VIII. NEUTRONES. ALGUNAS DE SUS PROPIEDADES

EN LOS capítulos anteriores describimos brevemente los principios físicos en los que se basa la utilización de la difracción de rayos X para encontrar la estructura de ciertas sustancias como los cristales, moléculas, etcétera. A pesar de la gran capacidad que tiene esta técnica, hay situaciones en las que no es muy eficaz. Por ejemplo, si el cristal está formado por compuestos que contienen bastantes átomos de hidrógeno, entonces la difracción de rayos X es muy débil y no proporciona buena información. Hay otras características microscópicas, como las propiedades de los movimientos que realizan los átomos en el cristal, para las cuales el uso de los rayos X no es adecuado, ya que no puede proporcionar esta información. Por otro lado, se ha descubierto otro método complementario que utiliza neutrones y que ha ayudado a obtener información sobre propiedades microscópicas de las sustancias que no es capaz de proporcionar la difracción de rayos X. Antes de describirlo, diremos qué son y cómo se encontraron los neutrones.

En 1911, el físico británico lord Ernest Rutherford, que trabajaba en el famoso Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, Inglaterra, llevó a cabo una serie de experimentos en los que se basó para llegar a la conclusión de que el átomo debería tener una estructura muy particular. Sus resultados experimentales indicaban que dicha estructura debía ser muy parecida al sistema planetario. En efecto, encontró que cada átomo tiene dos componentes: en el centro del átomo debe haber un núcleo rodeado de una nube de partículas —los electrones— que giran a su alrededor. El núcleo desempeña un papel análogo al del Sol en el sistema planetario, mientras que los electrones que lo rodean desempeñan el papel de los planetas. Además, Rutherford llegó a las siguientes conclusiones:

1) El núcleo tiene una carga eléctrica positiva, mientras que los electrones tienen carga eléctrica negativa, de tal suerte que la carga total del átomo es cero; es decir, el átomo es eléctricamente neutro.

2) La masa del núcleo es muchísimo más grande que la masa de los electrones. Se encontró que, dependiendo del tipo de núcleo, su masa es varios miles de veces mayor que la de los electrones.

Las partículas de carga positiva que componen el núcleo se llaman protones. Resulta que la masa de un protón es alrededor de 1 836 veces la masa de un electrón. Además, las cargas eléctricas de un protón y un electrón tienen las mismas magnitudes, pero con signos opuestos; la del protón es positiva y la del electrón, negativa. Así, por ejemplo, el átomo más sencillo está formado por un núcleo compuesto únicamente de un protón que a su alrededor tiene un electrón. Este átomo es el hidrógeno. De manera análoga quedan constituidos otros tipos de átomos. Cada uno de ellos tiene cierto número de protones en su núcleo e igual número de electrones a su alrededor. Como ilustración mencionaremos los casos del carbono que tiene seis protones en su núcleo y seis electrones a su alrededor; el oxígeno tiene ocho protones y ocho electrones; el cloro tiene diecisiete protones y diecisiete electrones, etcétera.

Las características químicas que tiene un átomo quedan determinadas por el número de electrones (que es igual al de protones en el núcleo) que contiene; este número se llama número atómico del elemento. Así, dos átomos tienen propiedades químicas distintas si sus números atómicos son diferentes. El flúor, con número atómico 9, es distinto del argón, que tiene número atómico 18, justamente porque sus números son distintos.

Hacia 1920 el mismo Rutherford, basado en resultados de diferentes experimentos, hizo una suposición: en el núcleo del átomo debería existir otra partícula, distinta al protón. Para ser consistente con el experimento, esta partícula debería tener carga eléctrica nula. Sin embargo, Rutherford no pudo dar ninguna prueba concluyente sobre la existencia de esta partícula.

Durante más de diez años el grupo de Rutherford en Cambridge estuvo estudiando y sondeando el núcleo atómico. Hasta 1932, otro físico inglés perteneciente a dicho grupo, sir James Chadwick, descubrió en el laboratorio la existencia de la partícula propuesta por Rutherford. A esta partícula se le llama neutrón.

Por lo tanto, el núcleo de un átomo contiene protones y neutrones. Es claro que para que el átomo sea neutro el número de protones debe ser igual al número de electrones que rodean al núcleo.

La masa que tiene un neutrón es casi igual a la que tiene un protón, o sea alrededor de 1 836 veces la masa de un electrón. A causa de esta diferencia de masas resulta obvio que la masa de un átomo está prácticamente concentrada en su núcleo.

Ahora bien, como mencionamos en un párrafo anterior, las propiedades químicas que tiene un átomo dependen del número de electrones que posee. Esto significa que dos átomos que tengan el mismo número de electrones (y por tanto, de protones) pero que tengan distintos números de neutrones en sus núcleos son químicamente idénticos. Así, por ejemplo, el carbón tiene seis protones (y por tanto, seis electrones) pero puede tener en su núcleo cinco, seis, ocho neutrones. Se denotan a estos núcleos como ₆ C ¹¹, ₆ C ¹², ₆ C ¹⁴, respectivamente. Aquí el 6 colocado abajo y a la izquierda del símbolo químico C del carbón indica su número atómico. El número que está arriba y a la derecha es la suma de los protones y de los neutrones que hay en el núcleo; es decir, del número total de partículas que se encuentra en el núcleo. Los átomos de carbón así formados son todos químicamente idénticos ya que todos tienen el mismo número atómico, a saber, seis. Sin embargo, estos átomos no son iguales entre sí ya que tienen núcleos distintos. A estos átomos diferentes del mismo elemento se les llama isótopos.

Sin embargo, a pesar de tener las mismas propiedades químicas, distintos isótopos del mismo elemento químico tienen distintas propiedades nucleares. Esto es así ya que las fuerzas que mantienen unido al núcleo, las llamadas fuerzas nucleares, se manifiestan de diferentes maneras si el número de las partículas que están en el núcleo es distinto. En efecto, no da lo mismo, en lo que a las fuerzas nucleares respecta, si en el núcleo hay 11 partículas (6 protones + 5 neutrones), que si hay 1 2 partículas (6 protones + 6 neutrones). En particular, dependiendo del número de neutrones y protones que haya en el núcleo puede ocurrir que el núcleo no sea estable. Esto significa que las fuerzas nucleares hacen que el núcleo se rompa. Otros núcleos sí son estables. En el ejemplo del carbón mencionado, el isótopo ₆C¹² es un núcleo estable y es el que se encuentra en los núcleos de carbón que conocemos. Sin embargo, el núcleo de ₆C¹¹ es un isótopo que se rompe, o sea que es inestable. Si se tuviesen 100 g de este isótopo, entonces, después de 20.4 min, solamente tendríamos 37 g del isótopo. A este tiempo se le llama la vida media del isótopo. Las vidas medias de diferentes isótopos son distintas. Así, por ejemplo, la vida media del isótopo ₆C¹⁴ es de 5 730 años, que es distinta a la correspondiente del ₆C¹¹. Vemos entonces que las propiedades nucleares dependen de manera muy significativa del número de neutrones y protones que tenga el núcleo del átomo.

Los núcleos que no son estables, después de cierto intervalo de tiempo, se rompen en varios fragmentos. Es decir, estos núcleos se desintegran. En un capitulo posterior hablaremos sobre este proceso de desintegración nuclear.