El Descubrimiento del Núcleo
En 1911, Ernest Rutherford propuso la existencia de un núcleo atómico con carga eléctrica positiva, donde se concentra la mayor parte de la masa de un átomo. Alrededor de este núcleo giran los electrones con carga negativa. Rutherford llegó a esta conclusión después de observar la retrodispersión de partículas alfa disparadas sobre una finísima lámina de oro.
Posteriormente, se descubrieron nuevas partículas dentro del núcleo: primero el protón, con carga eléctrica positiva, y luego el neutrón (James Chadwick, 1932), sin carga eléctrica. Esto llevó a la conclusión de que el núcleo también posee una estructura interna.
La Interacción Nuclear Fuerte
Del experimento de Rutherford se deduce que las dimensiones del núcleo son del orden de 10-15 m. Utilizando la ley de Coulomb, se puede calcular que las fuerzas de repulsión eléctrica entre los protones en el núcleo son enormes. Además, dado que los núcleos pesados son inestables, la fuerza que mantiene unidos a los nucleones debe ser de muy corto alcance, menor que el tamaño nuclear.
Para explicar la estabilidad nuclear, se postuló la existencia de otro tipo de fuerza, llamada fuerza nuclear fuerte. Esta fuerza debía ser atractiva, con una intensidad enorme y de muy corto alcance (menor que el tamaño nuclear).
La interacción nuclear fuerte fue propuesta por Hideki Yukawa en 1934. Yukawa explicó el corto alcance de la interacción proponiendo que esta fuerza era causada por el intercambio de una partícula con masa, la llamada partícula de Yukawa. Poco después se descubrieron los piones, que coincidían con la masa predicha por Yukawa para su partícula.
Quarks y la Fuerza Nuclear Fuerte
Hoy en día sabemos que tanto los protones como los neutrones no son partículas elementales, sino que están compuestos de otras partículas llamadas quarks. Los quarks se mantienen unidos dentro del nucleón (protón o neutrón) gracias a que poseen «cargas de color» y a que estas cargas de color interaccionan mediante la fuerza nuclear fuerte.
El nucleón, en su conjunto, no tiene carga de color (es «blanco»), de modo que la interacción entre nucleones se debe a la fuerza residual de la interacción entre quarks, de manera similar a como las fuerzas de Van Der Waals se deben a interacciones electrostáticas, aunque los átomos o moléculas sean eléctricamente neutros.
Debido a esta interacción fuerte, las energías de enlace de los núcleos son del orden de los MeV, muy grandes en comparación con los pocos eV de un electrón en un átomo. Esto marca una diferencia de energía significativa entre los procesos químicos (a nivel atómico, con fuerza eléctrica) y los procesos nucleares (a nivel nuclear, con fuerza nuclear fuerte).
La Energía de Enlace
Las energías de enlace entre nucleones son fácilmente medibles mediante el defecto de masa, mientras que medir las fuerzas y sus efectos resulta muy complicado.
Sabemos que si encontramos núcleos atómicos en la naturaleza es porque son estables. Esto implica que la energía del conjunto de nucleones dentro del núcleo es menor que la energía de los nucleones por separado. Es decir, se libera energía cuando se forma un núcleo.
Equivalencia Masa-Energía
Una consecuencia de la Teoría de la Relatividad Especial de Einstein es que la energía y la masa son dos caras de la misma moneda, es decir, que son intercambiables. La equivalencia entre masa y energía viene dada por la famosa expresión E=mc2.
Si un sistema gana una cantidad de energía ΔE, su masa aumentará en Δm = ΔE/c2. De la misma manera, si pierde energía, su masa disminuirá en la misma cantidad. Este hecho (que la suma de las masas de las partes que componen un sistema no es igual a la masa del sistema) solo es apreciable cuando las energías en juego son enormes, como ocurre en el caso de las energías nucleares.
En los núcleos atómicos se puede constatar claramente que la suma de las masas de los protones y neutrones es mayor que la masa del núcleo. Se define el defecto de masa como la diferencia entre la suma de las masas de las partículas que componen un núcleo y la masa de dicho núcleo.
Evidentemente, la energía que se desprende al formarse el núcleo será ΔE = Δmc2, y cuanta más energía se desprenda, más estable será el núcleo. También es evidente que cuantos más nucleones haya, más energía se desprenderá.
Energía de Enlace por Nucleón
Para evitar esta dependencia con el número másico, se define una magnitud para describir la estabilidad nuclear: la energía de enlace por nucleón. La energía de enlace por nucleón es la energía equivalente al defecto de masa, dividida entre el número de partículas del núcleo (número másico A).
Cuanto mayor sea la energía de enlace por nucleón, más estable es un núcleo y tiene menos tendencia a desintegrarse mediante la emisión de partículas o mediante fisión.