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758 Capítulo 39 La física nuclear y el núcleo
Los trabajos de Rutherford y de Bohr nos dejaron una imagen del átomo como un núcleo denso
cargado positivamente y rodeado de una nube de electrones en distintos niveles de energía. Desde
este punto de vista, el núcleo es el centro de un átomo y contiene la mayor parte de la masa atómica.
El comportamiento del átomo también resulta afectado por el núcleo en virtud de que, en el
átomo neutro, el número total de cargas positivas tiene que ser igual al número de electrones.
En este capítulo estudiaremos la estructura interna básica del núcleo. Nos daremos cuenta
de que la física clásica no es adecuada para describir las interacciones que se producen en este
nivel. Los temas que se presentan incluyen la energía de enlace, la radiactividad y la energía
nuclear. Se insistirá en el propósito de proporcionar una amplia comprensión del núcleo atómico
y su comportamiento.
La tecnología nuclear se ha desarrollado enormemente desde sus inicios, a principios
de la década de 1940. El estudio del núcleo atómico era un tema de estudio reservado sobre
todo a los físicos, pero en la actualidad es raro encontrar a alguien que no haya tenido alguna
relación con algún aspecto de la ciencia nuclear. Como pacientes nos damos cuenta de que
el médico utiliza materiales radiactivos para diagnosticar o tratar algún padecimiento. Como
ciudadanos, estamos interesados en las promesas y los riesgos de la producción de energía
nuclear en gran escala. Ahora más que nunca, los técnicos y los ingenieros necesitan de un
vasto conocimiento sobre el núcleo atómico y su potencial.
ES núcleo atómico
Un instrumento nuevo,
el escáner de tom ografía
de emisiones de
positrones, o escáner
PET, utiliza isótopos que
emiten positrones. Un
isótopo como éstos se
incluye en una solución
inyectada en el cuerpo
del paciente. En el
cuerpo, el isótopo se
desintegra liberando
un positrón. El positrón
aniquila un electrón,
em itiendo dos rayos
gamma. El escáner PET
detecta los rayos gama
y ubica con exactitud
el sitio del isótopo
emisor de positrones. Se
utiliza una computadora
para hacer un mapa
tridimensional de la
distribución de isótopos.
Este mapa puede
mostrar detalles como el
uso de los nutrimentos
en ciertas áreas del
cerebro.
Continúa
Toda la materia está compuesta de diferentes combinaciones de por lo menos tres partículas
fundamentales: protones, neutrones y electrones. Por ejemplo, un átomo de berilio (figura
39.1) consta de un núcleo que contiene cuatro protones y cinco neutrones. El hecho de que el
berilio sea eléctricamente neutro pone de manifiesto la necesidad de que el núcleo esté rodeado
por cuatro electrones. Los dos electrones interiores se encuentran en un nivel de energía
(n = 1) diferente que los dos electrones externos (n = 2).
Los experimentos acerca de la desviación que realizó Rutherford demostraron que el
núcleo contiene la mayor parte de la masa de un átomo y que el núcleo corresponde tan sólo
a aproximadamente la diezmilésima parte del diámetro del átomo. Por tanto, un átomo típico
con un diámetro de 10~10 m (100 pm) tendría un núcleo de unos 10~14 (10 fm) de diámetro.
Los prefijos pico (10~12) y femto (10~15) son útiles para expresar dimensiones nucleares. Puesto
que el diámetro de un átomo es 10 000 veces mayor que el de su núcleo, el átomo, y por
tanto la materia, está formada en su mayor parte de espacio que se encuentra casi vacío.
Es necesario que reseñemos lo que se conoce como partículas fundamentales. El electrón
tiene una masa de 9.1 X 10-31 kg y una carga de e = —1.6 X 10~19 C. El protón es el núcleo de
un átomo de hidrógeno. Tiene una masa de 1.673 X 10~27kg y una carga positiva igual en magnitud
a la carga de un electrón (+e). En vista de que la masa de un electrón es extremadamente
pequeña, la masa de un protón es más o menos igual que la masa de un átomo de hidrógeno, el
cual consta de un protón y un electrón. El protón tiene un diámetro de 3 fm aproximadamente.
Figura 39.1 Un modelo del átomo de berilio. El núcleo consta de cuatro protones y cinco neutrones
rodeados por cuatro electrones. La carga positiva de los protones se equilibra exactamente con los electrones
cargados negativamente en el electrón neutro.