VIII. NEUTRONES. ALGUNAS DE SUS PROPIEDADES

EN LOS cap�tulos anteriores describimos brevemente los principios f�sicos en los que se basa la utilizaci�n de la difracci�n de rayos X para encontrar la estructura de ciertas sustancias como los cristales, mol�culas, etc�tera. A pesar de la gran capacidad que tiene esta t�cnica, hay situaciones en las que no es muy eficaz. Por ejemplo, si el cristal est� formado por compuestos que contienen bastantes �tomos de hidr�geno, entonces la difracci�n de rayos X es muy d�bil y no proporciona buena informaci�n. Hay otras caracter�sticas microsc�picas, como las propiedades de los movimientos que realizan los �tomos en el cristal, para las cuales el uso de los rayos X no es adecuado, ya que no puede proporcionar esta informaci�n. Por otro lado, se ha descubierto otro m�todo complementario que utiliza neutrones y que ha ayudado a obtener informaci�n sobre propiedades microsc�picas de las sustancias que no es capaz de proporcionar la difracci�n de rayos X. Antes de describirlo, diremos qu� son y c�mo se encontraron los neutrones.

En 1911, el f�sico brit�nico lord Ernest Rutherford, que trabajaba en el famoso Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, Inglaterra, llev� a cabo una serie de experimentos en los que se bas� para llegar a la conclusi�n de que el �tomo deber�a tener una estructura muy particular. Sus resultados experimentales indicaban que dicha estructura deb�a ser muy parecida al sistema planetario. En efecto, encontr� que cada �tomo tiene dos componentes: en el centro del �tomo debe haber un n�cleo rodeado de una nube de part�culas —los electrones— que giran a su alrededor. El n�cleo desempe�a un papel an�logo al del Sol en el sistema planetario, mientras que los electrones que lo rodean desempe�an el papel de los planetas. Adem�s, Rutherford lleg� a las siguientes conclusiones:

1) El n�cleo tiene una carga el�ctrica positiva, mientras que los electrones tienen carga el�ctrica negativa, de tal suerte que la carga total del �tomo es cero; es decir, el �tomo es el�ctricamente neutro.

2) La masa del n�cleo es much�simo m�s grande que la masa de los electrones. Se encontr� que, dependiendo del tipo de n�cleo, su masa es varios miles de veces mayor que la de los electrones.

Las part�culas de carga positiva que componen el n�cleo se llaman protones. Resulta que la masa de un prot�n es alrededor de 1 836 veces la masa de un electr�n. Adem�s, las cargas el�ctricas de un prot�n y un electr�n tienen las mismas magnitudes, pero con signos opuestos; la del prot�n es positiva y la del electr�n, negativa. As�, por ejemplo, el �tomo m�s sencillo est� formado por un n�cleo compuesto �nicamente de un prot�n que a su alrededor tiene un electr�n. Este �tomo es el hidr�geno. De manera an�loga quedan constituidos otros tipos de �tomos. Cada uno de ellos tiene cierto n�mero de protones en su n�cleo e igual n�mero de electrones a su alrededor. Como ilustraci�n mencionaremos los casos del carbono que tiene seis protones en su n�cleo y seis electrones a su alrededor; el oxígeno tiene ocho protones y ocho electrones; el cloro tiene diecisiete protones y diecisiete electrones, etc�tera.

Las caracter�sticas qu�micas que tiene un �tomo quedan determinadas por el n�mero de electrones (que es igual al de protones en el n�cleo) que contiene; este número se llama n�mero at�mico del elemento. As�, dos �tomos tienen propiedades qu�micas distintas si sus n�meros at�micos son diferentes. El fl�or, con n�mero at�mico 9, es distinto del arg�n, que tiene n�mero at�mico 18, justamente porque sus n�meros son distintos.

Hacia 1920 el mismo Rutherford, basado en resultados de diferentes experimentos, hizo una suposici�n: en el n�cleo del �tomo deber�a existir otra part�cula, distinta al prot�n. Para ser consistente con el experimento, esta part�cula deber�a tener carga el�ctrica nula. Sin embargo, Rutherford no pudo dar ninguna prueba concluyente sobre la existencia de esta part�cula.

Durante m�s de diez a�os el grupo de Rutherford en Cambridge estuvo estudiando y sondeando el n�cleo at�mico. Hasta 1932, otro f�sico ingl�s perteneciente a dicho grupo, sir James Chadwick, descubri� en el laboratorio la existencia de la part�cula propuesta por Rutherford. A esta part�cula se le llama neutr�n.

Por lo tanto, el n�cleo de un �tomo contiene protones y neutrones. Es claro que para que el �tomo sea neutro el n�mero de protones debe ser igual al n�mero de electrones que rodean al n�cleo.

La masa que tiene un neutr�n es casi igual a la que tiene un prot�n, o sea alrededor de 1 836 veces la masa de un electr�n. A causa de esta diferencia de masas resulta obvio que la masa de un �tomo est� pr�cticamente concentrada en su n�cleo.

Ahora bien, como mencionamos en un p�rrafo anterior, las propiedades qu�micas que tiene un �tomo dependen del n�mero de electrones que posee. Esto significa que dos �tomos que tengan el mismo n�mero de electrones (y por tanto, de protones) pero que tengan distintos n�meros de neutrones en sus n�cleos son qu�micamente id�nticos. As�, por ejemplo, el carb�n tiene seis protones (y por tanto, seis electrones) pero puede tener en su n�cleo cinco, seis, ocho neutrones. Se denotan a estos n�cleos como ₆ C ¹¹, ₆ C ¹², ₆ C ¹⁴, respectivamente. Aqu� el 6 colocado abajo y a la izquierda del s�mbolo qu�mico C del carb�n indica su n�mero at�mico. El n�mero que est� arriba y a la derecha es la suma de los protones y de los neutrones que hay en el n�cleo; es decir, del n�mero total de part�culas que se encuentra en el n�cleo. Los �tomos de carb�n as� formados son todos qu�micamente id�nticos ya que todos tienen el mismo n�mero at�mico, a saber, seis. Sin embargo, estos �tomos no son iguales entre s� ya que tienen n�cleos distintos. A estos �tomos diferentes del mismo elemento se les llama is�topos.

Sin embargo, a pesar de tener las mismas propiedades qu�micas, distintos is�topos del mismo elemento qu�mico tienen distintas propiedades nucleares. Esto es as� ya que las fuerzas que mantienen unido al n�cleo, las llamadas fuerzas nucleares, se manifiestan de diferentes maneras si el n�mero de las part�culas que est�n en el n�cleo es distinto. En efecto, no da lo mismo, en lo que a las fuerzas nucleares respecta, si en el n�cleo hay 11 part�culas (6 protones + 5 neutrones), que si hay 1 2 part�culas (6 protones + 6 neutrones). En particular, dependiendo del n�mero de neutrones y protones que haya en el n�cleo puede ocurrir que el n�cleo no sea estable. Esto significa que las fuerzas nucleares hacen que el n�cleo se rompa. Otros n�cleos s� son estables. En el ejemplo del carb�n mencionado, el is�topo ₆C¹² es un n�cleo estable y es el que se encuentra en los n�cleos de carb�n que conocemos. Sin embargo, el n�cleo de ₆C¹¹ es un is�topo que se rompe, o sea que es inestable. Si se tuviesen 100 g de este is�topo, entonces, despu�s de 20.4 min, solamente tendr�amos 37 g del is�topo. A este tiempo se le llama la vida media del is�topo. Las vidas medias de diferentes is�topos son distintas. As�, por ejemplo, la vida media del is�topo ₆C¹⁴ es de 5 730 a�os, que es distinta a la correspondiente del ₆C¹¹. Vemos entonces que las propiedades nucleares dependen de manera muy significativa del n�mero de neutrones y protones que tenga el n�cleo del �tomo.

Los n�cleos que no son estables, despu�s de cierto intervalo de tiempo, se rompen en varios fragmentos. Es decir, estos n�cleos se desintegran. En un capitulo posterior hablaremos sobre este proceso de desintegraci�n nuclear.