Física Nuclear: Interacción Fuerte, Estabilidad y Reacciones Nucleares

Características de la Interacción Nuclear Fuerte

La interacción nuclear fuerte es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza y es crucial para la estabilidad de los núcleos atómicos. Sus principales características son:

• Naturaleza atractiva/repulsiva: A distancias muy cortas es repulsiva, pero a distancias ligeramente mayores (del orden del fermi) es intensamente atractiva.
• Independencia de la carga eléctrica: Las interacciones protón-protón (p-p), protón-neutrón (p-n) y neutrón-neutrón (n-n) son prácticamente iguales, lo que demuestra que no depende de la carga eléctrica de los nucleones.
• Corto alcance: Su acción se limita a distancias extremadamente pequeñas, del orden del fermi (10^-15 metros).
• Intensidad: Es la más intensa de las fuerzas conocidas, superando con creces a la fuerza electromagnética, la débil y la gravitatoria dentro del núcleo.
• Saturación: Esto significa que la energía de ligadura por nucleón varía poco entre átomos ligeros y pesados, ya que interactúan solo los nucleones próximos. Por ejemplo, las fuerzas gravitatorias no se saturan; estas aumentan al incrementarse la masa, pudiendo generar una atracción tan grande que dé lugar al colapso gravitatorio.

Gráfica de E/A frente a A para Núcleos Estables

La energía de enlace por nucleón (E/A) es un indicador clave de la estabilidad nuclear. Al representar E/A frente al número másico (A) para los núcleos estables, se observan las siguientes tendencias:

• En la zona izquierda, se observa una rápida subida con núcleos más estables, coincidiendo con los valores de Z (número atómico) y N (número de neutrones) iguales.
• E/A se estabiliza en torno a los 8 MeV a partir de A ≈ 10, creciendo ligeramente hasta A ≈ 60 y descendiendo después.
• El hecho de que la gráfica sea prácticamente constante, a partir de cierto valor de A, está directamente relacionado con la saturación de las fuerzas nucleares. Si cada nucleón ejerciera la misma atracción sobre todos los demás, E/A sería proporcional a A, algo que no ocurre debido al corto alcance de la interacción fuerte.
• El descenso en la zona derecha de la gráfica se debe al aumento de la repulsión culombiana al incrementarse el número de protones, la cual no es compensada eficazmente por la interacción fuerte.

Implicaciones Energéticas: Fusión y Fisión Nuclear

La forma de la curva de energía de enlace por nucleón tiene profundas implicaciones en la obtención de energía nuclear:

• En la zona ascendente (núcleos ligeros), existe la posibilidad de obtener energía mediante la unión de núcleos ligeros en uno más pesado (fusión nuclear), debido a que la energía de enlace de este último es mayor. La suma de las masas de los dos núcleos ligeros es mayor que la masa del núcleo que se forma; la correspondiente energía se libera cuando se produce la unión.
• En la zona descendente (núcleos pesados), es posible obtener energía por rotura de un núcleo pesado en otros más ligeros (fisión nuclear).

La Franja de Estabilidad Nuclear

Representando los valores de Z (número atómico) frente a N (número de neutrones) para los núcleos estables, se obtiene la franja de estabilidad. Sus características principales son:

• Para núcleos ligeros, la estabilidad se alcanza cuando Z = N.
• Para núcleos pesados, la estabilidad se logra cuando Z < N, lo cual se justifica admitiendo la necesidad de un mayor número de neutrones para compensar el aumento de la repulsión eléctrica entre los protones.
• Existe una gran tendencia en los núclidos estables a tener N y Z pares, lo que indica una mayor estabilidad para estas configuraciones.
• Para valores muy altos de Z, ningún número de neutrones es capaz de compensar la repulsión eléctrica. De hecho, no existen núcleos completamente estables más allá de Z = 82 (el bismuto es el elemento estable más pesado).