Núcleo atómico

El núcleo de un átomo es la región muy pequeña densa de un átomo, en su centro que consiste en nucleones ( protones y neutrones ). El tamaño (diámetro) del núcleo está en el intervalo de 1,6 fm (10 ^-15 m) (para un protón de hidrógeno en la luz) a aproximadamente 15 fm (para los átomos más pesados, como el uranio). Estas dimensiones son mucho más pequeños que el tamaño del átomo mismo por un factor de aproximadamente 23000 (uranio) a aproximadamente 145.000 (hidrógeno). Casi la totalidad de la masa de un átomo está compuesto de protones y neutrones en el núcleo con una muy pequeña contribución de los orbitando electrones . La etimología del término núcleo es de 1704 significa "núcleo de una nuez". En 1844, Michael Faraday utiliza el término para referirse a la "punto central de un átomo". El significado atómica moderna fue propuesto por Ernest Rutherford en 1912. La adopción del término "núcleo" de la teoría atómica, sin embargo, no se hizo esperar. En 1916, por ejemplo, Gilbert N. Lewis declaró, en su famoso artículo El átomo y la molécula, que "el átomo está compuesto por el núcleo y un átomo exterior o cáscara".

Introducción

Maquillaje Nuclear

El núcleo de un átomo está formado por protones y neutrones (dos tipos de bariones) vinculados por el fuerza nuclear. Estos bariones están compuestos además de las partículas fundamentales subatómicas conocidas como quarks unidos por el fuerte interacción.

Isótopos y nucleidos

El isótopo de un átomo se determina por el número de neutrones en el núcleo. Diferentes isótopos de un mismo elemento tienen muy similares químicas propiedades. Diferentes isótopos en una muestra de un producto químico en particular se pueden separar mediante el uso de una centrifugación o mediante el uso de un espectrómetro de masas . El primer método se utiliza en la producción de uranio enriquecido a partir de una muestra de uranio regular, y la segunda se utiliza en datación por carbono.

El número de protones y neutrones en conjunto determinan el nucleido (tipo de núcleo). Los protones y los neutrones tienen casi la misma masa, y su número combinado, la número de masa, es aproximadamente igual a la masa atómica de un átomo. La masa combinada de los electrones es muy pequeña en comparación con la masa del núcleo, ya que los protones y los neutrones pesan aproximadamente 2000 veces más que los electrones.

Historia

El descubrimiento de la electrón por JJ Thomson fue la primera indicación de que el átomo tenía estructura interna. A la vuelta del siglo 20 el modelo aceptado del átomo era JJ Thomson Modelo de "pudín de ciruela" en el que el átomo era una gran bola con carga positiva con pequeños electrones cargados negativamente incrustados dentro de ella. Con el cambio de siglo los físicos también habían descubierto tres tipos de radiación proveniente de los átomos, que llamaron alfa, beta, y la radiación gamma. Los experimentos realizados en 1911 por Lise Meitner y Otto Hahn, y por James Chadwick en 1914 descubrió que la desintegración beta espectro era continua en lugar de discretos. Es decir, los electrones fueron expulsados del átomo con una gama de energías, en lugar de las cantidades discretas de las energías que se observaron en gamma y alfa decae. Esto era un problema para la física nuclear en el momento, ya que indicó que la energía no se conserva en estos desintegraciones. El problema que más tarde llevaría al descubrimiento del neutrino (ver más abajo).

En 1906 Ernest Rutherford publicó "La radiación de la partícula α de Radium, de paso, a través de la Materia", en Philosophical Magazine (12, p 134-46). Geiger amplió este trabajo en una comunicación a la Royal Society (Proc. Roy. Soc. 17 de julio 1908) con los experimentos que él y Rutherford había hecho pasar partículas α a través del aire, papel de aluminio y lámina de oro. Más trabajo fue publicado en 1909 por Geiger y Marsden (Proc. Roy. Soc. A82 p 495-500) y el trabajo aún más ampliado en gran medida fue publicada en 1910 por Geiger (Proc. Roy. Soc. 01 de febrero 1910). En 1911-2 Rutherford fue ante la Real Sociedad para explicar los experimentos y proponer la nueva teoría del núcleo atómico como la entendemos ahora.

Casi al mismo tiempo que esto ocurría ( 1909 ) Ernest Rutherford realizó un notable experimento en el cual Hans Geiger y Ernest Marsden bajo su supervisión disparó partículas alfa (núcleos de helio) en una fina capa de oro de aluminio. El modelo de pudín de ciruela predijo que las partículas alfa deben salir de la hoja con sus trayectorias a lo sumo ligeramente dobladas. Él se sorprendió al descubrir que unas pocas partículas se dispersan a través de ángulos grandes, incluso completamente hacia atrás en algunos casos. El descubrimiento, comenzando con el análisis de Rutherford de los datos de 1911, finalmente llevó a la modelo de Rutherford del átomo, en el que el átomo tiene un núcleo muy pequeño, muy densa que consiste en partículas cargadas positivamente pesados con electrones incrustados con el fin de equilibrar la cargo. Como ejemplo, en este modelo de nitrógeno-14 consistía en un núcleo con 14 protones y electrones 7, y el núcleo fue rodeado por 7 más electrones en órbita.

El modelo de Rutherford funcionó bastante bien hasta que los estudios de spin nuclear se llevaron a cabo por Franco Rasetti en el Instituto de Tecnología de California en 1929 . Por 1925 se sabía que los protones y los electrones tenían un giro de media, y en el modelo de Rutherford de nitrógeno-14 los 14 protones y seis de los electrones deberían haber emparejado para cancelar cada otras girar, y el final de electrones deben tener abandonado el núcleo con un giro de media. Rasetti descubierto, sin embargo, que el nitrógeno-14 tiene un giro de uno.

En 1930 Wolfgang Pauli no pudo asistir a una reunión en Tübingen, y en su lugar envió una famosa carta con la introducción clásica "Querido radiactivo Señoras y señores". En su carta de Pauli sugirió que tal vez había una tercera partícula en el núcleo a la que llamó la "neutrones". Sugirió que era muy ligero (más ligero que un electrón), no tuvo ningún cargo, y que no interactuar fácilmente con la materia (que es por eso que todavía no había sido detectada). Esta salida desesperada resuelto tanto el problema de la conservación de energía y el giro de nitrógeno-14, la primera porque "neutrones" de Pauli se llevaba la energía extra y el segundo porque un "neutrones" extra emparejado con el electrón en el nitrógeno 14 núcleo dando girar uno. "Neutrones" de Pauli fue rebautizado neutrino (italiano para poco uno neutro) por Enrico Fermi en 1931 , y después de unos treinta años que finalmente se demostró que un neutrino realmente es emitido durante la desintegración beta.

En 1932 Chadwick se dio cuenta de que la radiación que había sido observado por Walther Bothe, Herbert L. Becker, Irène y Frédéric Joliot-Curie era en realidad debido a una partícula masiva que él llamó el neutrón. En el mismo año Dmitri Ivanenko sugirió que los neutrones eran de hecho espín 1/2 partículas y que el núcleo contenía neutrones y que no había electrones en ella, y Francis Perrin sugirió que los neutrinos no eran partículas nucleares sino que fueron creados durante la desintegración beta. Para coronar el año de descanso, Fermi presentó una teoría del neutrino a Naturaleza (que los editores rechazaron por ser "demasiado alejada de la realidad"). Fermi continuó trabajando en su teoría y publicó un artículo en 1934 que puso el neutrino en una teórica base sólida. En el mismo año Hideki Yukawa propuso la primera teoría importante de la fuerza fuerte para explicar cómo el núcleo mantiene unidos.

Con papeles de Fermi y Yukawa de el modelo moderno del átomo fue completa. El centro del átomo contiene una bola de neutrones y protones, que se mantienen unidos por la fuerza nuclear fuerte. Núcleos inestables pueden someterse a la desintegración alfa, en el que se emiten un núcleo de helio energético, o la desintegración beta, en el que expulsan un electrón (o de positrones). Después de una de estas desintegraciones el núcleo resultante puede dejarse en un estado excitado, y en este caso decae a su estado fundamental por emisión de fotones de alta energía (decaimiento gamma).

El estudio de las fuerzas nucleares fuerte y débil llevó a los físicos a colisionar núcleos y electrones a energías cada vez más altos. Esta investigación se convirtió en la ciencia de la física de partículas , la joya de la corona de los cuales es el modelo estándar de la física de partículas que unifica las fuerzas fuertes, débiles, y electromagnéticas.

La física nuclear moderna

Un núcleo de luz puede contener cientos de nucleones que significa que con un poco de aproximación se puede tratar como un sistema clásico , más que un mecánico cuántico uno. En el resultante modelo de la gota líquida, el núcleo tiene una energía que surge en parte de la tensión superficial y en parte de repulsión eléctrica de los protones. El modelo de la gota líquida es capaz de reproducir muchas características de los núcleos, incluyendo la tendencia general de energía de enlace con respecto a número de masa, así como el fenómeno de la fisión nuclear .

Superpuesta a la imagen clásica, sin embargo, son los efectos de la mecánica cuántica, que pueden describirse mediante la nuclear modelo de capas, desarrollada en gran parte por Maria Goeppert-Mayer. Los núcleos con cierto número de neutrones y protones (el números mágicos 2, 8, 20, 50, 82, 126, ...) son particularmente estables, debido a que sus cáscaras se llenan.

Gran parte de la investigación actual en la física nuclear se refiere al estudio de los núcleos en condiciones extremas, tales como alta giro y energía de excitación. Los núcleos también pueden tener formas extremas (similar a la de balones de fútbol americano ) o proporciones extremas-neutrones a protones. Los experimentadores pueden crear estos núcleos mediante reacciones de fusión o transferencia nucleón inducidas artificialmente, empleando haces de iones de un acelerador. Vigas con energías aún más altas se pueden usar para crear núcleos a temperaturas muy altas, y hay indicios de que estos experimentos han producido una transición de fase de la materia nuclear normal a un nuevo estado, el plasma de quarks-gluones, en el que los quarks se mezclan unos con otros, en lugar de ser segregados en tríos como lo son en los neutrones y protones.

Temas modernos en física nuclear

Cambios espontáneos de un nucleido a otro: la desintegración nuclear

Si un núcleo tiene muy pocos o demasiados neutrones puede ser inestable, y caerá después de un cierto período de tiempo. Por ejemplo, nitrógeno -16 átomos (7 protones, neutrones 9) desintegración beta de oxígeno -16 átomos (8 protones, 8 neutrones) en unos pocos segundos de ser creado. En este decaimiento un neutrón en el núcleo de nitrógeno se convierte en un protón y un electrón por el la fuerza nuclear débil. El elemento de los cambios de átomos porque si bien previamente había siete protones (que lo hace de nitrógeno) que ahora tiene ocho (lo que lo hace el oxígeno). Muchos elementos tienen varios isótopos que son estables durante semanas, años o incluso miles de millones de años.

Fusión nuclear

Cuando dos núcleos ligeros entran en un contacto muy estrecho entre sí, es posible que la fuerte fuerza para fusionar los dos juntos. Se necesita una gran cantidad de energía para empujar a los núcleos cercanos suficientemente juntos por la fuerza fuerte como para tener un efecto, por lo que el proceso de fusión nuclear sólo puede tener lugar a temperaturas muy altas o altas densidades. Una vez que los núcleos están lo suficientemente cerca la fuerza fuerte supera su repulsión electromagnética y los aplasta en un nuevo núcleo. Una gran cantidad de energía se libera cuando núcleos ligeros se fusionan porque el energía de enlace por nucleón aumenta con número de masa hasta níquel -62. Estrellas como nuestro sol son alimentados por la fusión de cuatro protones en un núcleo de helio, dos positrones, y dos neutrinos. La fusión incontrolada de hidrógeno en helio se conoce como una arma termonuclear. Investigación para encontrar un método económicamente viable de utilizar la energía de una reacción de fusión controlada actualmente está siendo realizado por varios centros de investigación (ver JET y ITER).

Fisión nuclear

Para núcleos más pesados que el níquel -62 el energía de enlace por nucleón disminuye con la número de masa. Por tanto, es posible que la energía que se libera cuando un núcleo pesado se rompe en dos más ligeros. Esta división de los átomos se conoce como la fisión nuclear.

El proceso de desintegración alfa puede ser pensado como un tipo especial de espontánea de fisión nuclear . Este proceso produce una fisión altamente asimétrica porque las cuatro partículas que componen la partícula alfa son especialmente fuertemente unidas entre sí, por lo que la producción de este núcleo en la fisión particularmente probable.

Para algunos de los núcleos más pesados que producen neutrones de fisión, y que también absorber fácilmente neutrones para iniciar la fisión, un tipo de auto-ignición de la fisión de neutrones iniciada se puede obtener, en una llamada reacción en cadena. [Las reacciones en cadena eran conocidos en la química antes de la física , y de hecho muchos procesos familiares como incendios y explosiones químicas son reacciones químicas en cadena]. La fisión o de reacción en cadena "nuclear", el uso de neutrones de fisión-producido, es la fuente de energía para la energía nuclear plantas y bombas nucleares de tipo de fisión, como los dos que la de Estados Unidos usa contra Hiroshima y Nagasaki al final de la Segunda Guerra Mundial . Núcleos pesados como el uranio y el torio puede sufrir fisión espontánea, pero son mucho más propensos a sufrir deterioro por la desintegración alfa.

Para que se produzca una reacción en cadena de neutrones iniciada, debe haber una masa crítica del elemento presente en un espacio determinado bajo ciertas condiciones (estas condiciones lenta y conservar neutrones para las reacciones). Hay un ejemplo conocido de una reactor de fisión nuclear natural, que era activa en dos regiones de Oklo, Gabón, África, hace más de 1,5 millones de años. Las mediciones de la emisión de neutrinos natural han demostrado que alrededor de la mitad del calor que emana de los resultados básicos de la tierra a partir de la desintegración radiactiva. Sin embargo, no se sabe si alguno de esto es resultado de reacciones en cadena de fisión.

Producción de elementos pesados

A medida que el Universo se enfrió después de la gran explosión que finalmente hizo posible que las partículas como sabemos que existan. Las partículas más comunes creados en el Big Bang que todavía son fácilmente observables a nosotros hoy eran protones ( hidrógeno ) y electrones (en el mismo número). Algunos de los elementos más pesados fueron creados como los protones chocaron entre sí, pero la mayoría de los elementos pesados que vemos hoy fueron creados en el interior de las estrellas durante una serie de etapas de fusión, tales como la cadena protón-protón, la Ciclo y el CNO proceso triple alfa. Progresivamente elementos más pesados se crean durante el la evolución de una estrella. Dado que la energía de enlace por nucleón picos alrededor de la plancha, la energía sólo se libera en los procesos de fusión que ocurren debajo de este punto. Desde la creación de núcleos más pesados por fusión cuesta energía, estaciones de la naturaleza para el proceso de captura de neutrones. Los neutrones (debido a su falta de carga) se absorben fácilmente por un núcleo. Los elementos pesados son creados ya sea por un proceso de captura de neutrones lentos (el llamado proceso s) o por el rápido, o proceso r. El proceso se produce en s térmicamente pulsante estrellas (llamado AGB, o asintótica estrellas rama de las gigantes) y toma cientos a miles de años en llegar a los elementos más pesados de plomo y bismuto. El proceso de r se cree que ocurre en las explosiones de supernovas debido al hecho de que las condiciones de alta temperatura, alta flujo de neutrones y se expulsa la materia están presentes. Estas condiciones estelares hacen el neutrón sucesiva captura muy rápido, con la participación especie muy ricos en neutrones que luego desintegración beta de elementos más pesados, especialmente en los llamados puntos de espera que se corresponden a los nucleidos más estables con conchas de neutrones cerrado ( números mágicos). La duración del proceso r está típicamente en el intervalo de unos pocos segundos.