Fisica General Burbano

730 EL NÚCLEO ATÓMICO
Fig. XXX-6.– El protón se transforma
en neutrón emitiendo un pión positivo.
El neutrón al capturarlo se transforma
en protón. Los «núcleos» del
protón y del neutrón son indistinguibles.
Fig. XXX-7.– Transformación inversa
de la representada en la figura anterior.
En este caso el pión intercambiado
es negativo.
Si se trata de un neutrón no existe esa barrera de potencial (Fig. XXX-5), ya que no experimenta
repulsión eléctrica por parte del núcleo, y podrá penetrar en él sin impedimento.
De la misma forma, una partícula del interior del núcleo debe salvar también la barrera de potencial
para salir de él. Este aspecto se discutirá más adelante, a propósito de la radiación a de núcleos
radiactivos.
XXX – 7. La fuerza nuclear como intercambio de partículas virtuales.
El concepto de PARTÍCULA VIRTUAL nace de la relación de incertidumbre tiempo-energía:
DE DT ≥ h. La sonda que empleamos para medir la energía de una partícula deberá interaccionar
con ella durante un tiempo finito D t, con lo que tendremos una indeterminación en el valor
de la energía de D E > h/D t, que, de la relación de Einstein E = mc 2 , se puede poner de la forma
∆m
h
c ∆t
> 2
Esta relación supone que durante el tiempo D t no podemos saber si en ese lugar hay una
partícula de masa m o un conjunto de partículas de masa m + D m. Es lícito suponer que durante
Dt la partícula se ha desdoblado en un par de partículas, y al objeto adicional que ha aparecido lo
llamaremos partícula virtual. Si suponemos que ésta es reabsorbida antes de transcurrido el tiempo
D t, en ese desdoblamiento no se puede observar la violación de ninguna ley de conservación.
Veamos, por ejemplo, el tiempo Dt durante el que un protón aislado puede fluctuar entre él
mismo y el sistema protón más una partícula adicional de masa igual a la décima parte de la de un
protón. La indeterminación en el valor de la masa es: D m = m p
/10 = 1,67 × 10 –28 kg, con lo que:
−34
16 −28
∆t
> h
c ∆m
− 667 , × 10
~
2
9 × 10 × 1,
67 × 10
= 44 , × 10 s
Durante este tiempo la partícula virtual puede recorrer como máximo una distancia:
d = c D t • 3 × 10 8 × 4,4 × 10 –23 = 1,3 × 10 –14 m
es decir, una distancia del orden de diez veces el tamaño del protón.
Supongamos ahora que tenemos dos nucleones a una distancia d. Puede ocurrir que uno de
ellos emita una partícula virtual, y si la masa de está ultima es tal que le permite alcanzar al otro
nucleón antes de transcurrir ∆t segundos, puede ser absorbida por el segundo antes de ser detectada.
Este intercambio de una partícula virtual puede dar lugar a una fuerza si admitimos que durante
el breve tiempo de su existencia, la partícula ejerce una fuerza atractiva sobre los nucleones.
El resultado final es la atracción mutua entre ambos.
En 1934 el físico japonés Hideki Yukawa (1907-1981) demostró que si dos protones intercambian
una partícula virtual el resultado neto del intercambio es una fuerza atractiva entre ambos, y
que si la masa de esa partícula es de aproximadamente 1/9 de la masa del protón, la fuerza resultante
es lo suficientemente grande como para vencer la repulsión eléctrica y mantener a los protones
unidos dentro del núcleo. Postuló la existencia de partículas con una masa unas 200 veces mayor
que la del electrón, a las que se denominó mesones.
En 1937 se detectó en la radiación cósmica la presencia de partículas de masa unas 210 veces
la electrónica, a las que se denominó mesones m o muones y de las que en principio se supuso que
eran las postuladas por Yukawa. Como veremos al hablar de las partículas elementales, hoy se
considera a los muones como leptores, partículas ligeras del grupo del electrón. Diez años más tarde,
también en los rayos cósmicos, se descubrieron los mesones p o piones, con una masa unas
270 veces superior a la del electrón, a los que se considera responsables de las fuerzas entre nucleones,
uno de carga positiva, p + , y otro de carga negativa, p – . En 1950 se descubrió también un
mesón p o neutro.
De acuerdo con la teoría de Yukawa, las fuerzas nucleares se pueden describir como un intercambio
de piones entre nucleones. La figura XXX-6 representa este proceso referido a un protón y
un neutrón. El protón emite un pión positivo convirtiéndose en un neutrón, el neutrón original absorbe
el pión y se transforma en un protón.
En la transformación inversa (Fig. XXX-7) un neutrón se transforma en protón al emitir un
pión p – , y el protón en neutrón al captarlo. Esta transformación se pone de manifiesto experimentalmente
lanzando un haz de neutrones muy rápidos (• 90 MeV) sobre una sustancia; en el haz
emergente se observa la presencia de protones igualmente rápidos, que sólo pueden haberse originado
por intercambio de piones de los neutrones con los protones de la sustancia.
El pión neutro p o es el responsable de las fuerzas p-p y n-n. Las interacciones entre nucleones
se representan:
o
o
p ←⎯⎯ ⎯⎯→ p + π n ←⎯⎯ ⎯⎯→ n+
π
+ −
p ←⎯⎯ ⎯⎯→ n+ π n ←⎯⎯ ⎯⎯→ p+
π
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