Núcleos atómicos e isótopos

De qué está hecho un núcleo atómico

Casi toda la masa de un átomo —más del 99,9 %— se concentra en su núcleo, aunque este ocupa solo una diez billonésima parte del volumen total del átomo. El núcleo está formado por dos tipos de nucleones: los protones, con carga positiva, y los neutrones, eléctricamente neutros. Ambos tienen casi la misma masa (unos 1,67 · 10⁻²⁷ kg) y a su vez están compuestos cada uno por tres quarks.

El número de protones —el número atómico Z— determina de qué elemento químico se trata: todo elemento con exactamente 6 protones es carbono, todo elemento con 79 protones es oro. Si cambia el número de protones, cambia el elemento. El número de neutrones N, en cambio, puede variar dentro de un mismo elemento — ahí radica precisamente el origen de los isótopos.

Los protones se repelen electromagnéticamente entre sí — los neutrones aportan atracción fuerte adicional sin sumar carga propia. Por eso los núcleos más pesados necesitan desproporcionadamente más neutrones que protones para mantenerse estables.

Qué define a un isótopo

Los isótopos son átomos de un mismo elemento —es decir, con idéntico número de protones Z— que difieren en su número de neutrones N. Como el número de neutrones apenas influye en el comportamiento químico (que depende casi exclusivamente de los electrones), los isótopos de un elemento se comportan químicamente de forma casi idéntica. Sus núcleos, en cambio, pueden ser radicalmente distintos: algunos son estables durante toda la eternidad, otros se desintegran en segundos.

La notación con el número másico A (suma de protones y neutrones, en superíndice a la izquierda) y el número atómico Z (en subíndice a la izquierda) delante del símbolo del elemento identifica un nucleido de forma inequívoca. El carbono se presenta de forma natural en tres isótopos:

El valle de estabilidad

Si se representa, para todos los nucleidos conocidos, el número de neutrones N frente al número de protones Z, aparece una banda estrecha de núcleos estables — el valle de estabilidad. Para los elementos ligeros, el óptimo se encuentra cerca de N = Z (tantos protones como neutrones). A medida que aumenta el número de protones, la banda se desplaza cada vez más hacia un exceso de neutrones, porque se necesitan neutrones adicionales para compensar la creciente repulsión de Coulomb de un número cada vez mayor de protones — sin contribuir ellos mismos a esa repulsión.

Los núcleos fuera de este valle son inestables y se desintegran de forma que se acercan al valle: un exceso de neutrones se corrige generalmente mediante desintegración β⁻ (un neutrón se convierte en protón), un exceso de protones mediante desintegración β⁺ o captura electrónica. Los núcleos muy pesados, más allá del plomo, a menudo expulsan núcleos de helio completos — la desintegración alfa. Los tipos exactos de desintegración y su cinemática se profundizan en la página de física de partículas sobre las desintegraciones radiactivas.

Energía de enlace por nucleón

La masa de un núcleo atómico es siempre menor que la suma de las masas de sus nucleones individuales — la diferencia se denomina defecto de masa y corresponde, según la E = mc² de Einstein, exactamente a la energía que se liberaría al ensamblar el núcleo: la energía de enlace. Al dividirla entre el número de nucleones se obtiene la energía de enlace por nucleón — una medida directa de cuán firmemente se mantiene unido un núcleo.

Si se representa este valor frente al número másico A, resulta una curva con un máximo en la zona del hierro-56 y el níquel-62 — los núcleos más firmemente unidos de toda la tabla periódica. (El valor máximo exacto lo ostenta el níquel-62, por un margen mínimo respecto al hierro-56; como el hierro-56 es el nucleido con diferencia más abundante y el que da nombre a esta región, sirve aquí como punto de referencia.) Esto explica por qué tanto la fisión nuclear de elementos pesados como la fusión nuclear de elementos ligeros liberan energía: ambos procesos se desplazan a lo largo de la curva en dirección a este máximo.

¿Por qué precisamente el hierro?

La razón de este máximo concreto radica en la pugna entre dos fuerzas de alcance muy distinto. La fuerza nuclear fuerte tiene un alcance extremadamente corto — cada nucleón solo "percibe" a sus vecinos inmediatos, sin importar cuán grande sea el núcleo en conjunto. Por eso, a medida que aumenta el número de nucleones, esta contribución a la energía de enlace por nucleón no puede seguir creciendo indefinidamente: se satura. La repulsión eléctrica entre los protones (fuerza de Coulomb), en cambio, actúa a lo largo de todo el núcleo y crece cada vez más deprisa con el número de protones, ya que cada protón repele a todos los demás protones del núcleo. Hasta aproximadamente el número másico 56, la ganancia por los enlaces adicionales entre nucleones supera a la repulsión de Coulomb, todavía moderada — cada nucleón adicional hace que el núcleo esté, en promedio, más firmemente unido. A partir del hierro se invierte la relación: más protones aportan más energía repulsiva que atractiva, y la curva vuelve a descender. El hierro-56, el níquel-62 y el cobalto-59 se sitúan casi exactamente en el punto donde la saturación de la fuerza nuclear y el crecimiento de la repulsión de Coulomb se equilibran — en algún lugar de este grupo tan reducido se encuentra el máximo de la energía de enlace por nucleón de toda la tabla periódica (según mediciones precisas, ese mínimo margen de ventaja lo tiene el níquel-62, no el propio hierro-56).

Para qué sirven los isótopos en la práctica

Como los isótopos se comportan químicamente casi de forma idéntica, pero son distinguibles físicamente —ya sea por masa o por radiactividad—, pueden emplearse como marcadores en procesos que de otro modo serían inobservables.