{"id":1552,"date":"2010-06-21T09:57:29","date_gmt":"2010-06-21T07:57:29","guid":{"rendered":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/?p=1552"},"modified":"2010-06-21T09:58:12","modified_gmt":"2010-06-21T07:58:12","slug":"el-nucleo-atomico-y-la-naturaleza-de-la-materia","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/2010\/06\/21\/el-nucleo-atomico-y-la-naturaleza-de-la-materia\/","title":{"rendered":"El n\u00facleo at\u00f3mico y la naturaleza de la materia"},"content":{"rendered":"

El n\u00facleo at\u00f3mico<\/strong><\/p>\n

El propio Rutherford empez\u00f3 a vislumbrar la respuesta. Entre 1.906 y 1.908 (hace ahora un siglo) realiz\u00f3 constantes experimentos disparando part\u00edculas alfa<\/a> contra una l\u00e1mina sutil de metal (como oro o platino), para analizar sus \u00e1tomos. La mayor parte de los proyectiles atravesaron la barrera sin desviarse (como balas a trav\u00e9s de las hojas de un \u00e1rbol), pero no todos. En la placa fotogr\u00e1fica que le sirvi\u00f3 de blanco tras el metal, Rutherford descubri\u00f3 varios impactos dispersos e insospechados alrededor del punto central. Comprob\u00f3 que algunas part\u00edculas hab\u00edan rebotado. Era como si en vez de atravesar las hojas, algunos proyectiles hubiesen chocado contra algo m\u00e1s s\u00f3lido. Rutherford supuso que aquella “balas” hab\u00edan chocado contra una especie de n\u00facleo denso, que ocupaba s\u00f3lo una parte m\u00ednima del volumen at\u00f3mico y ese n\u00facleo de intensa densidad desviaban los proyectiles que acertaban a chocar contra \u00e9l. Ello ocurr\u00eda en muy raras ocasiones, lo cual demostraba que los n\u00facleos at\u00f3micos deb\u00edan ser realmente \u00ednfimos, porque un proyectil hab\u00eda de encontrar por fuerza muchos millones de \u00e1tomos al atravesar la l\u00e1mina met\u00e1lica.<\/p>\n

Era l\u00f3gico suponer, pues, que los protones<\/a> constitu\u00edan ese n\u00facleo duro. Rutherford represent\u00f3 los protones<\/a> at\u00f3micos como elementos api\u00f1ados alrededor de un min\u00fasculo “n\u00facleo at\u00f3mico” que serv\u00eda de centro (despu\u00e9s de todo eso, hemos podido saber que el di\u00e1metro de ese n\u00facleo equivale a algo m\u00e1s de una cienmil\u00e9sima del volumen total del \u00e1tomo).<\/p>\n

En 1.908 se concedi\u00f3 a Rutherford el premio Nobel de Qu\u00edmica por su extraordinaria labor de investigaci\u00f3n sobre la naturaleza de la materia. \u00c9l fue el responsable de importantes descubrimientos que permitieron conocer la estructura de los \u00e1tomos en esa primera avanzadilla.<\/p>\n

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Desde entonces se pueden describir con t\u00e9rminos m\u00e1s concretos los \u00e1tomos espec\u00edficos y sus diversos comportamientos. Por ejemplo, el \u00e1tomo de hidr\u00f3geno posee un solo electr\u00f3n<\/a>. Si se elimina, el prot\u00f3n<\/a> restante se asocia inmediatamente a alguna mol\u00e9cula vecina; y cuando el n\u00facleo desnudo de hidr\u00f3geno no encuentra por este medio un electr\u00f3n<\/a> que participe, act\u00faa como un prot\u00f3n<\/a> (es decir, una part\u00edcula subat\u00f3mica), lo cual le permite penetrar en la materia y reaccionar con otros n\u00facleos si conserva la suficiente energ\u00eda.<\/p>\n

El helio, que posee dos electrones<\/a>, no cede uno con tanta facilidad. Sus dos electrones<\/a> forman un caparaz\u00f3n herm\u00e9tico, por lo cual el \u00e1tomo es inerte. No obstante, si se despoja al helio de ambos electrones<\/a>, se convierte en una part\u00edcula alfa<\/a>, es decir, una part\u00edcula subat\u00f3mica portadora de dos unidades de carga positiva.<\/p>\n

Hay un tercer elemento, el litio, cuyo \u00e1tomo tiene tres electrones<\/a>. Si se despoja de uno o dos, se transforma en i\u00f3n, y si pierde los tres, queda reducida a un n\u00facleo desnudo, con una carga positiva de tres unidades.<\/p>\n

Las unidades de carga positiva en el n\u00facleo at\u00f3mico deben ser num\u00e9ricamente id\u00e9nticas a los electrones<\/a> que contiene por norma, pues el \u00e1tomo suele ser un cuerpo neutro, y esta igualdad de lo positivo con lo negativo es el equilibrio. De hecho, los n\u00fameros at\u00f3micos de sus elementos se basan en sus unidades de carga positiva, no en las de carga negativa, porque resulta f\u00e1cil hacer variar el n\u00famero de electrones<\/a> at\u00f3micos dentro de la formaci\u00f3n i\u00f3nica, pero en cambio se encuentran grandes dificultades si se desea alterar el n\u00famero de sus protones<\/a>.<\/p>\n

Apenas esbozado este esquema de la construcci\u00f3n at\u00f3mica, surgieron nuevos enigmas. El n\u00famero de unidades con carga positiva en un n\u00facleo no equilibr\u00f3, en ning\u00fan caso, el peso nuclear ni la masa, exceptuando el caso del \u00e1tomo de hidr\u00f3geno. Para citar un ejemplo, se averigu\u00f3 que el n\u00facleo de helio ten\u00eda una carga positiva dos veces mayor que la del n\u00facleo de hidr\u00f3geno; pero como ya se sab\u00eda, su masa era cuatro veces mayor que la de este \u00faltimo. Y la situaci\u00f3n empeor\u00f3 progresivamente a medida que se descend\u00eda por la tabla de elementos, e incluso cuando se alcanz\u00f3 el uranio, se encontr\u00f3 un n\u00facleo con una masa igual a 238 protones<\/a>, pero una carga que equival\u00eda s\u00f3lo a 92.<\/p>\n

\u00bfC\u00f3mo era posible que un n\u00facleo que conten\u00eda cuatro protones<\/a> (seg\u00fan se supon\u00eda el n\u00facleo de helio) tuviera s\u00f3lo dos unidades de carga positiva? Seg\u00fan la m\u00e1s simple y primera conjetura emitida, la presencia en el n\u00facleo de part\u00edculas cargadas negativamente y con peso despreciable neutralizaba dos unidades de carga. Como es natural, se pens\u00f3 tambi\u00e9n en el electr\u00f3n<\/a>. Se podr\u00eda componer el rompecabezas si se supon\u00eda que en n\u00facleo de helio estaba integrado por cuatro protones<\/a> y dos electrones<\/a> neutralizadores, lo cual deja libre una carga positiva neta de dos, y as\u00ed sucesivamente, hasta llegar al uranio, cuyo n\u00facleo tendr\u00eda, pues, 238 protones<\/a> y 146 electrones<\/a>, con 92 unidades libres de carga positiva. El hecho de que los n\u00facleos radiactivos emitieran electrones<\/a> (seg\u00fan se hab\u00eda comprobado ya, por ejemplo, en el caso de las part\u00edculas beta<\/a>), reforz\u00f3 esta idea general. Dicha teor\u00eda prevaleci\u00f3 durante m\u00e1s de una d\u00e9cada, hasta que por caminos indirectos, lleg\u00f3 una respuesta mejor como resultado de otras investigaciones.<\/p>\n

Pero entre tanto se hab\u00edan presentado algunas objeciones rigurosas contra dicha hip\u00f3tesis. Por lo pronto, si el n\u00facleo estaba constituido esencialmente de protones<\/a>, mientras que los ligeros electrones<\/a> no aportaban pr\u00e1cticamente ninguna contribuci\u00f3n a la masa, \u00bfc\u00f3mo se explicaba que las masas relativas de varios n\u00facleos no estuvieran representadas por n\u00famero enteros? Seg\u00fan los pesos at\u00f3micos conocidos, el n\u00facleo del \u00e1tomo cloro, por ejemplo, ten\u00eda una masa 35’5 veces mayor que la del n\u00facleo de hidr\u00f3geno. \u00bfAcaso significaba esto que conten\u00eda 35’5 protones<\/a>? Ning\u00fan cient\u00edfico (ni entonces ni ahora) pod\u00eda aceptar la existencia de medio prot\u00f3n<\/a>.<\/p>\n

Este singular interrogante encontr\u00f3 una respuesta incluso antes de solventar el problema principal, y ello dio lugar a una interesante historia.<\/p>\n

Is\u00f3topos; construcci\u00f3n de bloques uniformes<\/strong><\/p>\n

All\u00e1 por 1.816, el f\u00edsico ingl\u00e9s William Prout hab\u00eda insinuado ya que el \u00e1tomo de hidr\u00f3geno deb\u00eda entrar en la constituci\u00f3n de todos los \u00e1tomos. Con el tiempo se fueron desvelando los pesos at\u00f3micos, y la teor\u00eda de Prout qued\u00f3 arrinconada, pues se comprob\u00f3 que muchos elementos ten\u00edan pesos fraccionarios (para lo cual se tom\u00f3 el ox\u00edgeno, tipificado al 16). El cloro, seg\u00fan dije antes, tiene un peso at\u00f3mico aproximado de 35’5, o para ser exactos, 35’457. otros ejemplos son el antimonio, con un peso at\u00f3mico de 121’75, el galio con 137’34, el boro con 10’811 y el cadmio con 112’40.<\/p>\n

Hacia principios de siglo se hizo una serie de observaciones desconcertantes, que condujeron al esclarecimiento. El ingl\u00e9s William Crookes (el del tubo Crookes<\/em>) logr\u00f3 disociar del uranio una sustancia cuya \u00ednfima cantidad result\u00f3 ser mucho m\u00e1s radiactiva que el propio uranio. Apoy\u00e1ndose en su experimento, afirm\u00f3 que el uranio no ten\u00eda radiactividad<\/a>, y que \u00e9sta proced\u00eda exclusivamente de dicha impureza, que \u00e9l denomin\u00f3 uranio X<\/em>. Por otra parte, Henri Becquerel descubri\u00f3 que el uranio purificado y ligeramente radiactivo adquir\u00eda mayor radiactividad<\/a> con el tiempo, por causas desconocidas. Si se deja reposar durante alg\u00fan tiempo, se pod\u00eda extraer de \u00e9l repetidas veces uranio activo X. Para decirlo de otra manera, por su propia radiactividad<\/a>, el uranio se convert\u00eda en el uranio X, m\u00e1s radiactivo a\u00fan.<\/p>\n

Por entonces, Rutherford, a su vez, separ\u00f3 del torio un torio X<\/em> muy radiactivo, y comprob\u00f3 tambi\u00e9n que el torio segu\u00eda produciendo m\u00e1s torio X. Hacia aquellas fechas se sab\u00eda ya que el m\u00e1s famoso de los elementos radiactivos, el radio, emit\u00eda un gas radiactivo, denominado rad\u00f3n. Por tanto, Rutherford y su ayudante, el qu\u00edmico Frederick Soddy, dedujeron que durante la emisi\u00f3n de sus part\u00edculas los \u00e1tomos radiactivos se transformaron en otras variedades de \u00e1tomos radiactivos.<\/p>\n

Varios qu\u00edmicos que investigaron tales transformaciones lograron obtener un surtido muy variado de nuevas sustancias, a las que dieron nombres tales como radio A<\/em>, radio B<\/em>, mesotorio I<\/em>, mesotorio II<\/em> y actinio C<\/em>. Luego los agruparon todos en tres series, de acuerdo con sus historiales at\u00f3micos. Una serie se origin\u00f3 del uranio disociado; otra del torio, y la tercera del actinio (si bien m\u00e1s tarde se encontr\u00f3 un predecesor del actinio, llamado protactinio<\/em>).<\/p>\n

En total se identificaron unos cuarenta miembros de esas series, y cada uno se distingui\u00f3 por su peculiar esquema de radiaci\u00f3n. Pero los productos finales de las tres series fueron id\u00e9nticos: en \u00faltimo t\u00e9rmino, todas las cadenas de sustancias conduc\u00edan al mismo elemento, el plomo.<\/p>\n

Ahora bien, esas cuarenta sustancias no pod\u00edan ser, sin excepci\u00f3n, elementos disociados. Entre el uranio (92) y el plomo (82) hab\u00eda s\u00f3lo diez lugares en la tabla peri\u00f3dica, y todos ellos, salvo dos, pertenec\u00edan a elementos conocidos.<\/p>\n

En realidad, los qu\u00edmicos descubrieron que aunque las sustancias difer\u00edan entre s\u00ed por su radiactividad<\/a>, algunas ten\u00edan propiedades qu\u00edmicas id\u00e9nticas. Por ejemplo, ya en 1.907 los qu\u00edmicos americanos Herbert Newby McCoy y W. H. Ross descubrieron que el radiotorio<\/em> (uno entre los varios productos de la desintegraci\u00f3n del torio) mostraba el mismo comportamiento qu\u00edmico que el torio, y el radio D<\/em>, el mismo que el plomo, tanto que a veces era llamado radioplomo<\/em>. De todo lo cual se infiri\u00f3 que tales sustancias eran en realidad variedades de mismo elemento: el radiotorio, una forma de torio; el radioplomo, un miembro de una familia de plomos; y as\u00ed sucesivamente.<\/p>\n

En 1.913, Soddy esclareci\u00f3 esta idea y le dio m\u00e1s amplitud. Demostr\u00f3 que cuando un \u00e1tomo emit\u00eda una part\u00edcula alfa<\/a>, se transformaba en un elemento que ocupaba dos lugares m\u00e1s abajo en la lista de elementos, y que cuando emit\u00eda una part\u00edcula beta<\/a>, ocupaba, despu\u00e9s de su transformaci\u00f3n, el lugar inmediatamente superior. Con arreglo a tal norma, el radiotorio descend\u00eda en la tabla hasta el lugar del torio, y lo mismo ocurr\u00eda con las sustancias denominadas uranio X y uranio Y, es decir, que los tres ser\u00edan variedades del elemento 90. As\u00ed mismo, el radio D, el radio B, el torio B y el actinio B compartir\u00edan el lugar del plomo como variedades del elemento 82.<\/p>\n

Soddy dio el nombre de is\u00f3topos<\/em> (del griego iso<\/em> y topos<\/em>, “el mismo lugar”) a todos los miembros de una familia de sustancias que ocupaban el mismo lugar en la tabla peri\u00f3dica. En 1.921 se le concedi\u00f3 el premio Nobel de Qu\u00edmica.<\/p>\n

El modelo prot\u00f3n<\/a>-electr\u00f3n<\/a> del n\u00facleo concord\u00f3 perfectamente con la teor\u00eda de Soddy sobre los is\u00f3topos. Al retirar una part\u00edcula alfa<\/a> de un n\u00facleo, se reduc\u00eda en dos unidades la carga positiva de dicho n\u00facleo, exactamente lo que necesitaba para bajar dos lugares en la tabla peri\u00f3dica. Por otra parte, cuando el n\u00facleo expulsaba un electr\u00f3n<\/a> (part\u00edcula beta<\/a>), quedaba sin neutralizar un prot\u00f3n<\/a> adicional, y ello incrementaba en una unidad la carga positiva del n\u00facleo, lo cual era como agregar una unidad al n\u00famero at\u00f3mico, y por tanto, el elemento pasaba a ocupar la posici\u00f3n inmediatamente superior en la tabla peri\u00f3dica de los elementos.<\/p>\n

\u00a1Maravilloso!<\/p>\n

emilio silvera<\/em><\/p>\n

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