La interacción nuclear fuerte

Imagen 6. Napy1kenobi. Creative commons.

Al estudiar el núcleo surge el problema de la naturaleza de las fuerzas que mantienen unidos los protones y los neutrones. Las fuerzas gravitatorias y electromagnéticas no pueden explicar la estabilidad de los núcleos. La atracción gravitatoria es unas 10^-36 veces menor que la repulsión electrostática a la distancia a la que se encuentran los protones y los neutrones en el núcleo.

La existencia de núcleos estables demuestra la existencia de fuerzas atractivas protón-neutrón, protón-protón y neutrón-neutrón. Estas fuerzas reciben el nombre de interacción nuclear fuerte y parecen ser las mismas para un par de protones, un par de neutrones o un par protón-neutrón. Sus características son:

• No depende de la carga eléctrica.

Todos los núcleos no son estables. La estabilidad de los mismos sigue unas reglas que se manifiestan representando el número de neutrones (N) frente al de protones (Z) en los diferentes isótopos. Puedes observar que los núcleos estables tienen más neutrones que protones y este exceso aumenta a medida que aumenta Z. Los núcleos estables pe­sados tienen la relación N/Z algo mayor de 1,5.

En un núcleo cada protón es repelido por los demás protones presentes. Al aumentar Z, aumentan las fuerzas repulsivas entre los protones. Por lo tanto, para mantener la estabilidad en los núcleos pesados debe aumentar la proporción de neutrones, aumentando así las fuerzas atractivas entre neutrones y entre protones y neutrones para compensar las repulsiones protón-protón.

Energía de enlace por nucleón

Experimentalmente se pueden obtener, con gran precisión, las masas de las partículas elementales y las de los átomos. Utilizando el espectrógrafo de masas se observó que, al comparar la masa de un átomo con la suma de las masas de las partículas que lo forman hay una pérdida de masa, Δm o defecto de masa.

Este defecto de masa se interpreta, de acuerdo con la teoría de la relatividad de Einstein, como una energía liberada al formarse el átomo y explica la estabilidad que adquiere el núcleo. Esta energía equivalente al defecto de masa se denomina energía de enlace:

E = Δm c²

que coincide con la energía necesaria para romper el átomo y separar las partículas elementales que lo forman.

Energía de enlace media por nucleón de los distintos elementos atómicos en función de su masa atómica.

Imagen 7. Fastfission. Dominio público

Como la masa de un núcleo es aproximadamente igual a la masa isotópi­ca, para ese núcleo se puede escribir la energía de enlace como:

E(Z,A) = [Z m_p + (A - Z) m_n - m_N()] c²

Si dividimos la energía de enlace de un isótopo por el número total de nucleones, A, obtenemos la energía de enlace por nucleón, que nos permite comparar la estabilidad de unos isótopos con otros, ya que a mayor energía de enlace por nu­cleón, mayor estabilidad nuclear:

Energía de enlace por nucleón =

En la representación de esta energía en función de A puedes observar que:
⁴He, ¹²C y ¹⁶O tienen valores más elevados que los núcleos adyacentes y, por consiguiente, mayor estabilidad. Estos núcleos contienen un número igual y par de protones y neutrones.

Los núcleos más estables son los de tamaño medio, cercanos al debido a que tienen los valores más elevados de energía de enlace por nucleón: 8,8 MeV/nu­cleón. Este valor disminuye suavemente hasta 7,5 MeV/nucleón al aumentar el nu­mero másico A.