¿Cómo es posible que los protones estén juntos en el núcleo atómico y no se separen por repulsión? La respuesta está en los neutrones.
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico
El descubrimiento del neutrón en 1932 por el físico inglés James Chadwick marcó un hito en la comprensión de la estructura atómica, desafiando las concepciones existentes sobre los átomos y la materia. En lugar de ser simplemente una partícula sin carga, el neutrón resultó ser esencial para la estabilidad del átomo y desempeña un papel fundamental en la fisión nuclear.
Chadwick, a través de su artículo "La posible existencia del neutrón", presentó evidencia experimental que apuntaba a la existencia de una partícula con carga neutra y una masa ligeramente superior a la de un protón. Este descubrimiento resolvió incógnitas sobre la masa y la carga de los átomos, que surgieron cuando se encontró que la masa del núcleo no coincidía con la suma de las masas de protones y electrones.
El neutrón es un nucleón, es decir, una de las partículas que componen los núcleos atómicos. Créditos: AltaybAltayb
Los neutrones, componentes subatómicos presentes en el núcleo atómico con carga eléctrica neutra, desempeñan un papel crucial en la estabilidad del átomo. A diferencia de la percepción común de que el neutrón es una simple partícula sin función destacada, es un elemento clave para mantener unidos los protones y neutrones en el núcleo.
Antes del neutrón: un mundo de incógnitas atómicas
Antes del descubrimiento del neutrón, las teorías sobre la estructura atómica planteaban preguntas sin respuesta. El modelo de Dalton no explicaba la electricidad y el modelo de Thomson imaginaba un átomo sólido. Aunque Ernest Rutherford, en 1911, había postulado que los electrones orbitaban fuera del núcleo, quedaban interrogantes sobre la discrepancia entre la masa del núcleo y la suma de las masas de protones. En el núcleo fallaba algo, pero la respuesta no tardaría demasiado en llegar.
De hecho, el propio Rutherford sugirió en 1920 la existencia de neutrones para evitar la repulsión entre protones cargados positivamente en el núcleo. Experimentos posteriores revelaron una radiación desconocida que resultó ser neutrones, identificados en 1932 por Chadwick.
Quedaban interrogantes sobre la discrepancia entre la masa del núcleo y la suma de las masas de protones. Créditos: akinbostanciakinbostanci
Neutrón: más que una partícula neutra
Aunque se considera que el neutrón no tiene carga, está formado por quarks, en concreto un quark up y dos down. Las cargas eléctricas de estos tres quarks no son nulas, pero entre todas suman cero, haciendo que el neutrón sea eléctricamente neutro. La del quark down es -1/3 y la del up +2/3. A pesar de ser fundamentales para la estabilidad del núcleo, los neutrones son inestables fuera de él, descomponiéndose en un electrón, un antineutrino electrónico y un protón en unos breves 14,7 minutos. A este proceso se le llama desintegración beta.
Un neutrón está compuesto por dos quarks down y un quark up. Créditos: Wikipedia.Wikipedia
Estabilizadores del núcleo
La contribución de los neutrones a la estabilidad del núcleo es esencial, ya que desempeñan un papel crucial en contrarrestar las fuerzas de repulsión entre protones. Dentro del núcleo atómico, donde la densidad de partículas es considerablemente alta, los protones, que tienen carga positiva, tienden a repelerse mutuamente debido a las fuerzas electromagnéticas. Los neutrones, al carecer de carga eléctrica neta, actúan como mediadores efectivos, interviniendo para mantener la cohesión nuclear.
En átomos que cuentan con números similares de protones y neutrones, se alcanza un nivel óptimo de estabilidad. Esta similitud en la cantidad de protones y neutrones en el núcleo contribuye a minimizar las fuerzas de repulsión, logrando un equilibrio delicado. Aquí, la interacción nuclear fuerte juega un papel clave, actuando como una fuerza atractiva poderosa que supera las fuerzas de repulsión electromagnéticas. Este fenómeno subraya la importancia de la interacción nuclear fuerte en la estabilidad de los núcleos atómicos, proporcionando la base para la coexistencia armoniosa de protones y neutrones en el núcleo de los átomos.
Los neutrones son los encargados de darle estabilidad a los átomos. Créditos: EonerenEoneren
En los procesos de fisión nuclear, el neutrón juega un papel central. La ruptura de átomos pesados, como el uranio, mediante el bombardeo con neutrones a alta velocidad, libera una gran cantidad de energía. Este proceso, controlado en centrales nucleares, genera electricidad de manera eficiente. Sin embargo, en situaciones descontroladas, como en bombas atómicas, la liberación violenta de energía puede tener consecuencias devastadoras.
Isótopos: la clave está en los neutrones
La comprensión de los neutrones desempeña un papel crucial para desentrañar el intrigante concepto de isótopo, una variante de un elemento con la misma cantidad de protones pero diferente número de neutrones. La importancia de los neutrones en la definición de este concepto clave radica en su capacidad para influir directamente en la estabilidad nuclear. La diversidad de isótopos que se encuentra en la naturaleza o se crea en laboratorios revela cómo la variación en el número de neutrones puede influir en las propiedades de un átomo. Al explorar diferentes isótopos de un elemento, observamos que la estabilidad del núcleo puede variar significativamente. Algunos isótopos, al tener un equilibrio preciso entre protones y neutrones, exhiben una estabilidad destacada, mientras que otros, con un exceso o déficit de neutrones, pueden ser propensos a la descomposición radiactiva. Esta relación intrincada entre isótopos y neutrones no solo enriquece nuestra comprensión de la física nuclear, sino que también ofrece aplicaciones prácticas en campos como la datación radiométrica y la medicina nuclear.
Los isótopos se usan en medicina nuclear. Créditos: Autor Designer.
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