V. EL N�CLEO Y SUS FUERZAS

LA F�SICA puede describirse como un continuo vaiv�n entre teor�a y experimento, aunque �ste tiene siempre la �ltima palabra. Mientras los grandes te�ricos desarrollaban las ideas cu�nticas, Rutherford y sus alumnos continuaban ocupados desentra�ando los misterios del n�cleo. Una vez que se descubri� el n�cleo, la pregunta que surgi� de inmediato fue, �de qu� est� compuesto? Como se sab�a ya desde el siglo pasado que las masas de los elementos qu�micos se aproximan mucho a m�ltiplos enteros de la masa del hidr�geno, result� natural pensar que los distintos n�cleos estaban formados por protones, puesto que el del hidr�geno consiste de un solo prot�n. Sin embargo, �sta no puede ser la historia completa, ya que para entender la neutralidad el�ctrica del �tomo se requiere postular la existencia de un cierto n�mero de protones en el n�cleo, mientras que para explicar la masa es necesario el doble de ellos.

Tom� dos d�cadas descifrar esta inc�gnita y muchos f�sicos siguieron pistas falsas —entre ellas la de suponer la existencia de electrones dentro del n�cleo— antes de encontrar al acompa�ante del prot�n en el centro de los �tomos. En vista de las predicciones de la mec�nica cu�ntica se puede entender f�cilmente uno de los argumentos m�s contundentes para descartar un n�cleo compuesto por protones y electrones. Si aplicamos el principio de incertidumbre a los electrones dentro del n�cleo, concluimos de inmediato que las energ�as electr�nicas ser�an muy superiores a las medidas en la desintegraci�n beta y, tambi�n, mucho mayores a las producidas por el campo el�ctrico de atracci�n debido a los protones, fuerza que se consideraba como responsable de confinar a protones y electrones dentro del n�cleo. El razonamiento te�rico es el siguiente: si una part�cula de masa m se confina en un local de largo l, su incertidumbre en la correspondiente componente de la velocidad es mayor que h/ml, pues de lo contrario se violar�a el principio de Heisenberg. A medida que l se hace menor, crece esta incertidumbre y por ende la energ�a cin�tica de m. El efecto es mayor, tambi�n, mientras menor sea la masa de la part�cula, y afecta, por tanto, m�s a los electrones que a los protones, pues la masa de �stos es 2 000 veces mayor que la de aqu�llos. Si usamos los datos de la Tabla 1, tomando para l el valor de 10^-13 cm, que es el apropiado al n�cleo, las energ�as resultan enormes.

El 27 de febrero de 1932 James Chadwick, alumno de Rutherford, inform� a la comunidad cient�fica que hab�a encontrado pruebas de la existencia de una nueva part�cula neutra, a la cual llam� neutr�n. Los f�sicos no tardaron mucho en darse cuenta que �ste era el acompa�ante misterioso del prot�n en el n�cleo at�mico. La existencia del neutr�n, cuya masa es muy parecida a la del prot�n, permiti� ver viejos conocimientos desde una nueva perspectiva. Primero, fue evidente que la raz�n de que la masa at�mica sea casi un m�ltiplo entero de la masa del �tomo de hidr�geno, hecho ya conocido desde el siglo pasado, es que las masas del neutr�n y del prot�n sean casi iguales. Tambi�n fue claro que el comportamiento qu�mico, ligado a las capas externas de electrones, depende s�lo del n�mero de protones, sin que importe la cantidad de neutrones en el �tomo. Por otro lado, es posible que con el mismo n�mero Z de protones —es decir, para igual elemento qu�mico— y un n�mero variable de neutrones N se puedan formar sistemas estables. De ah� el origen de los is�topos de un elemento qu�mico, que ocupan el mismo lugar en la tabla peri�dica pero que pueden tener diferente masa.

TABLA 1. Datos y unidades at�micos para sistemas at�micos y nucleares.

	MASAS
electrón	me = 9.1091 x 10-28 g
protón	mp = 1.6725 x 10-24 g = 1836 me
neutrón	mn = 1.6748 x 10-24 g = 1839 me
	CARGAS
elemental	e = 1.6021 x 10-19 c
electrón	- e
protón	+ e
	RADIOS
atómico	� 10-8 cm = 1
núclear	� 10-13 cm = 1 f
	ENERGÍAS TÍPICAS
atómicas	� 1.6 x 10-12 erg = 1 eV
nucleares	� 1.6 x 10-6 erg = 1 MeV
	OTRAS CONSTANTES IMPORTANTES
velocidad de la luz	c = 2.998 x 108 m/s
constante de Planck	h = 6.626 x 10-27 erg · s
número de Avogadro	NA = 6.023 x 1023 moléculas/g · mol

Los is�topos fueron conocidos veinte a�os antes que el neutr�n. Poco despu�s del descubrimiento de la radiactividad, se encontr� que exist�an ciertos elementos con las mismas propiedades qu�micas pero con caracter�sticas radiactivas diferentes. Tal es el caso del plomo: el m�s abundante no es radiactivo, pero si lo es el que se separa de las sales de uranio. En 1910, Soddy dio a esas variedades inestables de un mismo elemento el nombre que todav�a hoy usamos: radiois�topos. Tambi�n los elementos no radiactivos tienen is�topos; esto lo descubri� Thomson en 1913 al observar la deflexi�n de haces at�micos de ne�n. Unos �tomos ten�an una relaci�n de masa a carga igual a 20, y otros igual a 22 veces la del hidr�geno. Aston, otro disc�pulo de Thomson que tambi�n recibi� el premio Nobel, descubri� los is�topos estables de muchos elementos y en todos los casos su masa result� ser casi un m�ltiplo entero de la del hidr�geno.

Al descubrirse el neutr�n, muchos problemas se resolvieron. Sin embargo una nueva dificultad se present�, pues no resultaba claro qu� fuerza manten�a unidos a protones y neutrones dentro del n�cleo. Tal fuerza no puede tener car�cter el�ctrico, no s�lo porque no actuar�a entre los neutrones sino porque no es lo suficientemente intensa para confinar una masa como la del prot�n o la del neutr�n en una regi�n tan peque�a como la ocupada por el n�cleo. Este argumento, que ya dimos antes, est� basado en el principio de incertidumbre. Por lo mismo, la fuerza dentro del n�cleo no puede ser la gravitacional; a las distancias nucleares, la atracci�n gravitatoria entre dos protones es 10^-36 veces menor que la repulsi�n el�ctrica entre ellos. Estamos, pues, ante un nuevo tipo de fuerza, la fuerza nuclear o interacci�n fuerte, llamada as� por ser mucho m�s intensa que las otras dos interacciones fundamentales conocidas hasta mediados de los a�os treinta: la fuerza gravitacional y la fuerza electromagn�tica.

De esta forma se pudieron eludir satisfactoriamente muchas de las dificultades que presentaba el antiguo modelo nuclear basado en protones y electrones. S�lo restaba describir la fuerza que mantiene estable al n�cleo. Se sab�a, por ejemplo, que para explicar las propiedades del �tomo no se requiere introducir esa fuerza nuclear; de ah� que �sta sea perceptible s�lo a distancias parecidas al radio nuclear. Por tanto, decimos que la interacci�n fuerte es de corto alcance, a diferencia de la interacci�n el�ctrica, que es de largu�simo alcance. Se sab�a tambi�n que la fuerza nuclear debe ser predominantemente atractiva, para as� contrarrestar la repulsi�n el�ctrica entre los protones, garantizando la estabilidad del n�cleo.

En 1935, el f�sico japon�s Hideki Yukawa utiliz� el razonamiento por analog�a, tan �til en f�sica, para proponer una teor�a fundamental de las fuerzas nucleares. Ya entonces la mec�nica cu�ntica se hab�a aplicado al estudio del campo electromagn�tico, y la electrodin�mica cu�ntica se hallaba en formaci�n. Seg�n las ideas de la teor�a cu�ntica del campo, la interacci�n entre dos cargas el�ctricas es resultado del intercambio de un fot�n entre ellas, que act�a como el mensajero de la fuerza. Por analog�a, Yukawa introdujo el mensajero de la fuerza nuclear y pronto se dio cuenta de que este mensajero deber�a tener masa. Esto, porque s�lo entonces la fuerza nuclear resultar�a de corto alcance. Propuso, pues, la existencia de una part�cula de masa intermedia, llamada por eso mes�n, cuyo intercambio producir�a el amarre de los n�cleos. No fue sino hasta finales de los a�os cuarenta que se descubri� esa part�cula, que llamamos mes�n p o pion y que puede ser neutra, positiva o negativa.

Como el intercambio de los mesones p es m�s complicado que el intercambio de fotones, la nueva interacci�n, llamada fuerte, es m�s compleja que la electromagn�tica. La interacci�n fuerte no distingue entre protones y neutrones, pero depende de muchas caracter�sticas de estos nucleones, como se les llama gen�ricamente a los constituyentes del n�cleo at�mico. Para entenderla se han realizado miles de experimentos en los cuales se hace chocar un n�cleo contra otro. Dado lo complejo de esta fuerza, debe ya ser claro que entender la estructura del n�cleo nos enfrenta a un problema formidable: muchos cuerpos, Z protones y N neutrones, interact�an con una fuerza muy complicada y en buena parte desconocida. Se debe resolver entonces la ecuaci�n de Schr�dinger para deducir el tama�o, la forma y la orientaci�n de las funciones de onda cu�nticas apropiadas al n�cleo. Se encuentra, en particular, que los n�cleos aislados s�lo pueden existir en un conjunto discreto de tama�os y formas. Cada uno de estos estados tiene una energ�a definida. En otras palabras, el espectro de los n�cleos tambi�n existe.

La imagen de un n�cleo compuesto por protones y neutrones unidos por una fuerza muy intensa y compleja, deja sin explicar un fen�meno bien conocido y que ya hemos mencionado varias veces: la desintegraci�n beta. Como dijimos, algunos n�cleos pueden emitir electrones, o incluso las antipart�culas de �stos, los positrones. Ello plantea de inmediato una cuesti�n obvia: si en el n�cleo no hay electrones, �de d�nde provienen �stos, es decir, de d�nde surgen los rayos b?

Por esta causa se inici� el estudio del espectro de energ�a de estas radiaciones. William Bragg, uno m�s de los alumnos de Thomson que obtuvieron el Nobel, encontr� que las part�culas alfa eran emitidas con energ�as muy bien definidas por los elementos radiactivos. Es decir, las alfas que brotan de un elemento al desintegrarse salen siempre con la misma rapidez. En contraste, Chadwick y luego Ellis y Wooster encontraron que el espectro de la desintegraci�n b es continuo. Es decir, a diferencia de lo que ocurr�a con las part�culas alfa o con el espectro de los �tomos, los rayos b no muestran energ�as caracter�sticas.

Tal resultado planteaba una paradoja y llevaba a conclusiones contradictorias respecto a los n�cleos y su decaimiento. Al emitir una b, los n�cleos iniciales de un mismo tipo tienen como producto final n�cleos residuales que son tambi�n id�nticos entre s�. Entonces, �a qu� se debe que la energ�a de las b no sea siempre la misma? En 1930, Wolfgang Pauli propuso la soluci�n: al mismo tiempo que sale el electr�n se emite otra part�cula, que es neutra y de masa muy peque�a. De esta manera, la energ�a disponible para el decaimiento se reparte arbitrariamente entre ambas part�culas y el espectro de las b es continuo. Posteriormente, Enrico Fermi desarroll� la teor�a apropiada, incorporando esa part�cula —a la que llam� neutrino, el neutroncito, en italiano— y una nueva fuerza —a la que llam� la interacci�n d�bil, por su peque�a magnitud—. Las part�culas beta se crean en el momento del decaimiento, igual que los fotones se crean al ocurrir una transici�n electromagn�tica cuando el �tomo emite luz.

Con esta nueva teor�a, Fermi pudo deducir el espectro continuo de la desintegraci�n beta y tambi�n pudo demostrar que, en efecto, el neutrino debe tener una masa casi nula, despreciable, tal y como lo hab�a predicho Pauli. El neutrino, s�lo sensible a la interacci�n d�bil, es muy dif�cil de detectar. Por eso, Fermi hubo de vivir el resto de su vida con la esperanza de que los neutrinos en verdad existieran. Las alternativas, como poner en duda el principio de conservaci�n de la energ�a, eran peores. En 1956, cuando ya Fermi hab�a muerto, se pudieron realizar experimentos para detectar los neutrinos, lo que al fin se logr� usando un reactor nuclear de fisi�n en que el flujo de neutrones y neutrinos es enorme.

Con la aparici�n de la cuarta fuerza, la interacci�n d�bil, se completa el cuadro de la f�sica nuclear b�sica que es necesario saber para entender los experimentos de fusi�n fr�a. Podemos resumir a continuaci�n los conocimientos nucleares necesarios, dejando ya de lado la historia de la f�sica nuclear para concentrarnos en la fusi�n, tanto fr�a como caliente.