Fuerzas nucleares

Atómica, nuclear. Átomo, núcleo. Yukawa. Quarks. Partículas elementales

  • Enviado por: Jim Lds
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Reseña Cronológica y conceptual del átomo.

Desde el Año 1930, en que el descubrimiento del neutrón puso en evidencia que el núcleo del átomo está formado por protones y neutrones, se ha tratado de formar una imagen de su estructura.

Para poder describir un conjunto de fenómenos físicos deben conocerse antes las leyes que los gobiernan y ellos se consigue mediante tres pasos sucesivos:

  • Deben conocerse las fuerzas que actúan entre las partículas

  • Debemos conocer las leyes mecánicas que gobiernan su movimiento bajo la influencia de estas fuerzas

  • Se necesita en la mayoría de los casos un esquema simplificado o modelo.

  • Una vez dados los dos primeros pasos, se puede, en principio, establecer un sistema de ecuaciones matemáticas cuyas soluciones explican completamente el comportamiento del sistema. Estas ecuaciones han podido establecerse y resolverse en el caso del átomo del hidrógeno o en el del deuterón, pero cuando se trata de átomos más complicados el problema excede de la capacidad de las calculadoras electrónicas más modernas.

    En el estudio del átomo, el primero de estos pasos no dio ninguna dificultad. Rutherford demostró (1919) que el átomo está formado de un núcleo situado en el centro, de dimensiones muy pequeñas y cargado eléctricamente. Bombardeó láminas metálicas muy finas con partículas alfa, tras haber demostrado que éstas tenían carga positiva, y observó los ángulos de deflexión que experimentaban al emerger, demostrando que la fuerza deflectora obedecía la ley de Coulomb.

    Mayor dificultad presentó el segundo paso. Hubo que revisar las leyes mecánicas del movimiento formuladas por newton y utilizar las nuevas ideas de la mecánica cuántica.

    El tercer paso, encontrar un modelo simplificado para poder discutir el átomo, fue también relativamente fácil.

    Cuando se empezó a estudiar el núcleo atómico las dificultades fueron de naturaleza diferente. Las distancias eran del orden de un millón de veces menores y las energías del orden de un millón de veces mayores. El primer paso, determinar las fuerzas que actúan entre las partículas, fue un problema muy difícil, todavía no completamente resuelto. El segundo paso no presentó dificultad alguna, pues tanto las leyes generales de la dinámica como las de Mecánica cuántica parecían completamente adecuadas para estudiar el movimiento de las partículas dentro del núcleo.

    Se puede admitir en un comienzo que cada partícula constituyente del núcleo atómico se mueve sometida a un potencial central y posee una energía total negativa. Por los demás nucleones originan, en término medio, una atracción central. Si las partículas son protones también se produce entre ellas una repulsión electrostática que se opone a la atracción nuclear; es decir, dentro del núcleo existen dos clases de fuerzas, las nucleares (atractivas) y las electrostáticas (repulsivas), y su intensidad depende de la distancia a que se encuentren los nucleones están muy cerca de otros, y cuando la distancia que los separa es muy grande el valor de la fuerza nuclear es insignificante.

    Las fuerzas nucleares pueden medirse aproximadamente determinando la energía de enlace, lo que puede hacerse de dos formas distintas: midiendo la energía liberada o consumida en distintas reacciones nucleares, o utilizando la relación de Einstein “Energía = (Masa) X (velocidad de la luz al cuadrado)”, que nos da la energía de enlace.

    No podemos intentar explicar las fuerzas nucleares tomando como punto de partida las fuerzas conocidas antes de 1930. Sin embargo, ciertas analogías con ellas pueden servirnos para desarrollar una teoría sobre las nuevas fuerzas

    Tipos de fuerzas.

    En la actualidad, los físicos explican la constitución de la materia en términos de unos pocos constituyentes fundamentales relacionados entre si mediante cuatro interacciones o fuerzas fundamentales que son:

    - Fuerza nuclear fuerte

    - Fuerza nuclear débil

    - Fuerza Electrostática

    - Fuerza gravitatoria

    La fuerza nuclear débil (fuerza de nivel atómico que dirige ciertas formas de decaimiento electromagnético, desde los rayos-x de los dentistas hasta los isótopos de las centrales eléctricas), la Gravedad (que envuelve la Galaxia, mantiene los planetas en órbita y los hace capaces de mantener una atmósfera), y la fuerza electromagnética (electricidad, magnetismo, luz - la fuerza principal que trabaja a un nivel planetario, ya que nuestro planeta recibe la mayor parte de su energía del sol). Sabemos que estas existen porque las usamos y estamos influidos por ellas a lo largo de nuestras vidas.

    Las ondas electromagnéticas son producidas por variaciones rítmicas en campos eléctricos y magnéticos, y vibran en un plano en ángulo recto a la dirección del flujo. Dentro de los limites del espectro electromagnético está todo lo que usamos en nuestra vida cotidiana y que damos por supuesto el la vida moderna - todo lo generado por la electricidad, televisión, luz visible o invisible, la energía que sirve para cocinar por medio de calor radiante o microondas, la energía que nos da sustento (y quemaduras de piel), la fotosíntesis, la fotografía y las corrientes de aire.

    Para mantener el núcleo unido y vencer la repulsión electrostática que los protones ejercen entre si, necesariamente debe existir en el núcleo otro tipo de fuerzas mas intensas y de signo contrario, es decir, atractivas.

    Fuerzas Nucleares.

    De acuerdo con el tamaño del los núcleos atómicos, las fuerzas nucleares atractivas deben tener las siguientes características:

    - Ser muy intensas unas cien veces mayor que las fuerzas electrostáticas y 10(elevado a 38) veces mayor que las fuerzas gravitatorias.

    - Ser de corto alcance, es decir, disminuir rápidamente con la distancia, de manera que para r=10(elevado a -13) cm su valor sea prácticamente cero. Además, para valores de r muy pequeñas debe ser repulsiva, para evitar que el núcleo se colapse hacia dentro.

    - Ser saturadas, es decir, cada nucleón solo puede estar determinado de nucleones, análogamente a como ocurre con las fuerzas que actúan entre las moléculas de un líquido. Este hecho implica que la densidad nuclear sea la misma para todos los núcleos.

    La aparición del neutrón permitió dar una explicación satisfactoria a casi todas las dificultades que emergían del antiguo modelo de la estructura nuclear con base en protones y electrones. Sólo quedaba pendiente describir la fuerza que une al núcleo. Varias cualidades se pueden deducir de la información sistemática que se acumuló a lo largo de varios años. Por ejemplo, la física atómica, que tanto éxito tenía en ese entonces, ignoraba por completo el efecto de una fuerza extraña en el núcleo. Esto indica que la fuerza nuclear sólo es importante a distancias nucleares. Esta fuerza, denominada por esto mismo de corto alcance, debería ser predominantemente de atracción para garantizar la estabilidad del núcleo al contrarrestar la repulsión eléctrica entre los protones. Otras evidencias imponían más restricciones sobre el tipo de fuerza en cuestión.

    Hideki Yukawa.

    El físico Japonés Hideki yukawa sugirió ya en 1935 que era intuitivo suponer que la fuerzas nucleares se comportaban como las electromagnéticas. En la teoría de yukawa, en lugar de cuantos de energía de introducía una nueva partícula hipotética cuya emisión y absorción se suponía que transmitía las fuerzas nucleares. Más tarde se descubrió experimentalmente que esta partícula es el mesón.

    La teoría de campo introduce la idea de interacción a distancia a través del intercambio de algún tipo de partícula intermedia. En el caso del campo electromagnético, esta partícula es el fotón. Al buscar un símil con estas ideas, Yukawa se dio cuenta de que existe una relación inversa entre el alcance de la fuerza a describir y la masa de la partícula intermedia. Por ejemplo, el campo electromagnético es de alcance infinito, por lo que la masa del fotón resulta ser cero. Siendo la fuerza nuclear de corto alcance, Yukawa dedujo que la partícula intermedia debería tener una cierta masa. Ya anteriormente, cuando aún se creía en la existencia de electrones en el núcleo, Heisenberg propuso que la fuerza de atracción entre los protones resultaba del

    intercambio de electrones, tal como las fuerzas intermoleculares. Sin embargo, usando los argumentos de Yukawa, resultaba que, si la partícula intermedia era el electrón, su masa correspondería a un alcance unas cien veces mayor al requerido para las fuerzas nucleares. En 1935, Yukawa propuso la existencia de un nuevo tipo de partículas responsables de transmitir la fuerza nuclear, cuya masa debería ser aproximadamente doscientas veces mayor que la del electrón. Originalmente, Yukawa se refirió a estas partículas como pesadas. Poco tiempo después se propusieron nombres como yukón y mesón (por poseer una masa intermedia entre la del electrón y el protón, del griego (mesoz=medio), perdurando este último.

    Quarks.

    Los átomos no eran unidades invisibles sino la combinación de tres tipos de partículas: neutrones, protones y electrones. aunque inicialmente todo parecía indicar que la estructura de la materia podría ser explicada con estas tres partículas, el sucesivo descubrimiento de nuevas partículas (fotón, Neutrino, positrón, mesón, Pión, Muón, Antiprotón, etc) obligo a replantear la situación.

    Las partículas descubiertas podían ser representadas mediante una serie de números indicativos de ciertas propiedades, tales como “paridad”, “Spin isotópico”, “rareza”, etc. Que seguían una regla bastante complicadas. el físico norteamericano Murray Gell-mann ideo un sistema para ordenar las distintas partículas sub-atomicas de acuerdo con dichos números y gracias a ello logro predecir partículas nuevas. Gell-mann sugirió también en 1964, la posibilidad de que los cientos de partículas conocidas estuviesen compuestas de unos cuantos tipos de partículas mas elementales llamadas quarks.

    Existen seis quarks diferentes pero los físicos los agrupan en tres pares:

    Up (arriba) (u) y Down (abajo)(d)

    Charm (encanto) (c) y Strange (extraño) (s)

    Top (cima) (t) y Bottom (fondo) (b)

    Los quarks tienen la característica inusual de poseer carga eléctrica fraccionaria, que puede valer +2/3 o -1/3, en lugar de la carga -1 de un electrón o la carga +1 de un protón.

    Fuerzas nucleares

    Bariones: Los bariones están compuestos por tres quarks (qqq).

    Por ejemplo, los protones son 2 quarks up y 1

    quark down (uud) y los neutrones son 1 quark up y 2 quarks down (udd).

    Mesones: Los mesones contienen un quark (q) y un antiquark (q).

    Por ejemplo, un pión

    positivo (ðð) es (ud).

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