El núcleo del átomo y la radioactividad

La mayor parte de la masa del átomo, pero no así de su volumen, radica en el núcleo. En un átomo normal, el núcleo tendrá un peso de unas cuatro mil veces el de los electrones. Consecuentemente, con una buena aproximación, se pueden ignorar los electrones cuando hablamos de la masa del átomo.

Por otra parte, el átomo es prácticamente un espacio vacío. Si el núcleo de un átomo fuese una pelota de fútbol en el suelo delante nuestro, los electrones serían como unas cuantas docenas de granos de arena esparcidos en torno a la región en que vivimos. La dimensión lineal del núcleo es normalmente 10^-5 veces las dimensiones lineales de todo el átomo.

El núcleo del átomo fue descubierto en 1911 por Ernest Rutherford en Manchester, Inglaterra. Junto a sus colaboradores, tomaron una radiación denominada partículas alfa y dejaron que golpease una fina hoja de pan de oro.

Mientras la mayoría de las moléculas la cruzaron o se desviaron levemente, algunas de las partículas (una de cada mil) fueron devueltas y rebotaron hacia atrás a causa de los núcleos de los átomos de la lámina de pan de oro.

Ernest Rutherford (1871-1937)

Rutherford comparó esta prueba con el proceso de disparar una bala a una nube de vapor y descubrir que de manera ocasional podía rebotar. La única deducción que puede formularse en cualquier caso, es que en algún lugar del interior del átomo (o nube de vapor) existía un pequeño cuerpo denso que podía desviar las partículas de movimiento rápido y hacer que cambiaran de dirección. Rutherford denominó a este cuerpo pequeño y denso, el núcleo.

Rutherford era uno de esos individuos poco corrientes que hizo su más importante contribución a la ciencia tras recibir el premio Nobel. Consiguió el premio Nobel de Química en 1908 por sus estudios sobre la naturaleza de las partículas desprendidas por los materiales radiactivos, y posteriormente descubrió el núcleo.

Ernest Rutherford en su laboratorio de la Universidad McGill en 1903

El núcleo lo forman protones y neutrones. Rutherford denomino al núcleo de hidrógeno (que es una sola partícula con carga eléctrica positiva), con el nombre de protón, que significa “el primero”. De esta manera, la carga positiva total del núcleo, consta del número de las cargas de los protones, y el número de electrones que orbitan un átomo neutro es igual al número de protones que existen en el núcleo.

El neutrón, cuyo nombre significa “el neutro”, es prácticamente igual de grande que el protón pero, como indica su nombre, no posee carga eléctrica. Se suma a la masa, pero no a la carga del núcleo y es parte importante del átomo, ya que interactúa atrayendo los protones .

La mayoría de los núcleos estables tienen de manera aproximada, un número igual de protones y neutrones. Cuando no se cumple esta regla general, como sucede con los elementos pesados, los núcleos suelen tener más neutrones que protones.

La identificación química de un átomo depende de la cantidad de protones que se hallen en su núcleo. A dicho número de protones del núcleo se le denomina número atómico, y se suele expresar comúnmente con la letra Z. El número atómico determina la naturaleza química del átomo, porque esta naturaleza química se halla determinada por los electrones más exteriores en el átomo.

De esta manera, si conocemos el número de protones en un núcleo, podemos especificar qué tipo de átomo es. Por ejemplo, si hay seis protones, el átomo es de carbono; si hay ocho, es de oxígeno, y así sucesivamente.

Los neutrones extra que existan, no cambian la naturaleza química de un átomo porque no modifican el número de electrones necesario para cancelar la carga del núcleo. Por lo tanto, es posible tener muchas clases diferentes de un tipo dado de átomo, cada una de las cuales poseerá en su centro un núcleo con idéntico número de protones, pero un número diferente de neutrones.

Dos átomos cuyos núcleos tienen el mismo número de protones pero un número distinto de neutrones se dice que son isótopos el uno del otro.

Tabla de los isótopos de los elementos ligeros. Cada línea corresponde a un elemento. El número de cada apartado es el número total de nucleones A. Los círculos señalan isótopos naturales.

Con mucha proximidad, se pueden observar los electrones y los núcleos como dos sistemas separados, cada uno ocupado en sus propios asuntos e ignorando al otro. Esto significa que hay poca diferencia para el núcleo si el átomo es por sí mismo un espacio o si sus electrones exteriores configuran parte de enlaces químicos. El núcleo hará lo que esté haciendo en las dos situaciones.

Del mismo modo quiere decir que significa muy poca diferencia para los electrones el que existan neutrones extras en el núcleo o no. Los diferentes isótopos de un elemento concreto se presentan igualmente adeptos a encontrar lugares en minerales y otros materiales, y todos los isótopos de un elemento concreto aparecerán en cualquier material que integre ese elemento.