Fisica Nuclear

El átomo está formado por un núcleo en el centro, alrededor del cual giran los electrones. El núcleo está constituido por protones y neutrones, excepto el núcleo de hidrógeno que sólo posee un protón. A ambos tipos de partículas se les denomina nucleones.



Los núcleos atómicos de los diferentes elementos se distinguen por el número de protones y neutrones.

El número de protones de un núcleo se denomina número atómico y se designa por la letra Z. El número total de nucleones se denomina número de masa atómica o, simplemente, número de masa y se designa por la letra A.

El número de neutrones de un núcleo es igual a la diferencia entre el número de masa y el número atómico.

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Llamemos X al símbolo de un elemento cualquiera, cuyo núcleo deseamos describir. Si su número atómico es Z y su número de masa A y representamos el núcleo correspondiente mediante el símbolo:
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Por ejemplo, un núcleo de carbono que posea 6 protones y 8 neutrones, posee un número atómico igual a 6 y un número de masa A = 6 + 8 = 14, y se representa como 146C.

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Mientras que el neutrón es neutro, como su propio nombre indica, el protón posee una carga positiva igual en valor absoluto a la del electrón. El núcleo posee siempre una carga positiva, igual al número atómico. En un átomo neutro, el número de electrones es igual al número de protones, o sea, al número atómico. Como las propiedades químicas dependen del número de electrones, los núcleos con el mismo número atómico corresponderán a un mismo elemento. Los núcleos con distintos números de masa, pero idéntico número atómico, se denominan isótopos. Así:

Los distintos isótopos de un elemento poseen el mismo número atómico, pero diferentes números de masa.

Debido a lo anterior, podemos designar un núcleo mediante el nombre del elemento y el número de masa únicamente, pues el número atómico es característica del elemento. Por ejemplo, cuando decimos carbono 14, sabemos que nos estamos refiriendo al isótopo 146C, pues todos los núcleos de carbono poseen 6 protones.

En la naturaleza se presentan los diversos isótopos de un elemento en proporciones, por lo general, muy distintas. Denominamos abundancias naturales a dichas proporciones. La masa de un elemento se calcula teniendo en cuenta las abundancias naturales, es decir, se trata de un promedio de las masas de los isótopos, sopesadas de acuerdo con las abundancias naturales.

Masas nucleares

La masa del protón es aproximadamente igual a la del neutrón y unas 1 836 veces mayor que la del electrón, por lo que en el núcleo podemos suponer concentrada casi toda la masa del átomo. Las masas del protón, del neutrón y de los distintos núcleos se miden en términos de la unidad de masa atómica unificada. Ésta se define como la doceava parte de la masa del 12C (átomo neutro de este isótopo, incluyéndose los seis electrones correspondientes), se designa con la letra u y es igual a:
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Como el 12C posee 12 nucleones, u es aproximadamente igual a la masa del protón y la del neutrón. Más exactamente se tiene:
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Según la teoría de la relatividad de Einstein, la masa se puede transformar en energía de acuerdo con la expresión:
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Con frecuencia se suelen medir las masas en unidades de energía divididas por la velocidad de la luz c al cuadrado. Teniendo en cuenta la definición del electrón-voltio, la unidad de masa unificada vale:
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La masa del protón es de 938,28 MeV/c2 y la del neutrón de 939,57 MeV/c2, mientras que la del electrón es de tan sólo 0,511 MeV/c2.

Tamaños nucleares

Rutherford y sus colaboradores, analizando la dispersión de núcleos de helio a través de capas metálicas delgadas, consiguieron medir el tamaño de los núcleos y llegaron a la conclusión de que ellos sólo ocupan una parte muy pequeña del átomo. Mientras que los átomos tiene tamaños del orden de 10-10 m, los núcleos los tienen del orden de 10-14 m. O sea, que el tamaño relativo del núcleo respecto al átomo es parecido al de una naranja respecto a la Tierra.

También se ha encontrado que los núcleos son más o menos esféricos y con un radio que viene dado aproximadamente por:
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en donde R0 es una constante igual a 1,2 • 10-15 m = 1,2 fm (recordemos que un femtómetro es 10-15 m). El volumen correspondiente a este radio es proporcional a A es decir, al número total de protones y neutrones. Por tanto, la densidad media de los núcleos es aproximadamente constante.

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