El núcleo atómico
Casi toda la masa de un átomo está concentrada en un núcleo de apenas unos femtómetros de diámetro. El núcleo contiene protones y neutrones, llamados conjuntamente nucleones, y su estructura refleja la competencia entre la interacción nuclear de corto alcance, la repulsión eléctrica y los efectos cuánticos.
La notación de los núclidos hace explícitos los recuentos
ᴬZX, donde Z es el número de protones, A el número total de nucleones y N = A − Z el número de neutrones.
Cambiar Z cambia el elemento. Cambiar N manteniendo Z fijo produce un isótopo del mismo elemento. La carga nuclear es +Ze, mientras que casi toda la masa atómica procede de los nucleones.
La escala de tamaño nuclear
Una relación empírica útil es R ≈ r₀A¹ᐟ³, con r₀ ≈ 1,2 fm. Como el volumen escala con R³, la densidad nuclear resulta aproximadamente constante para muchos núcleos. Duplicar A no duplica el radio.
Energía de enlace y defecto de masa
Un núcleo ligado tiene una masa en reposo menor que la de los mismos protones y neutrones separados hasta el infinito. La diferencia Δm corresponde a una energía de enlace B = Δmc². Es una propiedad energética del sistema completo; no significa que cada nucleón pierda su identidad.
La estabilidad no depende de un único número
Importan la relación entre neutrones y protones, la estructura de capas, el apareamiento y los canales de desintegración disponibles. Un núcleo puede tener una gran energía de enlace por nucleón y seguir siendo radiactivo si existe un estado de menor energía accesible. «Fuertemente ligado» y «absolutamente estable» no son equivalentes.
Una comparación de escalas ayuda a situarlo: para A = 125, la regla A¹ᐟ³ da un radio nuclear de solo unos 6 fm, mientras que el átomo que lo rodea suele medir decenas de miles de femtómetros. El núcleo ocupa por tanto una fracción minúscula del volumen atómico. Por eso los experimentos de dispersión detectan un centro positivo compacto aunque la química dependa sobre todo de la nube electrónica, mucho más extensa.
Ejemplos resueltos
1. Neutrones en uranio-238
Con Z = 92 y A = 238, N = A − Z = 146.
2. Escalado del radio
Si A aumenta por un factor 8, A¹ᐟ³ se duplica; por tanto, el radio nuclear es aproximadamente el doble.
3. Energía asociada a un defecto de masa
Un defecto de masa de 0,010 u corresponde a aproximadamente 0,010×931,5 = 9,32 MeV de energía de enlace.