XVIII. LOS CONSTITUYENTES DEL NÚCLEO

LOS protones y los electrones pertenecen, dentro del zoológico cuántico, a un tipo de partículas muy poco sociables pues repelen a sus semejantes. Si un protón, por ejemplo, tiene una cierta energía, o una velocidad, o una posición dada, en fin, si está en un cierto estado, otro protón no cabe ahí. A este tipo de partículas se les conoce con el nombre de fermiones, en honor al gran físico italiano Enrico Fermi. Existen también otras partículas que se comportan, en cierto modo, de manera opuesta: los bosones, que son muy sociables y les gusta ocupar el mismo estado que sus semejantes. Una de las consecuencias de unir las ideas cuánticas con las de la relatividad de Einstein, implica que toda partícula microscópica o es fermión o es bosón. Como ya vimos al estudiar los átomos complejos este principio, llamado de Pauli en honor a quien lo formuló, es una de las piedras angulares de la física moderna, base hasta ahora inviolable de nuestro entendimiento de los átomos complejos, de los sólidos y, ¿por qué no?, también de los núcleos.

Este principio básico demolió de inmediato el modelo en boga de los núcleos. Sucede que al juntar un número par de partículas del tipo fermión, se forma una del tipo bosón. Tómese entonces un núcleo como el de nitrógeno, que según el modelo constaría de 14 protones y 7 electrones; con ello explicamos la carga del nitrógeno y predecimos que ha de comportarse como un fermión, pues lo forman un número impar de este tipo de partículas. Pero el nitrógeno es un bosón, como pudo observarse directamente. De esta conclusión no hay salida, y la cadena se rompe por el eslabón más débil: hubo de abandonarse el modelo con electrones en el núcleo.

Pero entonces ¿cuáles eran los constituyentes del núcleo? Esta situación indefinida no se aclaró sino hasta 1932, cuando el físico inglés Chadwick descubrió una partícula de masa semejante a la del protón, pero eléctricamente neutra; de ahí que se le llamara neutrón. De inmediato se vio que con ella se tenía la salida a la paradoja anterior. Si el núcleo se formara con protones y neutrones, ambos siendo partículas de Fermi, ya no habría lugar al problema que mencionamos antes pues para integrar la masa del nitrógeno se requieren siete partículas de cada especie.

Desde luego, un problema se resuelve y otro se crea, como siempre. Ya no se contradice una ley cuántica fundamental, como el principio de Pauli, pero ahora nos enfrentamos a un nuevo dilema. Si el neutrón no tiene carga eléctrica ¿cómo es que atrae a los protones para formar el núcleo? En otros términos, las fuerzas que amarran a los neutrones y protones no pueden ser de carácter eléctrico.

No quedaba otra salida que inventar una nueva fuerza, la fuerza nuclear, también llamada interacción fuerte, por ser mucho más intensa que la fuerza eléctrica. Con ello se abría un nuevo campo de la ciencia, la física nuclear, que habría de acaparar la atención de los físicos por las tres o cuatro décadas siguientes.

El problema de la física nuclear se puede pues plantear así: tengamos un conjunto de Z protones y N neutrones (en donde Z y N son números enteros) que interactúan por medio de la fuerza nuclear. Si conocemos ésta y las propiedades de los nucleones -los protones y neutrones- el reto a los físicos nucleares consiste en aplicar las reglas de la mecánica cuántica para explicarnos las propiedades del núcleo como un todo. Tenemos aquí todos los ingredientes de la teoría física de un sistema: la definición de sus subsistemas, las fuerzas entre éstos y sus leyes de movimiento.

Nótese lo difícil de la empresa. Al mismo tiempo debemos averiguar cómo es la fuerza nuclear, las propiedades de los nucleones y las características de los núcleos como un todo. Problemas que se retroalimentan uno al otro y que habrán de desenmarañarse al mismo tiempo.

Como ya hemos dicho varias veces, el método que eligieron los físicos fue por demás curioso, tal vez hasta absurdo si pensáramos aplicarlo a cuerpos macroscópicos, como los planetas, por ejemplo. Decidieron averiguar qué pasaba cuando dos sistemas nucleares chocaban uno contra el otro. Para ello desarrollaron aparatos capaces de acelerar un proyectil nuclear y lanzarlo contra un blanco también nuclear. Con estos aceleradores, observaban las consecuencias de la colisión y las comparaban con las distintas hipótesis sobre las fuerzas nucleares y las propiedades de los nucleones, hasta lograr que la observación y el cálculo coincidieran. De esta forma, se fueron esclareciendo poco a poco los misterios del núcleo.