Núcleu atòmic
El núcleu atòmic és la part central d'un àtom, té càrrega positiva, i concentra més del 99,9 % de la massa total de l'àtom.[1]
Està format per protones i neutrons (denominats nucleones) que es mantenen units per mig de l'interacció nuclear forta, i detallada la qual permet que el núcleu siga estable, a pesar de que els protones es repelixen entre sí (com els pols iguals de dos imans). La cantitat de protones en el núcleu (número atómico), determina l'element químic al que pertany. Els núcleus atòmics no necessàriament tenen el mateix número de neutrons, ya que àtoms d'un mateix element poden tindre masses diferents, és dir són isòtops de l'element.
L'existència del núcleu atòmic va ser deduïda del experiment de Rutherford, a on es va bombardejar una làmina fina d'or en partícules alfa, que són núcleus atòmics d'heli emesos per roques radiactives. La majoria d'eixes partícules traspassaven la làmina, pero algunes rebotaven, la qual cosa va demostrar l'existència d'un minúscul núcleu atòmic.
Història
[editar | editar còdic]El descobriment dels electrons va ser la primera indicació de l'estructura interna dels àtoms. Al començament de el XX el model acceptat de l'àtom era el de J.J Thomson, 'pudín de panses', model en el qual l'àtom era una gran bola de càrrega positiva en els menuts electrons carregats negativament incrustat dins de la mateixa. Llavors, els físics havien descobert també tres tipos de radiacions procedents dels àtoms: alfa, beta i radiació gamma. Els experiments de 1911 realisats per Lise Meitner i Otto Hahn, i per James Chadwick en 1914 varen mostrar que l'espectre de decaiguda beta és continu i no discret. És dir, els electrons són expulsats de l'àtom en una gama d'energies, en lloc de les cantitats discretes d'energia que s'observa en rajos gamma i decaiguda alfa. Açò semblava indicar que l'energia no es conservava en estes decaigudes. Posteriorment es va descobrir que l'energia sí es conserva, en el descobriment dels neutrinos.
En 1906 Ernest Rutherford va publicar "El retart de l'esfera alfa del radi quan travessa la matèria", en Philosophical Magazine (12, p. 134-46). Hans Geiger va ampliar este treball en una comunicació a la Royal Society (Proc. Roy. Soc. 17 de juliol de 1908) en experiments i Rutherford s'havia fet passar aire a través de les partícules α, paper d'alumini i paper d'alumini dorat. Geiger i Marsden varen publicar treballs adicionals en 1909 (Proc. Roy. Soc. A82 p. 495-500) i varen ampliar encara més el treball en la publicació de 1910 per Geiger (Proc. Roy. Soc. 1 de febrer de 1910). En 1911-2 Rutherford va explicar davant la Royal Society els experiments i va propondre la nova teoria del núcleu atòmic. Per lo que es considera que Rutherford va demostrar en 1911 l'existència del núcleu atòmic.[2]
Per eixes mateixes dates (1909) Ernest Rutherford va realisar un experiment en el que Hans Geiger i Ernest Marsden, baixe la seua supervisió varen disparar partícules alfa (núcleus d'heli) en una prima làmina d'or. El model atòmic de Thomson predia que la de les partícules alfa devien eixir de la làmina en chicotetes desviacions de les seues trayectòries. No obstant, va descobrir que algunes partícules es dispersen a grans ànguls, i inclús completament cap a arrere en alguns casos. Este descobriment en 1911, va dur al model atòmic de Rutherford, que l'àtom està constituït per protones i electrons. Aixina, l'àtom del nitrogen-14 estaria constituït per 14 protones i 7 electrons.[2]
El model de Rutherford va funcionar prou be durant molts anys. Es pensava que la repulsió de les càrregues positives entre protones era solucionada pels electrons (en càrrega negativa) interposts ordenadamente en mig, per lo que l'electró era considerat com un "ciment nuclear".[2] Açò va ser fins que els estudis portats a terme per Franco Rasetti, en el Institute of Technology de Califòrnia en 1929. En 1925 se sabia que els protones i electrons té un espin de 1 / 2, i en el model de Rutherford nitrogen - 14 els 14 protones i sis dels electrons deurien cancelar les seues contribucions a l'espin total, estimant-se un espin total de 1 / 2. Rasetti descobert, no obstant, que el nitrogen - 14 té un espin total unitat.[3]
En 1930 Wolfgang Pauli no va poder assistir a una reunió en Tubinga, i en el seu lloc va enviar una carta famós en la clàssica introducció "Volguts Senyores i senyors radiactius ". En la seua carta Pauli va sugerir que tal volta existia una tercera partícula en el núcleu, que la va batejar en el nom de "neutrons". Va sugerir que era més llauger que un electró i sense càrrega elèctrica, i que no interactuava fàcilment en la matèria (i per això encara no se li havia detectat). Esta hipòtesis permetia resoldre tant el problema de la conservació de l'energia en la desintegració beta i l'espin de nitrogen - 14, la primera perque els neutrons duyen l'energia no detectada i el segon perque un electró extra s'acoplava en l'electró sobrer en el núcleu de nitrogen - 14 per a proporcionar un espin d'1. Enrico Fermi redenominó en 1931 els neutrons de Pauli com neutrinos (en italià chicotet neutral) i uns trenta anys despuix es va demostrar finalment que un neutrinos realment s'emeten en la decaiguda beta.
En 1932 James Chadwick es va donar conte de que la radiació que havia segut observada per Walther Bothe, Herbert L. Becker, Irène i Jean Frédéric Joliot-Curie era en realitat per una partícula que ell va cridar el neutró. En el mateix any Dimitri Ivanenko va sugerir que els neutrons eren, de fet partícules d'espin 1 / 2, que existien en el núcleu i que no existixen electrons en el mateix, i Francis Perrin va sugerir que els neutrinos són partícules nuclears, que es creen durant la decaiguda beta. Fermi va publicar 1934 una teoria dels neutrinos en una sòlida base teòrica. En el mateix any Hideki Yukawa va propondre la primera teoria important de la força per a explicar la forma en que el núcleu manté junt.
Després del descobriment del neutró, per James Chadwick, Werner Heisenberg (que va enunciar anys abans el principi d'incertitut), va indicar que els neutrons poden ser part del núcleu, i no aixina els electrons. En esta teoria es resolia totalment el problema del spin que no coincidia, ademés d'explicar tots els aspectes del comportament nuclear.[3]
No obstant, la nova teoria duya en si un atre sever problema: en el model anterior, que incloïa electrons com "ciment nuclear", s'explicava que els protones, tots en la mateixa càrrega positiva, permaneixqueren totalment junts, sense que ixqueren disparats per la repulsió de càrregues iguals. No obstant, en el model que inclou el neutró, no hi havia explicació alguna respecte a la forma en que en núcleu es manté unit i no explota de colp i repent (és dir, cap element deuria existir, en l'única excepció de l'hidrogen). Per a ejemplificar, la força en la que es repelixen dos protones a la distància que estan (una diezbillonésima de centímetro), és d'aproximadament 240 newtons, força suficient per a elevar en l'aire un objecte d'una miqueta més de 24 quilograms (note's l'enormitat inimaginable d'eixa força ya que estem parlant de dos protones, la massa de la qual és d'una miqueta més de 10-27 quilograms)[4]
L'enorme dificultat que sofria la teoria es va ser resolent gradualment. En 1927, Heisenberg va propondre el principi d'incertitut, que indica que mentres major siga la precisió en que conegam la velocitat d'una partícula, en menor precisió podrem conéixer la seua posició.[5]
En 1930 Einstein va deduir a partir d'este principi, per mijos matemàtics, que si el principi és correcte, també és correcte un atre tipo de indeterminación sobre la medició de l'energia existent en un sistema tancat. Mentres menor siga el lapsus de temps en el qual es vol saber la cantitat d'energia del sistema, en menor precisió li la podrà medir.[4]
Al moment de sugerir el model de núcleu protón-neutró, en 1932, Heisenberg va sugerir també l'existència d'un camp de força que unia els protones, per mig de l'existència efímera d'una partícula. L'existència d'esta partícula seria possible solament pel principi d'incertitut, en la versió enunciada per Einstein.[6]
El físic japonés, Hideki Yukawa, llavors es va posar a analisar les propietats de la partícula proposta per Heisenberg, i en 1935 va descriure eixes propietats en precisió. La partícula solament podria existir un instant d'uns segons, temps suficient per a que puga anar d'un protón a un atre, pero no més allà del núcleu de l'àtom. L'energia necessària per a l'existència d'esta partícula en eixe breu periodo s'ajusta al principi d'incertitut en la versió d'Einstein.[6] Utilisant eixes equacions, l'energia disponible en eixe periodo seria de 20 pJ (pico juliol, o ), lo que equival a una partícula en una massa de 250 voltes la de l'electró.
Des de llavors va haver varis intents de detectar eixa partícula experimentalment. Per supost que sent una partícula que solament existix un breu instant, i utilisant energia no disponible, solament gràcies al principi d'incertitut, seria impossible de detectar, excepto si eixa energia anara proporcionada. Els rajos còsmics —partícules que apleguen de l'espai a enormes velocitats— poden proporcionar eixa energia. En 1948, experimentant en rajos còsmics en Bolívia, la partícula va ser detectada per Cecil Frank Powell. La partícula va ser anomenada Pion.[7]
Descripció del núcleu
[editar | editar còdic]Forma i tamany del núcleu
[editar | editar còdic]Els núcleus atòmics són molt més menuts que el tamany típic d'un àtom (entre 10 000 i 100 000 voltes més menuts). Ademés contenen més del 99 % de la massa en la qual cosa la densitat másica del núcleu és molt elevada. Els núcleus atòmics tenen algun tipo d'estructura interna, per eixemple els neutrons i protones semblen estar orbitando uns al voltant dels atres, fet que es manifesta en l'existència del moment magnètic nuclear. No obstant, els experiments revelen que el núcleu s'assembla molt a una esfera o elipsoide compacte de 10-15 m (= 1 fm), en el que la densitat sembla pràcticament constant. Naturalment el radi varia segons el número de protones i neutrons, sent els núcleus més pesats i en més partícules alguna cosa més grans. La següent fòrmula dona el radi del núcleu en funció del número de nucleones A:
A on
La densitat de càrrega elèctrica del núcleu és aproximadament constant fins a la distància i després decau ràpidament fins a pràcticament 0 en una distància d'acort en la fòrmula:
A on r és la distància radial al centre del núcleu atòmic.
Les aproximacions anteriors són millors per a núcleus esfèrics, encara que la majoria de núcleus no semblen ser esfèrics com revela que posseïxquen moment cuadrupolar diferent de zero. Este moment cuadrupolar es manifesta en l'estructura hiperfina dels espectres atòmics i fa que el camp elèctric del núcleu no siga un camp coulombiano en simetria esfèrica.
Estabilitat del núcleu
[editar | editar còdic]Els núcleus atòmics es comporten com partícules compostes a energies suficientment baixes. Ademés, la majoria de núcleus atòmics per baix d'un cert pes atòmic i que ademés presenten un equilibri entre el número de neutrons i el número de protones (número atómico) són estables. No obstant, sabem que els neutrons aïllats i els núcleus en massa neutrons (o massa protones) són inestables o radiactius.
L'explicació d'esta estabilitat dels núcleus residix en l'existència dels pionés. Aisladamente els neutrons poden sofrir via interacció dèbil la següent desintegració:
No obstant, dins del núcleu atòmic la rodalia entre neutrons i protones fa que siguen molt més ràpides, via interacció forta les reaccions:
Açò fa que contínuament els neutrons del núcleu es transformen en protones, i alguns protones en neutrons, açò fa que la reacció () a penes tinga temps d'ocórrer, lo que explica que els neutrons dels núcleus atòmics siguen molt més estable que els neutrons aïllats. Si el número de protones i neutrons es desequilibra, s'obri la possibilitat de que en cada moment hi haja més neutrons i siga més fàcil l'ocurrència de la reacció ().
Vore també
[editar | editar còdic]Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Azpeitia, Fernando Prada Pérez de; Pons, José Antonio Martínez (2008-11). Diccionari Oxford-Complutense de Física (en és), Editorial Complutense, p. 363. ISBN 978-84-7491-810-6.
- ↑ 2,0 2,1 2,2 Asimov, 1972, Aproximadament en el lloc 9,26 % de l'ensaig (66,6 % del llibre)
- ↑ 3,0 3,1 Asimov, 1972, Aproximadament en el lloc 22,2 % de l'ensaig (67,3 % del llibre)
- ↑ 4,0 4,1 Asimov, 1972, Aproximadament en el lloc 32,9 % de l'ensaig (67,9 % del llibre)
- ↑ Asimov, 1972-b, Aproximadament en el lloc 38,9 % de l'ensaig (62,8 % del llibre)
- ↑ 6,0 6,1 Asimov, 1972, Aproximadament en el lloc 72,8 % de l'ensaig (70 % del llibre)
- ↑ Asimov, 1972, Aproximadament en el lloc 93,2 % de l'ensaig (71,1 % del llibre)
Bibliografia
[editar | editar còdic]- Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «Citas».
- Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «Citas».
Referències
[editar | editar còdic]
- Este artícul conté una traducció derivada de «Núcleo atómico» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.