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1) Tamaño y constitución del núcleo

Sabemos que los átomos son muy pequeños: podemos decir que poseen un diámetro del orden de 10^-8 cm, pero su núcleo es mucho más pequeño, siendo del orden de 10^-13 cm. ¿Qué objetos macroscópicos poseen tamaños que guarden esta misma proporción? También sabemos que la masa del átomo se concentra casi en su totalidad en su núcleo, mientras los protones poseen una masa 1835 veces mayor que la de un electrón. Esto significa que la mayor parte de los átomos está constituida por una nube de electrones.

Los núcleos, en general, están compuestos por protones y neutrones, que no son partículas elementales, como se creyó durante mucho tiempo, pues, están constituidas por quarks.

Una propiedad interesante de las partículas que conforman los átomos (electrones, protones y neutrones) es la de poseer un espin cuántico, que podemos vincular al momento angular de giro. Si bien en rigor la idea misma de giro no es adecuada al núcleo, electrón o ningún otro objeto de esas dimensiones, el giro o espin se usa como una metáfora. El carácter cuántico de esta propiedad se manifiesta en el sentido de tener valores fijos, múltiplos de  donde h es la constante de Planck.

La importancia del espin radica en que nos permite explicar las propiedades magnéticas de la materia. En efecto, como se ilustra en la figura, si representamos los espines de los átomos por medio de flechas, su estado de ordenamiento da cuenta de estas propiedades.

Es importante entender también el efecto de los neutrones en los núcleos atómicos. Ellos aminoran la repulsión debida a la fuerza eléctrica entre los protones, actuando como separadores. Análogamente, si dos personas agresivas se están enfrentando, para evitar que se golpeen conviene separarlas y rodearlas. En base a ese rol “apantallador” de los neutrones, se puede comprender por qué el número de isótopos de un elemento, y de neutrones en el núcleo en relación al número de protones, tiende a aumentar a medida que se avanza en la tabla periódica.

2) Radiactividad

El descubrimiento de las radiaciones alfa, beta, gama y X tuvo lugar entre fines del siglo XIX y comienzos del XX. La denominación alfabética que originalmente se dio a estas emisiones revela que se desconocía su naturaleza física. El comprenderla tomó mucho trabajo experimental y teórico.

Esta tabla muestra las propiedades más importantes de las radiaciones alfa, beta y gama: carga eléctrica, masa e identificación moderna.

Para comprender el decaimiento radiactivo, es decir, las emisiones alfa, podemos ayudarnos de un modelo. Si lanzamos unos cien dados iguales, que simulen núcleos atómicos, y retiramos por ejemplo los que muestran el 6, y repetimos la operación después de cada tirada, suponiendo que entre tirada y tirada los tiempos son iguales, los dados se irán reduciendo exponencialmente, del mismo modo que ocurre con los núcleos que emiten radiaciones alfa. Si se parte con cien, irán quedando aproximadamente 83, 69, 58, 48, 40, 33, 28, 23, 19, 16, 13, 11, 9 …), de modo que el "tiempo de vida" será cuatro tiradas aproximadamente (cuatro minutos, si se asoció un minuto al intervalo de tiempo entre dos tiradas).

Los isótopos y las emisiones

Si bien es cierto que el núcleo de un elemento siempre tendrá el mismo número de protones (Z), en ocasiones y para ciertos elementos, pueden existir núcleos que teniendo el mismo número electrónico (Z), posean diferente número de neutrones, variando de esta forma el número másico (A). A estos núcleos se  denominan isótopos del elemento.

En estos casos las propiedades químicas de los isótopos son iguales a las del elemento, pero sus propiedades físicas pueden ser diferentes.
Algunos isótopos son radioactivos, pueden irradiar energía y convertirse en otra forma más estable. En la naturaleza se encuentran 92 elementos, en los organismos vivos los más comunes son: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Algunos otros elementos que se encuentran en organismos vivientes son: magnesio, calcio, fósforo, sodio y potasio.

Un ejemplo típico de isótopos lo constituyen los del hidrógeno:

3) Las fuerzas operando en el núcleo atómico

La física comprende hoy la naturaleza sobre la base de cuatro fuerzas fundamentales. Cada una tiene un ámbito en que su acción es más relevante, según se indica en la tabla siguiente. Las que operan en el núcleo son las fuerzas nucleares débiles y las fuerzas nucleares fuertes.

La teoría nuclear moderna se basa en la idea de que los núcleos están formados por neutrones y protones que se mantienen unidos por fuerzas “nucleares” muy intensas. Para estudiar estas fuerzas, los físicos tienen que perturbar los neutrones y protones bombardeándolos con partículas extremadamente energéticas. Estos bombardeos han revelado más de 200 partículas elementales, minúsculos trozos de materia, la mayoría de los cuales sólo existe durante un tiempo mucho menor a una cienmillonésima de segundo.

Este mundo subnuclear salió a la luz por primera vez en los rayos cósmicos. Estos rayos están constituidos por partículas de muy alta energía que bombardean constantemente la Tierra desde el espacio exterior; muchas de ellas atraviesan la atmósfera y llegan incluso a penetrar en la corteza terrestre. La radiación cósmica incluye muchos tipos de partículas, de las que algunas tienen energías que superan con mucho a las logradas en los aceleradores de partículas. Cuando estas partículas altamente energéticas chocan contra los núcleos, pueden crearse nuevas partículas. Entre las primeras en ser observadas estuvieron los muones (detectados en 1937). El muón es esencialmente un electrón pesado, y puede tener carga positiva o negativa. Es aproximadamente 200 veces más pesado que un electrón. La existencia del pión fue predicha en 1935 por el físico japonés Yukawa Hideki y fue descubierto en 1947. Según la teoría más aceptada, las partículas nucleares se mantienen unidas por “fuerzas de intercambio” en las que constantemente se intercambian piones comunes a los neutrones y los protones. La unión de los protones y los neutrones a través de los piones es similar a la unión en una molécula de dos átomos que comparten o intercambian un par de electrones. El pión, unas 200 veces más pesado que el electrón, puede tener carga positiva, negativa o nula.

4) Energía Nuclear
La energía nuclear es la energía contenida en el interior de los núcleos atómicos y que les permite a éstos mantenerse unidos. Hasta el siglo XIX, los físicos que estudiaron la materia planteaban que la energía de una partícula estaba determinada fundamentalmente por su velocidad. Sin embargo, Albert Einstein planteó que las partículas tenían energía independientemente de su movimiento, es decir, poseían una energía que se debía solamente a su masa. Este postulado fue el inicio de la energía nuclear.

Para Einstein, la masa es una forma de energía, es decir, existe una equivalencia entre masa y energía, lo que fue expresado mediante la siguiente ecuación, obtenida del análisis relativista del movimiento.

Esta expresión establece que la energía de un cuerpo en reposo, es equivalente al producto de su masa por el cuadrado de la velocidad de la luz.
La energía nuclear puede obtenerse básicamente de dos formas, fisión y fusión.

Fisión Nuclear

Cuando las partículas que forman el núcleo del átomo son separadas por una fuerza externa, se libera gran cantidad de energía, en forma de luz y de calor. Esto se denomina fisión nuclear (fisión viene de fisus: separar, romper).
Cuando la liberación de la energía se produce de una sola vez, genera una enorme explosión. Esto es lo que sucede con las bombas atómicas. Pero en una planta de fisión nuclear, los núcleos de los átomos de  uranio se separan mediante una reacción en cadena controlada. Ello permite que la liberación de energía se realice lentamente.
El principal problema con la fisión nuclear es que libera gran cantidad de radiación, peligrosa para el ser humano. Por ello, los reactores de las plantas nucleares están cubiertos por una espesa capa de hormigón.
Experimentalmente se verifica que la masa de un núcleo (sin romper) es mayor a la masa de las partículas que resultan de la fisión. Esta aparente pérdida de masa, se explica en términos de la relación de Einstein. Es decir, la masa que aparentemente se ha perdido, se ha transformado en energía (luz y calor).

Fusión Nuclear

La fusión nuclear consiste en unir núcleos pequeños para "construir" un núcleo más grande. El Sol utiliza la fusión nuclear de átomos de hidrógeno para formar átomos de helio, lo cual produce calor, luz  y otras radiaciones.
En la figura de la izquierda, un átomo de deuterio y otro de tritio (dos isótopos de hidrógeno) se combinan para formar un átomo de helio, y queda un neutrón independiente.
Los científicos han realizado diversos experimentos para intentar controlar la fusión nuclear, de modo que la energía liberada pueda aprovecharse. El interés se debe principalmente a que el proceso emite mucha menos radiación dañina para el ser humano. Sin embargo, hasta ahora no se ha logrado producir una fusión controlada, que permita aprovechar la energía.