VI. EL N�CLEO Y SU ESTRUCTURA

CON la mec�nica cu�ntica y sus principios de incertidumbre y de exclusi�n a la mano, se pudo entender mucho acerca de los �tomos, las mol�culas y la forma en que reaccionan. En particular, fue posible comprender el orden que Mendeleyev hab�a hallado en su tabla peri�dica de los elementos. Asimismo, la qu�mica y sus reacciones encontraron un sustento en t�rminos de conceptos m�s b�sicos. Al unirse dos o m�s elementos qu�micos, sus electrones orbitales se rearreglan para buscar la situaci�n m�s estable. Todo ello es reflejo y consecuencia de la fuerza el�ctrica; por lo tanto, las energ�as involucradas en las reacciones qu�micas son del orden de los el�ctr�n-voltios.

Una de las conclusiones que podemos obtener de lo anterior es la siguiente: el �tomo de los qu�micos no lo es en sentido estricto. Es un sistema compuesto por un n�cleo y electrones. No es, pues, esa part�cula indivisible que primero imagin� Dem�crito. Nuestra b�squeda de lo verdaderamente elemental debe, en consecuencia, continuar.

Aunque ya podr�amos sospechar que el n�cleo de los �tomos tampoco es una part�cula elemental, es necesario para nuestro relato detenernos un poco en �l. Esto lo hacemos no s�lo porque fue el camino seguido hist�ricamente por los cient�ficos, sino porque de la f�sica nuclear surgen dos nuevas fuerzas, las interacciones fuerte y d�bil, que juegan un papel crucial en nuestra historia.

Ya mencionamos que el n�cleo delata su existencia porque se desintegra, como observaron Becquerel y los Curie cerca de quince a�os antes que Rutherford sugiriera la existencia de una part�cula positiva y muy masiva en el coraz�n del �tomo. El mismo Rutherford, en 1909, demostr� que las part�culas a son n�cleos de helio, el segundo elemento en la tabla peri�dica de Mendeleyev. Los rayos b, por su parte, son electrones. Si del n�cleo salen electrones y protones, nada m�s natural, entonces, que suponer al n�cleo formado por ellos, que se atraen el�ctricamente. N�tese que, por s� sola, esta fuerza no podr�a mantener ligados a los protones, pues por ella se repelen y no formar�an un n�cleo estable.

Sin embargo, un n�cleo formado por protones y electrones ligados el�ctricamente tampoco es viable. Y ello al menos por dos razones fundamentales. La primera tiene que ver con el principio de exclusi�n. Como ya dijimos, hay part�culas poco sociables, que no gustan de compartir su estado con otras semejantes. Los electrones son de este tipo; tambi�n los protones pertenecen a esta clase de part�culas, que los f�sicos conocen como fermiones. En la taxonom�a de los sistemas microsc�picos existen otros que se comportan en cierta medida de manera opuesta a los fermiones. A este nuevo tipo, que llamamos bosones, nada les impide ocupar el mismo estado que sus semejantes. Un teorema de la f�sica cu�ntica nos dice que un sistema microsc�pico o es fermi�n o es bos�n; adem�s, los fermiones tienen un esp�n semientero y los bosones un esp�n entero. As�, cuando juntamos un n�mero par de fermiones, se produce un bos�n.

T�mese entonces un n�cleo como el de nitr�geno catorce que, seg�n el modelo del n�cleo constituido por protones y electrones, deber�a constar de catorce de los primeros y siete de los �ltimos, para que su carga el�ctrica fuera la correcta. En tal caso, el n�cleo de nitr�geno catorce tendr�a un n�mero non (igual a veintiuno) de fermiones y ser�a, en consecuencia, �l mismo un fermi�n. Pero el n�cleo de nitr�geno catorce es un bos�n, seg�n pudo observarse directamente. Un simple modelo no puede contradecir un principio general como el de Pauli. Si este �ltimo prevalece, el modelo ha de abandonarse.

La segunda raz�n para dejar de lado al electr�n como constituyente del n�cleo se basa en un argumento cu�ntico, semejante al que ya dimos para explicarnos el tama�o del �tomo de hidr�geno. Como bien supuso Rutherford, el n�cleo es muy peque�o comparado con el �tomo. Este �ltimo, recordemos, tiene �rbitas cuyo tama�o es del orden de un Ångstrom, es decir, de 10^-8 cm. El n�cleo es cien mil veces menor, y para no cargar otra vez in�tilmente con potencias de diez, se invent� la unidad de longitud nuclear apropiada. A �sta le llamamos fermi, en honor del ilustre f�sico italiano Enrico Fermi, y vale 10^-13 cm, o sea, una cienmil�sima de un Ångstrom. Si ahora tratamos de confinar a part�culas como los protones, cuya masa es cercana a 2000 veces la del electr�n, en una regi�n tan peque�a, el principio de Heisenberg nos exige una fuerza cien veces m�s intensa que la el�ctrica. Otra vez el modelo falla.

Pero entonces, �cu�les son los constituyentes del n�cleo? La respuesta la dio Heisenberg,¹ luego de que el f�sico ingl�s Chadwick descubri� en 1932 otra part�cula cuyas propiedades son muy semejantes a las del prot�n excepto que es el�ctricamente neutra. Por ello se le llam� neutr�n. Chadwick, uno m�s de los egresados de la fruct�fera escuela que Ernest Rutherford cre� en Manchester, descubri� al neutr�n cuando bombarde� n�cleos de berilio con part�culas alfa, de donde sal�a una radiaci�n misteriosa que se deten�a en la parafina, expulsando protones de ella. Esta radiaci�n consist�a de una nueva part�cula, que al igual que el prot�n obedece al principio de exclusi�n de Pauli, y que es el otro constituyente del n�cleo at�mico: el neutr�n. Los diferentes elementos tienen n�cleos formados por Z protones, que le confieren una carga positiva Ze, y por N neutrones. As�, el nitr�geno catorce de nuestro ejemplo estar�a formado por siete neutrones y siete protones, o sea, un n�mero par de fermiones; ser�a, por lo tanto, un bos�n. La contradicci�n que antes mencionamos desaparece.

Una dificultad desaparece y otra se crea: si los neutrones no tienen carga, �qu� fuerza los mantiene unidos entre s� y a los protones para que el n�cleo sea estable? Esa fuerza no puede ser ya la el�ctrica, porque �sta no act�a sobre los neutrones y, adem�s, porque no es lo suficientemente intensa para confinar una masa como la del neutr�n o del prot�n en una regi�n cuyo radio fuera del orden de unos cuantos fermis. Por esta misma raz�n, la fuerza gravitacional no basta, pues es much�simo menor que la electromagn�tica: a la distancia de un fermi entre dos protones, la atracci�n gravitacional entre ellos ser�a 10^-36 veces menor que la repulsi�n el�ctrica. Nos encontramos, pues, ante una nueva fuerza: la interacci�n fuerte o fuerza nuclear. Esta nueva fuerza es m�s complicada que la el�ctrica o la gravitacional, pues depende de muchas caracter�sticas de los nucleones. Entender la estructura del n�cleo nos enfrenta entonces a un problema formidable: muchos cuerpos, Z protones y N neutrones, interact�an con una fuerza muy complicada y en buena parte desconocida: la interacci�n fuerte. De ah� se deben deducir las funciones de onda nucleares —su tama�o, su forma y orientaci�n—. Se encuentra, as�, como en el caso at�mico, que los espectros nucleares tambi�n existen. Es decir, un n�cleo aislado s�lo puede encontrarse en un conjunto discreto de tama�os y de formas, o sea, de energ�as y momentos angulares. Entramos as� a la espectroscop�a nuclear, la segunda espectroscop�a, como la llamar�a Weisskopf.

NOTAS

1 En la biograf�a de Fermi, premio Nobel de f�sica, Emilio Segr� relata una historia curiosa: Ettore Majorana, sarc�stico colega de Enrico Fermi, coment�, al saber de los experimentos de los Curie-Joliot, que hab�an descubierto el "prot�n neutro", y no lo hab�an reconocido. Majorana invent� entonces el modelo del n�cleo formado por protones y neutrones. Fermi le inst� a que lo publicara, pero Majorana se rehus�. Entonces le pidi� su autorizaci�n para exponer sus resultados, d�ndole el debido cr�dito, en la conferencia internacional que tendr�a lugar en Par�s, en julio de 1932. Majorana acept� con la extra�a condici�n de que sus ideas fueran atribuidas a un anciano profesor de ingenier�a, que habr�a de asistir al congreso. Por ello las ideas de Majorana quedaron en el caj�n y s�lo se conocieron mucho tiempo despu�s.