones el numero masico que coincide con el numero de nucleones y A Z por tanto coincide con el numero de neturones B displaystyle B es la energia de enlace entre todos los nucleones El modelo de la gota de agua pretende describir la energia de enlace B a partir de consideraciones geometricas e interpreta la energia de los estados excitados de los nucleos como rotaciones o vibraciones semiclasicas de la gota de agua que representa el nucleo En concreto en este modelo la energia de enlace se representa como B 8 B B v B s B c B a B p displaystyle B B v B s B c B a B p Donde B v a v A displaystyle B v a v A este termino representa el efecto favorable del volumen B s a s A 2 3 displaystyle B s a s A 2 3 este termino representa el efecto desfavorable de la superficie B c a c Z 2 A 1 3 displaystyle B c a c Z 2 A 1 3 representa el efecto de la repulsion coulombiana entre protones B a a a A 2 Z 2 A displaystyle B a a a A 2 Z 2 A representa el hecho de que los nucleos equilibrados con un numero similar de protones y neutrones son mas estables B p displaystyle B p representa el hecho de que los nucleos con un numero par de protones y neutrones son mas estables que los que tienen un numero impar de ambas especies Matematicamente el termino viene dado por B p a p A 1 2 par par 0 impar par a p A 1 2 impar impar displaystyle B p begin cases a p A 1 2 amp mbox par par 0 amp mbox impar par a p A 1 2 amp mbox impar impar end cases Modelo de capas Editar Este es un modelo que trata de capturar parte de la estructura interna reflejada tanto en el momento angular del nucleo como en su momento angular Ademas el modelo pretende explicar porque los nucleos con un numero magico de nucleones neutrones y protones resultan mas estables los numeros magicos son 2 8 20 28 50 82 y 126 La explicacion del modelo es que los nucleones se agrupan en capas Cada capa esta formada por un conjunto de estados cuanticos con energias similares la diferencia de energia entre dos capa es grande comparada con las variaciones de energia dentro de cada capa Asi dado que los nucleones son fermiones un nucleo atomico tendra las capas de menor energia llena por lo que los nucleones no pueden caer a capas inferiores ya llenas Las capas aqui deben entenderse en un sentido abstracto y no como capas fisicas como las capas de una cebolla de hecho la forma geometrica del espacio ocupado por un nucleon en un determinado estado de una capa se interpenetra con el espacio ocupado por nucleones de otras capas de manera analoga a como las capas electronicas se interpenetran en un atomo Vease tambien EditarEstructura nuclear Fision y fusion nuclear Acelerador de particulas Radio nuclear Nube electronicaReferencias Editar a b c Asimov 1972 Aproximadamente en el sitio 9 26 del ensayo 66 6 del libro a b Asimov 1972 Aproximadamente en el sitio 22 2 del ensayo 67 3 del libro a b Asimov 1972 Aproximadamente en el sitio 32 9 del ensayo 67 9 del libro Asimov 1972 b Aproximadamente en el sitio 38 9 del ensayo 62 8 del libro a b Asimov 1972 Aproximadamente en el sitio 72 8 del ensayo 70 del libro Asimov 1972 Aproximadamente en el sitio 93 2 del ensayo 71 1 del libro C Sanchez del Rio 2003 p 893 C Sanchez del Rio 2003 p 894Bibliografia EditarAsimov Isaac 1972 Ensayo A espaldas del maestro decimo tercer capitulo del libro El electron es zurdo y otros ensayos Asimov Isaac 1972 b Ensayo La certidumbre de la incertidumbre decimo segundo capitulo del libro El electron es zurdo y otros ensayos C Sanchez del Rio 2003 Estructura de los nucleos atomicos En C Sanchez del Rio ed Fisica cuantica Ediciones Piramide pp 882 899 ISBN 978 84 368 1656 3 Datos Q37147 Multimedia Atomic nucleus Obtenido de https es wikipedia org w index php title Nucleo atomico amp oldid 138783205, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

español

, española, descargar, gratis, descargar gratis, mp3, video, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, imagen, música, canción, película, libro, juego, juegos