El
núcleo atómico
Toda
la materia está compuesta de diferentes combinaciones de por lo menos tres
partículas fundamentales: protones, neutrones y electrones. Por ejemplo, un
átomo de berilio (figura 17.1) consta de un núcleo que contiene cuatro protones
y cinco neutrones. El hecho de que el berilio sea eléctricamente neutro pone de
manifiesto la necesidad de que el núcleo esté rodeado por cuatro electrones.
Los dos electrones interiores se encuentran en un nivel de energía (n = 1)
diferente que los dos electrones externos (n = 2).
Los
experimentos acerca de la desviación que realizó Rutherford (véase el capitulo
16) demostraron que el núcleo contiene la mayor parte de la masa de un átomo y
que corresponde tan solo a aproximadamente la diez milésima parte del diámetro
del átomo. Por tanto, un átomo típico con un diámetro de 10-10 m
(100 pm) tendría un núcleo de unos 10-14 (10 fm) de diámetro.
Figura
17.1 Un modelo del átomo de berilio. El núcleo consta de cuatro pro- tones y
cinco neutrones rodeados por cuatro electrones. La carga positiva de los
protones se equilibra exactamente con los electrones cargados negativa- mente
en el electrón neutro.
Los
prefijos pico- (10-12) y femto- (10-15) son útiles para
expresar dimensiones nucleares. Puesto que el diámetro de un átomo es 10 000
veces mayor que el de su núcleo, el átomo y, por tanto, la materia, está
formada en su mayor parte de espacio que se encuentra casi vació.
Es
necesario que reseñemos lo que se conoce como partículas fundamentales. El electrón
tiene una masa de 9.1 x 10-31 kg y una carga de e = -1.6 x 10-19
C. El protón es el núcleo de un átomo de hidrógeno. Tiene una masa de 1.673 x
10-27 kg y una carga positiva igual en magnitud a la carga de un
electrón (+e). En vista de que la masa de un electrón es extremadamente pequeña,
la masa de un protón es más o menos igual que la de un átomo de hidrógeno, el
cual consta de un protón y un electrón. El protón tiene un diámetro de 3 fm
aproximadamente.
La
otra partícula nuclear, el neutrón, está presente en el núcleo de todos los
elementos, con excepción del hidrógeno. Tiene una masa de 1.675 × 10-27 kg, que
es ligeramente mayor que la del protón, pero no tiene carga. Por consiguiente,
los neutrones contribuyen a la masa de un núcleo, pero no afectan la carga
positiva neta del núcleo, la cual depende únicamente de los protones. El
neutrón también tiene un diámetro de aproximadamente 3 fm. En la tabla 17.1 se
resumen los datos que hemos mencionado, para el caso de las tres partículas
fundamentales.
A
partir de lo que sabemos sobre las tres partículas fundamentales es obvio que
los diagramas como el de la figura 17.1 no deben ser tomados como la realidad.
En general, las distancias no están representadas a escala en tales
representaciones esquemáticas. Más aún, las leyes clásicas de la física a
menudo no se aplican al micro- mundo del núcleo.
Para
comprender claramente los eventos atómicos y nucleares es preciso adoptar una
nueva forma de pensar. Por ejemplo, se puede preguntar por qué se mantiene
unido el núcleo. Es evidente que, si la repulsión electrostática de Coulomb se
aplica al núcleo, esta tiene que ser superada en él por una fuerza mucho mayor.
Tanto esta fuerza mucho más grande como la fuerza electrostática son inmensas,
comparadas con la fuerza gravitacional. Esta tercera fuerza se llama fuerza
nuclear.
La
fuerza nuclear es muy intensa y de corto alcance. Si dos nucleones (que son
protones o neutrones) están separados por aproximadamente 1 fm, se produce una
fuerza de atracción muy intensa que decae rápidamente a cero a medida que aumenta
su separación. Tal parece que la fuerza es la misma, o casi la misma, entre dos
protones o dos neutrones, o entre un neutrón y un protón. Si un nucleón está
completamente rodeado de otros nucleones, su campo de fuerza nuclear estará
saturado y no podrá ejercer fuerza alguna sobre otros nucleones, excepto sobre
aquellos que lo rodean.
Los
elementos
Durante
muchos siglos, los científicos han estudiado los diversos elementos que hay en
la Tierra y se han realizado múltiples intentos de organizarlos, de acuerdo con
A cada
elemento se le asigna un número que lo distingue de los demás. Por ejemplo, el
número del hidrógeno es 1, el del helio es 4 y el del oxígeno es 8. Estos
números son iguales al número de protones que hay en el núcleo de ese elemento.
El número recibe el símbolo Z y se llama número atómico.
Número
atómico
El
número atómico Z de un elemento es igual al número de protones que hay en el
núcleo de un átomo de ese elemento.
Del
número atómico dependen indirectamente las propiedades químicas de cada
elemento, en virtud de que Z determina el número de electrones que se necesitan
para equilibrar la carga positiva del núcleo. La naturaleza química de un átomo
de- pende del número de electrones que lo forman, en particular los más
externos, llamados electrones de valencia.
Al
aumentar el número de protones en el núcleo también aumenta el número de
neutrones. En los elementos más ligeros, el incremento es aproximadamente de
uno a uno, pero los elementos más pesados pueden tener un número de neutrones
más de 1.5 veces mayor que el número de protones. Por ejemplo, el oxígeno tiene
8 pro- tones y 8 neutrones, en tanto que el uranio tiene 92 protones y 146
neutrones. El número total de nucleones en un núcleo se conoce como número de
masa A.
Número
de masa A
El
número de masa A de un elemento es igual al número total de protones y neutrones
que hay en su núcleo.
Si
representamos el número de neutrones con N, podemos escribir el número de masa
A en términos del número atómico Z y del número de neutrones:
A = Z
+N
Por
tanto, el número de masa del uranio es 92 + 146 = 238.
Una
forma general de describir el núcleo de un átomo específico es indicar el símbolo
del elemento con su número de masa y su número atómico de la forma siguiente:
Por ejemplo, el átomo de uranio tiene el símbolo
TABLA DE LOS PESOS ATOMICOS
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Otro link para ver la Estructura del Núcleo
