VI. EL NÚCLEO Y SU ESTRUCTURA

CON la mecánica cuántica y sus principios de incertidumbre y de exclusión a la mano, se pudo entender mucho acerca de los átomos, las moléculas y la forma en que reaccionan. En particular, fue posible comprender el orden que Mendeleyev había hallado en su tabla periódica de los elementos. Asimismo, la química y sus reacciones encontraron un sustento en términos de conceptos más básicos. Al unirse dos o más elementos químicos, sus electrones orbitales se rearreglan para buscar la situación más estable. Todo ello es reflejo y consecuencia de la fuerza eléctrica; por lo tanto, las energías involucradas en las reacciones químicas son del orden de los eléctrón-voltios.

Una de las conclusiones que podemos obtener de lo anterior es la siguiente: el átomo de los químicos no lo es en sentido estricto. Es un sistema compuesto por un núcleo y electrones. No es, pues, esa partícula indivisible que primero imaginó Demócrito. Nuestra búsqueda de lo verdaderamente elemental debe, en consecuencia, continuar.

Aunque ya podríamos sospechar que el núcleo de los átomos tampoco es una partícula elemental, es necesario para nuestro relato detenernos un poco en él. Esto lo hacemos no sólo porque fue el camino seguido históricamente por los científicos, sino porque de la física nuclear surgen dos nuevas fuerzas, las interacciones fuerte y débil, que juegan un papel crucial en nuestra historia.

Ya mencionamos que el núcleo delata su existencia porque se desintegra, como observaron Becquerel y los Curie cerca de quince años antes que Rutherford sugiriera la existencia de una partícula positiva y muy masiva en el corazón del átomo. El mismo Rutherford, en 1909, demostró que las partículas a son núcleos de helio, el segundo elemento en la tabla periódica de Mendeleyev. Los rayos b, por su parte, son electrones. Si del núcleo salen electrones y protones, nada más natural, entonces, que suponer al núcleo formado por ellos, que se atraen eléctricamente. Nótese que, por sí sola, esta fuerza no podría mantener ligados a los protones, pues por ella se repelen y no formarían un núcleo estable.

Sin embargo, un núcleo formado por protones y electrones ligados eléctricamente tampoco es viable. Y ello al menos por dos razones fundamentales. La primera tiene que ver con el principio de exclusión. Como ya dijimos, hay partículas poco sociables, que no gustan de compartir su estado con otras semejantes. Los electrones son de este tipo; también los protones pertenecen a esta clase de partículas, que los físicos conocen como fermiones. En la taxonomía de los sistemas microscópicos 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 física cuántica nos dice que un sistema microscópico o es fermión o es bosón; además, los fermiones tienen un espín semientero y los bosones un espín entero. Así, cuando juntamos un número par de fermiones, se produce un bosón.

Tómese entonces un núcleo como el de nitrógeno catorce que, según el modelo del núcleo constituido por protones y electrones, debería constar de catorce de los primeros y siete de los últimos, para que su carga eléctrica fuera la correcta. En tal caso, el núcleo de nitrógeno catorce tendría un número non (igual a veintiuno) de fermiones y sería, en consecuencia, él mismo un fermión. Pero el núcleo de nitrógeno catorce es un bosón, según pudo observarse directamente. Un simple modelo no puede contradecir un principio general como el de Pauli. Si este último prevalece, el modelo ha de abandonarse.

La segunda razón para dejar de lado al electrón como constituyente del núcleo se basa en un argumento cuántico, semejante al que ya dimos para explicarnos el tamaño del átomo de hidrógeno. Como bien supuso Rutherford, el núcleo es muy pequeño comparado con el átomo. Este último, recordemos, tiene órbitas cuyo tamaño es del orden de un Ångstrom, es decir, de 10^-8 cm. El núcleo es cien mil veces menor, y para no cargar otra vez inútilmente con potencias de diez, se inventó la unidad de longitud nuclear apropiada. A ésta le llamamos fermi, en honor del ilustre físico italiano Enrico Fermi, y vale 10^-13 cm, o sea, una cienmilésima de un Ångstrom. Si ahora tratamos de confinar a partículas como los protones, cuya masa es cercana a 2000 veces la del electrón, en una región tan pequeña, el principio de Heisenberg nos exige una fuerza cien veces más intensa que la eléctrica. Otra vez el modelo falla.

Pero entonces, ¿cuáles son los constituyentes del núcleo? La respuesta la dio Heisenberg,¹ luego de que el físico inglés Chadwick descubrió en 1932 otra partícula cuyas propiedades son muy semejantes a las del protón excepto que es eléctricamente neutra. Por ello se le llamó neutrón. Chadwick, uno más de los egresados de la fructífera escuela que Ernest Rutherford creó en Manchester, descubrió al neutrón cuando bombardeó núcleos de berilio con partículas alfa, de donde salía una radiación misteriosa que se detenía en la parafina, expulsando protones de ella. Esta radiación consistía de una nueva partícula, que al igual que el protón obedece al principio de exclusión de Pauli, y que es el otro constituyente del núcleo atómico: el neutrón. Los diferentes elementos tienen núcleos formados por Z protones, que le confieren una carga positiva Ze, y por N neutrones. Así, el nitrógeno catorce de nuestro ejemplo estaría formado por siete neutrones y siete protones, o sea, un número par de fermiones; sería, por lo tanto, un bosón. La contradicción que antes mencionamos desaparece.

Una dificultad desaparece y otra se crea: si los neutrones no tienen carga, ¿qué fuerza los mantiene unidos entre sí y a los protones para que el núcleo sea estable? Esa fuerza no puede ser ya la eléctrica, porque ésta no actúa sobre los neutrones y, además, porque no es lo suficientemente intensa para confinar una masa como la del neutrón o del protón en una región cuyo radio fuera del orden de unos cuantos fermis. Por esta misma razón, la fuerza gravitacional no basta, pues es muchísimo menor que la electromagnética: a la distancia de un fermi entre dos protones, la atracción gravitacional entre ellos sería 10^-36 veces menor que la repulsión eléctrica. Nos encontramos, pues, ante una nueva fuerza: la interacción fuerte o fuerza nuclear. Esta nueva fuerza es más complicada que la eléctrica o la gravitacional, pues depende de muchas características de los nucleones. Entender la estructura del núcleo nos enfrenta entonces a un problema formidable: muchos cuerpos, Z protones y N neutrones, interactúan con una fuerza muy complicada y en buena parte desconocida: la interacción fuerte. De ahí se deben deducir las funciones de onda nucleares —su tamaño, su forma y orientación—. Se encuentra, así, como en el caso atómico, que los espectros nucleares también existen. Es decir, un núcleo aislado sólo puede encontrarse en un conjunto discreto de tamaños y de formas, o sea, de energías y momentos angulares. Entramos así a la espectroscopía nuclear, la segunda espectroscopía, como la llamaría Weisskopf.

NOTAS

1 En la biografía de Fermi, premio Nobel de física, Emilio Segré relata una historia curiosa: Ettore Majorana, sarcástico colega de Enrico Fermi, comentó, al saber de los experimentos de los Curie-Joliot, que habían descubierto el "protón neutro", y no lo habían reconocido. Majorana inventó entonces el modelo del núcleo formado por protones y neutrones. Fermi le instó a que lo publicara, pero Majorana se rehusó. Entonces le pidió su autorización para exponer sus resultados, dándole el debido crédito, en la conferencia internacional que tendría lugar en París, en julio de 1932. Majorana aceptó con la extraña condición de que sus ideas fueran atribuidas a un anciano profesor de ingeniería, que habría de asistir al congreso. Por ello las ideas de Majorana quedaron en el cajón y sólo se conocieron mucho tiempo después.