La estructura nuclear esférica

Todos los demás elementos distribuyen sus protones y neutrones, unidos entre sí por la fuerza concentrada en sus discos de absorción, formando una superficie cerrada aproximadamente esférica. La idea de la esfericidad del núcleo atómico no es nueva, leamos unas citas:

 

“Varios tipos de experimentos de dispersión sugieren que los núcleos son aproximadamente esféricos y parece que tienen esencialmente la misma densidad. Los datos se resumen en la expresión denominada el modelo de Fermi”, “El núcleo no es una esfera sólida”, “Según los comentarios de Krane, la evidencia apunta a un radio de masa y un radio de carga que están de acuerdo uno con otro, dentro de aproximadamente 0,1 Fermi”*.

(*) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/nuclear/nucuni.html

 

Antes de seguir, hagamos una comprobación para demostrar lo que digo:

  • El radio del núcleo atómico, según el modelo de Fermi, es: r = 1,2A^⅓ (Siendo: A = número másico).
  • Si tomamos por ejemplo un núcleo de carbono-12, su radio debe ser igual a 2,7473 fm.
  • La superficie de la esfera nuclear del carbono-12 es: 4π r^2 = 94,8476 fm^2
  • El radio del protón es aproximadamente 0,84184 fm.
  • La superficie que ocupa un protón en la superficie de la esfera es: π r^2 = 2,2264 fm^2
  • La superficie que ocupa un neutrón es igual a la del protón.
  • La superficie que ocupan los 12 nucleones, distribuidos en la superficie de la esfera, es igual a 26,7168 fm^2

La diferencia entre la superficie de la esfera calculada según el modelo de Fermi y la suma de las superficies ocupadas por los nucleones es de 68,1308 fm^2, lo que demuestra que  los nucleones, aún sin ocupar espacio alguno dentro de la esfera, estarán separados entre sí; pues queda un 71,83% de la superficie de ésta libre.

 

Esta teoría describe a los nucleones como entes constituidos por ruedas que se mantienen unidos en la superficie esférica del núcleo atómico, aunque sin entrar en contacto, gracias al equilibrio entre: la aspiración concentrada en sus discos de absorción y la repulsión electrostática, que intenta separarlos. Para entenderlo, vamos a ver un análisis vectorial del equilibrio de la estructura nuclear esférica, en un diagrama de fuerzas (la figura 24), que representa una sección de un núcleo esférico de carbono-12, cuya disposición de ruedas podemos visualizar igualmente en la figura 25, donde muestro los efectos de absorción e impulsión de un modo más explícito.

 

Figura 24
Figura 24

 

Evidentemente se trata de un diagrama de fuerzas simplificado, porque solo estudia una sección plana y porque he representado los vectores de la repulsión y atracción electrostática partiendo del centro de cada positrón o electrón, tomando como dirección el centro de la esfera, cuando en realidad deben partir desde cada uno y direccionarse radialmente hacia todas las ruedas cargadas, por supuesto, teniendo en cuenta el sentido de su fuerza. La repulsión más fuerte se produciría entre los positrones, actuando en contra de la fuerza fuerte ejercida desde las ranuras de absorción de neutrones y protones que, por otro lado, no es igual de intensa en los dos tipos de nucleones, porque los rendimientos de sus flujos son diferentes. Los electrones también se repelen entre sí, pero son menos numerosos y se impone la fuerza la atracción de los positrones, además, el impulso extra del electrón intenta empujar al neutrón hacia el centro de la esfera, al tiempo que le transmite su momento angular. Sin hablar de los efectos de los rebotes de los electrones de la corteza sobre los protones. Un análisis detallado sería muy complejo, por eso me he permitido la licencia de simplificarlo, en favor de la mejor comprensión de la idea principal. Porque se trata únicamente de imaginar las fuerzas de repulsión electrostática siendo compensadas por la interacción fuerte. Así, el núcleo tenderá, generalmente, a ocupar el menor volumen posible, gracias también a la vibración que se produce con estos rebotes, que ayuda a ajustar las posiciones dejando los espacios mínimos entre nucleones y optimizando la superficie de la esfera en relación con el número de componentes que la integran (su número másico). A este respecto haré unas observaciones después de ver algunos ejemplos de estructuras nucleares esféricas en el apartado final de esta última fase de la evolución; donde volveré a simplificar los gráficos, dibujando cada nucleón como una simple esfera, sin diferenciar entre protones y neutrones, pues los neutrones deben distribuirse de forma que el reparto sea homogéneo para que el núcleo sea estable; ya que la repulsión electrostática de su parte electrónica también es intensa y tiende a distanciarlos cuanto sea posible por la superficie de la esfera, pero esta distribución es variable. Enseguida explicaré por qué. Tampo-co haré referencia a los efectos de los flujos de impulsión, más allá de lo que vemos en la figura 25, aunque su contribución al mantenimiento de la estructura nuclear sea apreciable; pues, en cada nucleón están orientados perpendicularmente a sus discos de absorción. Unos hacia el centro de la esfera, reponiendo la densidad del campo H en el interior de la esfera nuclear, y los otros hacia el exterior, facilitando los rebotes de los electrones.

 

(Vista de la sección de un núcleo esférico de carbono-12)

Figura 25
Figura 25

La distribución de los nucleones en la estructura nuclear

En determinadas circunstancias, un protón puede capturar un electrón para convertirse, de ese modo, en un neutrón y un neutrón desprenderse de su electrón para funcionar como un protón. Por ejemplo: si en el acercamiento entre dos átomos, resulta que la posición de algún neutrón, está alineada respecto a la que sería más favorable para ser ocupada por los orbitales de los electrones compartidos por ambos átomos, los rebotes de los electrones se producirán de forma descentrada, lo que hará que se giren y en uno de estos giros se puede producir la unión lineal con un protón próximo, para convertirse en un neutrón. La repulsión electrostática entre electrones próximos, sumada a la atracción electrostática del núcleo del otro átomo, induciría al electrón del neutrón colindante, el que está mejor alineado, a liberarse. Además de esta, hay otras consideraciones referentes a la distribución de nucleones, que expongo en los apartados siguientes.