Fisica General Burbano

MUESTRA PARA EXAMEN. PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR
Desde el punto de vista mesónico, el protón y el neutrón dentro del núcleo son dos estados distintos
de la misma partícula, el nucleón; o dicho de otro modo, un protón es la mayor parte del
tiempo un protón pero durante un breve tiempo es también un neutrón; y algo semejante le ocurre
al neutrón. El núcleo es un sistema dinámico en el cual los mesones se crean y se absorben
continuamente, y este proceso es el que lo mantiene unido.
Es importante señalar que la explicación dada por Yukawa de la fuerza entre nucleones, la llamada
fuerza fuerte, como intercambio de partículas, es hoy extendida por los físicos a cualquier
tipo de fuerzas. La electromagnética se explica por el intercambio de fotones virtuales y la gravitatoria
por intercambio de gravitones, aún sin detectar. Esta teoría sugiere una forma de entender las
fuerzas naturales íntimamente ligada a la estructura de la materia y a las partículas elementales
(como se comentará en las últimas cuestiones de este capítulo).
CARACTERÍSTICAS DEL NÚCLEO 731
XXX – 8. Modelos nucleares
El desconocimiento de una expresión para las fuerzas nucleares, hace imposible la deducción
de las propiedades y estructura del núcleo refiriéndonos a un núcleo real. Por otra parte, aunque
se conocieran exactamente las fuerzas nucleares no sería posible el tratamiento matemático completo
para núcleos con más de dos nucleones; el movimiento de tres o más partículas con interacción
mutua sólo se puede calcular teóricamente de una forma aproximada. Por ello, para relacionar
entre sí los datos conocidos sobre el núcleo, se recurre a concepciones aproximadas que se conocen
con el nombre de MODELOS NUCLEARES. Ninguno de ellos explica al mismo tiempo todos los
hechos observados, sino que la validez de cada uno queda restringida a un campo concreto.
Los modelos actualmente en uso se pueden clasificar en dos grupos: (1) Modelos de partículas
independientes, que son aquellos en los que se considera que entre los nucleones no existe interacción,
o ésta es muy débil, pero que cada nucleón se encuentra sometido a un potencial central
producido por todos ellos. El mas representativo es el modelo de capas. (2) Modelos de fuerte interacción
en los que el movimiento de un nucleón está acoplado fuertemente al del resto; el más
desarrollado de ellos es el modelo de la gota líquida, que nos permite comprender con cierta claridad
la fusión nuclear y otras propiedades colectivas del núcleo.
En los dos grupos de modelos se considera a los nucleones no relativistamente ya que sus velocidades
son pequeñas comparadas con las de la luz, pero en cualquier caso se ha de utilizar la
mecánica cuántica en el cálculo del movimiento de los nucleones.
Ambos tipos de representaciones consideran al núcleo desde dos puntos de vista contradictorios,
es por tanto razonable pensar que ambos son partes incompletas de un modelo más general.
Éste, que está siendo desarrollado y a cuyas últimas versiones se les llama modelo unificado, va
desplazando progresivamente a los anteriores a medida que se superan sus dificultades matemáticas.
XXX – 9. Modelo de capas
Es un modelo que supone interacción muy débil entre nucleones, y cuya concepción se inspiró
en la estructura electrónica de la corteza atómica. En él los nucleones poseen niveles de energía
que se agrupan en capas.
Sin embargo los niveles nucleares se diferencian de los electrónicos en que: 1) en todas las capas
nucleares la energía de ligadura es aproximadamente la misma; 2) no hay un centro atractivo
común sino un potencial cuyo valor el proporcional a la densidad nuclear; 3) los nucleones pueden
experimentar frecuentes colisiones entre sí; 4) existe un fuerte acoplamiento spin-momento
angular orbital.
No puede hablarse, por tanto, de un modelo planetario del núcleo, y solamente en la medida
en que se desprecien las colisiones entre nucleones, se puede establecer una analogía con la corteza
atómica. Por otra parte, esta analogía viene avalada por el hecho de que los núcleos cuyo número
de protones Z o de neutrones N es uno de los llamados números mágicos (2, 8, 20, 28, 50,
82 ó 126), tienen una energía de ligadura muy alta y son más estables que los restantes. Esto hace
pensar en que, en estos casos, los nucleones ocupan capas completas, de manera similar a los
electrones en los gases nobles.
Otros datos remarcables son que: 1) el isótopo de un elemento con número mágico de neutrones
es siempre mucho más abundante que los restantes, 2) un elemento con número mágico
de protones tiene mayor número de isótonos que sus elementos vecinos, 3) la energía mínima de
excitación de los núcleos par-par con número mágico de neutrones es apreciablemente mayor que
la de los otros núcleos de igual tamaño.
Todos estos hechos recuerdan a las recurrencias que se dan en el sistema periódico, y, por tanto,
es razonable suponer en los núcleos un llenado de niveles análogo al de las capas electrónicas
de la corteza atómica. Los niveles energéticos se caracterizan mediante tres números cuánticos y se
ordenan en estados 1s, 2s, 2p, etc. En cada estado, según el principio de exclusión de Pauli, sólo
puede encontrarse un nucleón, es decir, en los estados 1s hay sitio para dos nucleones, en los 3d
para 10, etc. Así, en el núcleo de deuterio el protón y el neutrón se encuentran en el estado 1s; en
el de 4 He, (Fig. XXX-8) el estado 1s de los protones está doblemente ocupado, así como el estado 2
Fig. XXX-8.– En el He-4 el estado 1s
está ocupado.