Esto es algo muy frecuente en Física: pese a que la materia puede estar subdividida en entidades más simples, a veces la energía no es suficiente para verlo. Por ejemplo, podemos tratar una mesa como si fuera un continuo pese a que sabemos que está compuesta por una cantidad enorme de moléculas. Sin embargo, en todos los lugares donde tiene sentido el concepto "mesa" se puede obviar su composición y tratarlo a todos los efectos como si fuera un continuo.
En realidad, pese a que existen otras partículas más complejas que componen los protones y neutrones de los átomos, a la escala de energías en la que el problema del modelo atómico tiene interés, sus efectos son muy pequeños y se puede considerar el problema como si de hecho, los protones y neutrones fueran partículas elementales.
Con el modelo atómico ocurre lo mismo, dependiendo de la escala de energías en la que nos encontremos, podemos tratar como si fueran fundamentales a los protones y neutrones, aunque existan efectos residuales de los quarks que los componen.
La clasificación de los átomos en orden creciente de número de protones (recordemos que los átomos están formados por un núcleo de protones y neutrones, y los electrones orbitan alrededor del núcleo) se conoce como Tabla periódica de los elementos.
En la naturaleza existen átomos estables con hasta 92 protones (hay elementos inestables y/o sintéticos con menos de 92 protones, sin embargo, 92 es el valor máximo experimental que sabemos que puede tener un átomo para ser estable según los modelos nucleares actuales. ), desde el Hidrógeno hasta el Uranio son elementos que existen en la naturaleza. El resto, han sido hallados en el laboratorio, mediante distintos tipos de reacciones nucleares. Es decir, los primeros átomos hasta el Uranio (salvo excepciones puntuales) han sido creados por la naturaleza mediante explosiones de supernova en su mayoría. Recordemos que las estrellas funcionan a modo de reactores nucleares, que van fusionando átomos muy simples en otros más complejos. En el momento en que la reacción no es lo bastante eficiente como para impedir que la estrella se derrumbe sobre sí misma, entonces se puede producir una enorme explosión en forma de supernova, que siembra el universo de nuevos materiales.
¿Por qué 92? La razón por la que el límite está en número atómico 92 (número atómico es el número de protones) es porque en el núcleo hay dos fuerzas luchando entre sí por conseguir dos fines bien distintos. Podemos ignorar en esta discusión a los electrones, ya que el problema es el núcleo y los electrones orbitan a su alrededor, de manera que no influyen en este problema. Por un lado, está la interacción nuclear fuerte. Esta interacción es la que permite que los núcleos permanezcan unidos, y es un residuo de la interacción fuerte, que es la fuerza con la que interaccionan los quarks y que hace que los protones y neutrones permanezcan unidos. Por otro lado, está la fuerza electromagnética. Recordemos que los protones son partículas de carga positiva, y los neutrones no tienen carga. Por lo tanto, hay una fuerza de repulsión que intenta separar a los protones entre sí.
Es decir, la interacción fuerte residual actúa como un pegamento. Los protones intentan, al repelerse entre sí, romper la cohesión de la interacción fuerte residual. La situación es completamente análoga a si rompemos un imán por la mitad, entonces, en cada trozo hay polo norte y polo sur. Si queremos volverlo a pegar, nos va a costar un esfuerzo enorme juntarlos. Pero si contamos con un pegamento muy fuerte y lo atamos hasta que se seque, a lo mejor conseguimos que se quede unido. Todo depende de lo fuerte que sea el pegamento o de lo débil que sea la repulsión.
Lo que sucede es que cuando el número de cargas positivas (protones) que hay en el núcleo se va haciendo cada vez más grande, a la interacción fuerte residual le cuesta mucho más retenerlos y llega un momento en que ya no es capaz y el átomo se rompe en otros más sencillos. Esto sucede justamente cuando el número de protones es 92. A partir de ahí, la interacción nuclear fuerte residual ya no es capaz de mantener una cohesión efectiva en el núcleo y éste se rompe.
Claro que, en los reactores nucleares podemos, mediante colisiones, construir átomos con un mayor número de protones. Lo que ocurre es que ya no son estables, y pasará un tiempo muy breve (aunque lo bastante grande para formar el núcleo) hasta que se rompan.
¿Qué pintan los neutrones en esta historia? Lo cierto es que los neutrones son muy importantes, son un requisito de la interacción nuclear fuerte. Para conseguir más masa, como los protones deben compensar exactamente a los electrones para que el átomo no tenga carga eléctrica neta, se pueden meter neutrones en el núcleo. Digo que es un requisito de la interacción nuclear fuerte porque resulta que la pareja neutrón-protón es más estable en el sentido de que consigue una situación energética mínima, lo cual es más favorable porque la naturaleza tiende al ahorro energético. Así, el par protón-neutrón es más conveniente que las parejas neutrón-neutrón o protón-protón.
Por eso, en la primera parte de la tabla periódica hay casi el mismo número de protones que de neutrones. A medida que aumenta el número de protones, esta tendencia se va perdiendo y comienza a hacer falta poner más neutrones que protones para que el conjunto siga siendo estable. Es por eso por lo que los átomos estables de mayor número atómico tienen bastantes más neutrones que protones en el núcleo. Por ejemplo, el Uranio235 tiene 92 protones y 143 neutrones.
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