Septiembre 95/96, Opción B
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¿Cómo es posible que los protones y neutrones que constituyen un núcleo permanezcan unidos, siendo tan pequeño el tamaño de un núcleo y repulsivas las fuerzas entre las cargas del mismo signo?.

SOLUCIÓN

La presencia de cargas eléctricas del mismo signo en un espacio tan pequeño como el núcleo atómico no puede explicarse recurriendo a la consideración de fuerzas gravitatorias o eléctricas. Las primeras pueden descartarse frente a las eléctricas, y éstas, a esas distancias resultan altamente repulsivas para cargas del mismo signo.

El modelo teórico debe considerar otro tipo de interacción que únicamente tenga lugar a distancias propias del núcleo. Esta fuerza se conoce con el nombre de interacción nuclear fuerte.

Esta interacción debe poder explicar las propiedades de los núcleos atómicos:

Ø Densidad constante, independiente del número de nucleones

Ø La ruptura de un núcleo requiere una gran cantidad de energía

Las interacciones nucleares fuertes tienen las siguientes características:

Ø Son fuerzas atractivas, esto explica la existencia de núcleos tan pequeños y de tan alta densidad

Ø Son de intensidad muy fuerte, vencen la fuerza de repulsión electrostática entre los protones.

Ø Son de corto alcance, solo es apreciable cuando las partículas que interaccionan están muy cerca unas de otras (distancias del orden de 10-15 m)

Ø Son independientes de la carga eléctrica, las interacciones nucleares protón-protón, protón-neutrón o neutrón- neutrón, son prácticamente iguales.

En la siguiente figura se representa la energía potencial nuclear en función de la distancia para un par de nucleones. En ella se observa que por debajo de una distancia determinada (0,4 fm) la interacción entre los nucleones se vuelve repulsiva. De la misma forma, la gráfica muestra que existe una distancia de equilibrio para la que la energía potencial es mínima

La gran estabilidad de los núcleos atómicos puede explicarse a partir de la energía de enlace. Mediante técnicas de espectrometría de masas, se ha comprobado que la masa de los núcleos es inferior a la masa de los nucleones que lo componen. Para un núcleo X de masa m este defecto de masa, ∆m, es la diferencia entre la suma de las masas de los nucleones y la masa del núcleo:

Δm= [Z mp + (A-Z) mn ]– mX

donde

mp es la masa del protón; Z es el número atómico

mn es la masa del neutrón; A es el número másico

mx es la masa del núcleo considerado

Este defecto de masa explica (teoría de la relatividad) la estabilidad de un núcleo. La equivalencia entre masa y energía viene dada por:

D E = D m · c2

En la formación de un núcleo se libera una energía equivalente a ese defecto de masa. Cuanto mayor sea el defecto de masa, mayor será la energía liberada y, por lo tanto, mayor será la estabilidad del núcleo.

Los núcleos con número atómico pequeño (menor de 40) resultan relativamente estables. En ellos la relación entre el número de protones y neutrones se mantiene en la unidad. A partir de ese número atómico, para seguir manteniendo la estabilidad, los núcleos requieren que el número de neutrones sea mayor de tal modo que la relación nº de neutrones/ nº de protones supera la unidad.

A partir del elemento de número atómico 83, los núcleos se vuelven inestables y se produce el fenómeno de la radiactividad. La estabilidad de estos núcleos la consiguen emitiendo el propio núcleo partículas alfa (disminuye el número de protones y neutrones), partículas beta (disminuye el número de neutrones) o radiación gamma.