VI. A MANERA DE RESUMEN

EN EL centro del átomo se encuentra el núcleo, cuyo radio es 10 000 veces menor que el de aquél. Como se ve en la Tabla 1, el radio nuclear es del orden de 10^-13 cm, distancia que conocemos como un fermi, f, en honor al gran físico italiano. En primera aproximación, al núcleo lo forman dos tipos de partículas, el protón p y el neutrón n, cuyas masas son casi idénticas. El protón tiene una carga eléctrica igual en magnitud a la del electrón aunque de signo opuesto, y el neutrón n, como su nombre lo indica, es neutro, no tiene carga eléctrica. La masa de estas partículas, que genéricamente llamamos nucleones, es aproximadamente 2 000 veces mayor que la masa electrónica. Ya que están cargados y confinados a distancias tan pequeñas, los protones se repelen con una fuerza eléctrica mucho mayor que su atracción gravitacional. Por eso, la estabilidad nuclear no se debe a la fuerza gravitatoria ni a la eléctrica, sino a otro tipo de interacción, la fuerte, que afecta a protones y a neutrones sin distinción.

La magnitud de la interacción fuerte es tal que para arrancar un nucleón del núcleo se requiere de energía un millón de veces mayor que la necesaria para ionizar un átomo. La unidad natural de la energía nuclear no es, como en el átomo, el electrón-voltio eV sino el MeV el millón de electrón-voltios, según puede verse en la Tabla 1. La fuerza nuclear es muy intensa pero actúa sólo a distancias muy pequeñas, de unos cuantos fermis. Este alcance de la interacción fuerte —o distancia a la cual esa fuerza es notoria— hace que los nucleones sólo sientan la acción atractiva de sus vecinos más cercanos. En contraste, la repulsión eléctrica de los protones es de largo alcance, y afecta a cargas separadas entre sí por distancias mucho mayores que el radio del núcleo. En consecuencia, y a pesar de lo intenso de la fuerza nuclear, la repulsión eléctrica llega a dominar cuando el número de protones se hace grande. En efecto, los núcleos con más de 92 protones, es decir más pesados que el uranio, ya no son estables.

Para arrancar un nucleón es necesario darle energía, la llamada energía de amarre. Muchos físicos se dedicaron a estudiar cómo cambia este amarre con el número de nucleones, que llamaremos A = N + Z, donde N y Z representan el número de neutrones y protones, respectivamente. Las características de esta función son consecuencia del corto alcance de la fuerza nuclear Así, para núcleos ligeros, cuya A es pequeña, al crecer A aumenta el número promedio de vecinos cercanos a un nucleón dado y, por lo tanto, cuesta más trabajo arrancar un nucleón a un núcleo con A + 1 partículas que a otro con A nucleones. Cuando A crece también lo hace Z, el número de protones. Con él aumenta la repulsión eléctrica y ello se traduce en que, a partir de A ~ 60, la energía de amarre promedio de los núcleos pesados decrece con A. Como acabamos de ver, la consecuencia más crítica de este efecto es que la fuerza eléctrica repulsiva acumulada evita que existan en forma natural y estable núcleos más pesados que el uranio.

Consideremos el sistema nuclear compuesto más simple: el formado por un protón y un neutrón, que llamamos deuterón y que es uno de los isótopos del hidrógeno. A primera vista, la masa del deuterón debería ser la suma de las masas del protón y el neutrón. Sin embargo, estas dos partículas están ligadas entre sí y para separarlas se debe invertir una cierta energía, la que hemos llamado de amarre. Según nos enseñó Einstein con su famosa fórmula relativista E = mc², energía y masa son equivalentes. En consecuencia, el deuterón tiene una masa menor que la suma de las masas de sus constituyentes. Lo interesante ocurre en el proceso inverso, cuando fusionamos un protón con un neutrón; en este proceso se debe liberar una energía igual a la de amarre. Es éste el origen de la ganancia de energía en la fusión nuclear.

Como corolario de lo anterior se puede entender también la generación de energía por medio de la fisión nuclear; es decir; por el rompimiento de un núcleo pesado. Tomemos el ²³⁸U, con 92 protones y 146 neutrones. Como dijimos, un núcleo con A = 238 está menos ligado que otro con A = 119; puesto de otra manera, la masa del ²³⁸U es mayor que la suma de las masas de dos núcleos con A = 119. Por lo tanto, al romper el uranio en dos se libera energía. El uranio se rompe o se fisiona si contra él chocan neutrones; al agregarle un nucleón, el sistema pierde estabilidad. Como los neutrones no sienten la fuerza eléctrica repulsiva, se acercan sin problemas al núcleo de uranio; éste luego no sólo se rompe en dos pedazos nucleares grandes sino también libera gran energía y emite neutrones, un poco más de dos en promedio por cada fisión. Esos neutrones pueden, a su vez inducir nuevas fisiones de otros núcleos de uranio, y así sucesivamente, con lo que se genera una reacción en cadena. Esta es la base de operación de los reactores nucleares de fisión utilizados para generar energía eléctrica.

La interacción débil también produce la inestabilidad del núcleo al transformar protones en nucleones y viceversa. Con su acción se recupera el delicado equilibrio de protones y neutrones que requiere un núcleo para ser estable. Si la energía total del sistema transformado es menor que la energía del núcleo original, la desintegración beta es posible y puede entonces ocurrir. Hay dos posibilidades: la desintegración b⁺ y la b^-, según convenga desde el punto de vista energético transformar un protón en un neutrón con la emisión de un positrón (o antielectrón), o el caso contrario, en que se emite un electrón. En general, los núcleos inestables ante el decaimiento beta tienden a convertirse en núcleos estables, lo que se logra cuando N es del orden de Z —o sea, cuando el núcleo tiene igual número de protones y neutrones— para núcleos ligeros con A < 60, o cuando N es del orden de 1.5 Z para núcleos más pesados, pues la acción repulsiva de los protones es entonces más importante.

También es posible inducir inestabilidad nuclear por medio de una reacción nuclear, proceso en que se puede cambiar la composición del núcleo o simplemente perturbarlo energéticamente. Según el estado de excitación que resulte, el núcleo puede emitir rayos gamma o núcleos más pequeños, como las partículas a, para así arrojar su energía sobrante.

Todos los procesos de decaimiento son estocásticos, al azar; en el sentido de que no puede preverse con exactitud cuándo van a ocurrir. Es posible tan sólo medir una vida media, que es el tiempo que tardan en decaer la mitad de los núcleos radiactivos de una muestra. Al haber transcurrido una vida media, los núcleos que aún no han decaído tienen la misma probabilidad de desintegrarse que los que ya lo han hecho. Entonces debemos esperar otra vida media para que la mitad de los núcleos restantes decaiga, y así sucesivamente.