Una mica sobre el nucli

Abdus Salam, premi Nobel de física en 1979, ens explicava la següent anècdota:

[@more@]

"Encara recordo aquella escola de Jhang, població del Pakistan. El nostre mestre parlava de la força de la gravetat. Per descomptat, la gravetat era un força ben coneguda i el nom de Newton havia arribat fins a un remot lloc com Jhang. El mestre ens va parlar després del magnetisme i ens va mostrar un imant. Llavors va dir:
– L’electricitat! Ah, aquesta és una força que no ha arribat a Jhang, només està a la capital d’aquesta província, Lahore, que queda a cent milles cap a l’est.
El mestre tenia raó: l’electricitat no va arribar a Jhang fins a 5 anys després. I la força nuclear?:
– És una força que només es coneix a Europa. No està a l’Índia ni al Pakistan, de manera que no hem de preocupar-nos per ella."

Com no vull que això succeeixi en Històries de la Ciència, anem a posar la primera pedra.

La paraula àtom vol dir "sense divisió" i pel que sabem avui dia la paraula no fa referència al que Leucipo i Demócrito van voler dir al seu moment. El concepte d’àtom per a ells s’acostaria molt més al concepte de "partícula elemental".

Tot àtom està format per electrons amb càrrega negativa orbitant al voltant d’un nucli amb càrrega positiva. L’esmentat nucli va ser descobert per Ernest Rutherford fa ja uns quants anys. Les investigacions desenvolupades per James Chadwick i els Joliot-Curie van concloure en 1932 que els nuclis estan formats per partícules més petites: protons i neutrons. Els protons tenen una càrrega positiva i els neutrons no tenen càrrega. Les dues partícules tenen gairebé la mateixa massa (una mica més el neutró) i a totes dues els físics en diuen nucleons.

Cada element particular té un nucli amb un número fix de protons i aquest número no pot variar. Si ho fa, l’element canvia (de fet, aquest era el somni dels alquimistes: aconseguir canviar un element i convertir-lo en or). Al nombre de protons d’un element se’l diu "nombre atòmic". En condicions d’estabilitat el nombre dels electrons és igual al de protons, de manera que l’àtom és elèctricament neutre.

La massa del protó és aproximadament 1840 vegades la de l’electró, podem afirmar doncs que la totalitat de la massa de l’àtom és al nucli. Com és de gran un nucli?. Be, l’àtom té de l’ordre d’1 Angstrom, és a dir, 0,00000001 cm i el nucli és 10.000 vegades més petit. Per fer-vos una idea, si la Terra fora un àtom, el nucli tindria un diàmetre de l’ordre d’un camp de futbol. Això és molt espai buit, no?.

Tots els nuclis també tenen neutrons amb només una excepció: el nucli d’Hidrogen, que pot tenir un sol protó i cap neutró. El nombre de neutrons sí pot canviar. L’element no canvia químicament doncs les característiques elèctriques no varien.

Vegem algun exemple. L’Oxigen té un nucli amb 8 protons al seu interior però pot tenir 8, 9 o 10 neutrons. En aquests tres casos és estable. Al poder tenir diferent nombre de neutrons i ser el mateix element se’ls diu "isòtops" de l’oxigen. La paraula isòtop la va encunyar el seu descobridor: Frederick Soddy.

Atès que existeixen isòtops hem de diferenciar-los i ho fem sumant nombre de protons més nombre de neutrons (és a dir, total de nucleons). Al resultat se’l diu número màssic. Així podrem parlar de l’Oxigen-16 (8 protons i 8 neutrons), Oxigen-17 (8 protons i 9 neutrons) i Oxigen-18 (8 protons i 10 neutrons). En dir un element ja sabem el nombre de protons i en dir el número màssic coneixem també el de neutrons (nombre de neutrons = número màssic – nombre de protons).

No tots els isòtops són estables: per exemple, els Oxígens 14, 15, 19 i 20, en cas d’existir es desintegrarien en altres elements en qüestió de segons (o menys). Alguns isòtops d’altres elements poden no ser estables però tardar bilions d’anys a desintegrar-se. Aquesta informació s’utilitza per datar descobriments; controvèrsies a part, heu sentit parlar de la prova del Carboni-14?.

L’element estable més massiu és el bismut-209 (83 protons i 126 neutrons). Qualsevol element de major nombre atòmic que el bismut és inestable. Existeixen alguns amb major nombre atòmic quasi-estables ja que tarden milions d’anys a desintegrar-se. El més famós és l’Urani-238 amb 92 protons i 146 neutrons. No hi ha elements de manera natural en la Terra amb major nombre atòmic.

Voldria finalitzar amb unes reflexions per mantenir el suspens. Els protons tenen càrrega positiva i els neutrons no tenen càrrega. No havíem quedat que càrregues iguals es repel·leixen?. Llavors, per què el nucli no es desintegra de manera immediata fent-lo explotar i desintegrar a tot l’Univers? És clar que l’Univers no s’ha desintegrat, per tant, el nucli sembla estable. Per què?. Doncs bé, és a causa d’una nova forma d’interacció: la força nuclear forta.

D’acord però, per què existeix la força nuclear forta?. Fins ara, les altres interaccions conegudes (gravetat i electromagnetisme) tenien acció a distància infinita. Però la interacció nuclear forta té molt curt abast (l’abast del diàmetre del nucli), per què?. Per respondre aquesta pregunta us hauré d’explicar què és una força però ho deixarem per a altres històries.

Tant de bo que amb això, almenys, hagi arribat la força nuclear a l’escola de Jhang.

Font:
http://historias_de_la_ciencia.lamevaweb.info/post/1052/35617

Quant a omalaled

Me llamo Fernando y soy un apasionado de la ciencia y admirador de los científicos y ténicos de todas las épocas. Espero disfrutéis sabiendo un poquito más de ellos.
Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.