V. EL NÚCLEO Y SUS FUERZAS

LA FÍSICA puede describirse como un continuo vaivén entre teoría y experimento, aunque éste tiene siempre la última palabra. Mientras los grandes teóricos desarrollaban las ideas cuánticas, Rutherford y sus alumnos continuaban ocupados desentrañando los misterios del núcleo. Una vez que se descubrió el núcleo, la pregunta que surgió de inmediato fue, ¿de qué está compuesto? Como se sabía ya desde el siglo pasado que las masas de los elementos químicos se aproximan mucho a múltiplos enteros de la masa del hidrógeno, resultó natural pensar que los distintos núcleos estaban formados por protones, puesto que el del hidrógeno consiste de un solo protón. Sin embargo, ésta no puede ser la historia completa, ya que para entender la neutralidad eléctrica del átomo se requiere postular la existencia de un cierto número de protones en el núcleo, mientras que para explicar la masa es necesario el doble de ellos.

Tomó dos décadas descifrar esta incógnita y muchos físicos siguieron pistas falsas —entre ellas la de suponer la existencia de electrones dentro del núcleo— antes de encontrar al acompañante del protón en el centro de los átomos. En vista de las predicciones de la mecánica cuántica se puede entender fácilmente uno de los argumentos más contundentes para descartar un núcleo compuesto por protones y electrones. Si aplicamos el principio de incertidumbre a los electrones dentro del núcleo, concluimos de inmediato que las energías electrónicas serían muy superiores a las medidas en la desintegración beta y, también, mucho mayores a las producidas por el campo eléctrico de atracción debido a los protones, fuerza que se consideraba como responsable de confinar a protones y electrones dentro del núcleo. El razonamiento teórico es el siguiente: si una partícula 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 violaría el principio de Heisenberg. A medida que l se hace menor, crece esta incertidumbre y por ende la energía cinética de m. El efecto es mayor, también, mientras menor sea la masa de la partícula, y afecta, por tanto, más a los electrones que a los protones, pues la masa de éstos es 2 000 veces mayor que la de aquéllos. Si usamos los datos de la Tabla 1, tomando para l el valor de 10^-13 cm, que es el apropiado al núcleo, las energías resultan enormes.

El 27 de febrero de 1932 James Chadwick, alumno de Rutherford, informó a la comunidad científica que había encontrado pruebas de la existencia de una nueva partícula neutra, a la cual llamó neutrón. Los físicos no tardaron mucho en darse cuenta que éste era el acompañante misterioso del protón en el núcleo atómico. La existencia del neutrón, cuya masa es muy parecida a la del protón, permitió ver viejos conocimientos desde una nueva perspectiva. Primero, fue evidente que la razón de que la masa atómica sea casi un múltiplo entero de la masa del átomo de hidrógeno, hecho ya conocido desde el siglo pasado, es que las masas del neutrón y del protón sean casi iguales. También fue claro que el comportamiento químico, ligado a las capas externas de electrones, depende sólo del número de protones, sin que importe la cantidad de neutrones en el átomo. Por otro lado, es posible que con el mismo número Z de protones —es decir, para igual elemento químico— y un número variable de neutrones N se puedan formar sistemas estables. De ahí el origen de los isótopos de un elemento químico, que ocupan el mismo lugar en la tabla periódica pero que pueden tener diferente masa.

TABLA 1. Datos y unidades atómicos para sistemas atómicos 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	ñ 10-8 cm = 1
núclear	ñ 10-13 cm = 1 f
	ENERGÍAS TÍPICAS
atómicas	ñ 1.6 x 10-12 erg = 1 eV
nucleares	ñ 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 isótopos fueron conocidos veinte años antes que el neutrón. Poco después del descubrimiento de la radiactividad, se encontró que existían ciertos elementos con las mismas propiedades químicas pero con características radiactivas diferentes. Tal es el caso del plomo: el más 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 todavía hoy usamos: radioisótopos. También los elementos no radiactivos tienen isótopos; esto lo descubrió Thomson en 1913 al observar la deflexión de haces atómicos de neón. Unos átomos tenían una relación de masa a carga igual a 20, y otros igual a 22 veces la del hidrógeno. Aston, otro discípulo de Thomson que también recibió el premio Nobel, descubrió los isótopos estables de muchos elementos y en todos los casos su masa resultó ser casi un múltiplo entero de la del hidrógeno.

Al descubrirse el neutrón, muchos problemas se resolvieron. Sin embargo una nueva dificultad se presentó, pues no resultaba claro qué fuerza mantenía unidos a protones y neutrones dentro del núcleo. Tal fuerza no puede tener carácter eléctrico, no sólo porque no actuaría entre los neutrones sino porque no es lo suficientemente intensa para confinar una masa como la del protón o la del neutrón en una región tan pequeña como la ocupada por el núcleo. Este argumento, que ya dimos antes, está basado en el principio de incertidumbre. Por lo mismo, la fuerza dentro del núcleo no puede ser la gravitacional; a las distancias nucleares, la atracción gravitatoria entre dos protones es 10^-36 veces menor que la repulsión eléctrica entre ellos. Estamos, pues, ante un nuevo tipo de fuerza, la fuerza nuclear o interacción fuerte, llamada así por ser mucho más intensa que las otras dos interacciones fundamentales conocidas hasta mediados de los años treinta: la fuerza gravitacional y la fuerza electromagnética.

De esta forma se pudieron eludir satisfactoriamente muchas de las dificultades que presentaba el antiguo modelo nuclear basado en protones y electrones. Sólo restaba describir la fuerza que mantiene estable al núcleo. Se sabía, por ejemplo, que para explicar las propiedades del átomo no se requiere introducir esa fuerza nuclear; de ahí que ésta sea perceptible sólo a distancias parecidas al radio nuclear. Por tanto, decimos que la interacción fuerte es de corto alcance, a diferencia de la interacción eléctrica, que es de larguísimo alcance. Se sabía también que la fuerza nuclear debe ser predominantemente atractiva, para así contrarrestar la repulsión eléctrica entre los protones, garantizando la estabilidad del núcleo.

En 1935, el físico japonés Hideki Yukawa utilizó el razonamiento por analogía, tan útil en física, para proponer una teoría fundamental de las fuerzas nucleares. Ya entonces la mecánica cuántica se había aplicado al estudio del campo electromagnético, y la electrodinámica cuántica se hallaba en formación. Según las ideas de la teoría cuántica del campo, la interacción entre dos cargas eléctricas es resultado del intercambio de un fotón entre ellas, que actúa como el mensajero de la fuerza. Por analogía, Yukawa introdujo el mensajero de la fuerza nuclear y pronto se dio cuenta de que este mensajero debería tener masa. Esto, porque sólo entonces la fuerza nuclear resultaría de corto alcance. Propuso, pues, la existencia de una partícula de masa intermedia, llamada por eso mesón, cuyo intercambio produciría el amarre de los núcleos. No fue sino hasta finales de los años cuarenta que se descubrió esa partícula, que llamamos mesón p o pion y que puede ser neutra, positiva o negativa.

Como el intercambio de los mesones p es más complicado que el intercambio de fotones, la nueva interacción, llamada fuerte, es más compleja que la electromagnética. La interacción fuerte no distingue entre protones y neutrones, pero depende de muchas características de estos nucleones, como se les llama genéricamente a los constituyentes del núcleo atómico. Para entenderla se han realizado miles de experimentos en los cuales se hace chocar un núcleo contra otro. Dado lo complejo de esta fuerza, debe ya ser claro que entender la estructura del núcleo nos enfrenta a un problema formidable: muchos cuerpos, Z protones y N neutrones, interactúan con una fuerza muy complicada y en buena parte desconocida. Se debe resolver entonces la ecuación de Schrñdinger para deducir el tamaño, la forma y la orientación de las funciones de onda cuánticas apropiadas al núcleo. Se encuentra, en particular, que los núcleos aislados sólo pueden existir en un conjunto discreto de tamaños y formas. Cada uno de estos estados tiene una energía definida. En otras palabras, el espectro de los núcleos también existe.

La imagen de un núcleo compuesto por protones y neutrones unidos por una fuerza muy intensa y compleja, deja sin explicar un fenómeno bien conocido y que ya hemos mencionado varias veces: la desintegración beta. Como dijimos, algunos núcleos pueden emitir electrones, o incluso las antipartículas de éstos, los positrones. Ello plantea de inmediato una cuestión obvia: si en el núcleo no hay electrones, ¿de dónde provienen éstos, es decir, de dónde surgen los rayos b?

Por esta causa se inició el estudio del espectro de energía de estas radiaciones. William Bragg, uno más de los alumnos de Thomson que obtuvieron el Nobel, encontró que las partículas alfa eran emitidas con energías 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 desintegración b es continuo. Es decir, a diferencia de lo que ocurría con las partículas alfa o con el espectro de los átomos, los rayos b no muestran energías características.

Tal resultado planteaba una paradoja y llevaba a conclusiones contradictorias respecto a los núcleos y su decaimiento. Al emitir una b, los núcleos iniciales de un mismo tipo tienen como producto final núcleos residuales que son también idénticos entre sí. Entonces, ¿a qué se debe que la energía de las b no sea siempre la misma? En 1930, Wolfgang Pauli propuso la solución: al mismo tiempo que sale el electrón se emite otra partícula, que es neutra y de masa muy pequeña. De esta manera, la energía disponible para el decaimiento se reparte arbitrariamente entre ambas partículas y el espectro de las b es continuo. Posteriormente, Enrico Fermi desarrolló la teoría apropiada, incorporando esa partícula —a la que llamó neutrino, el neutroncito, en italiano— y una nueva fuerza —a la que llamó la interacción débil, por su pequeña magnitud—. Las partículas beta se crean en el momento del decaimiento, igual que los fotones se crean al ocurrir una transición electromagnética cuando el átomo emite luz.

Con esta nueva teoría, Fermi pudo deducir el espectro continuo de la desintegración beta y también pudo demostrar que, en efecto, el neutrino debe tener una masa casi nula, despreciable, tal y como lo había predicho Pauli. El neutrino, sólo sensible a la interacción débil, es muy difícil 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 conservación de la energía, eran peores. En 1956, cuando ya Fermi había muerto, se pudieron realizar experimentos para detectar los neutrinos, lo que al fin se logró usando un reactor nuclear de fisión en que el flujo de neutrones y neutrinos es enorme.

Con la aparición de la cuarta fuerza, la interacción débil, se completa el cuadro de la física nuclear básica que es necesario saber para entender los experimentos de fusión fría. Podemos resumir a continuación los conocimientos nucleares necesarios, dejando ya de lado la historia de la física nuclear para concentrarnos en la fusión, tanto fría como caliente.