Fuerza Nuclear Fuerte y Estabilidad de los Isótopos Atómicos

Interacción Fuerte y Estabilidad Nuclear

Si el núcleo está formado por protones, ¿por qué la repulsión eléctrica no destruye el núcleo? La respuesta es la fuerza nuclear fuerte, que es una fuerza atractiva entre nucleones. Se caracteriza por:

• Ser una fuerza atractiva de corto alcance (aproximadamente $10^{-14}$ a $10^{-15}$ m).
• Ser tan intensa que vence la fuerza eléctrica.
• Actuar por igual entre protones, neutrones, y protones y neutrones.

Las Interacciones Fundamentales de la Naturaleza

Actualmente se conocen cuatro interacciones fundamentales:

1. Gravitatoria.
2. Electromagnética.
3. Nuclear Fuerte (responsable de la unión entre nucleones).
4. Nuclear Débil (responsable de la estabilidad interna de protones y neutrones y de la emisión $\beta$).

Hoy día se interpretan como manifestaciones de una sola interacción; se intenta unificar las cuatro fuerzas en una sola superfuerza.

Radiactividad y Estabilidad Nuclear

En los núcleos atómicos existe un equilibrio entre la fuerza nuclear fuerte y la fuerza eléctrica, pero los núcleos más pesados son inestables y emiten partículas $\alpha$.

Emisión $\alpha$:

La desintegración alfa se representa como:

$$_{Z}^{A}\text{X} \rightarrow _{Z-2}^{A-4}\text{Y} + _{2}^{4}\text{He}$$

Tanto en los núcleos pesados como en los ligeros, otra causa de inestabilidad es la fuerza nuclear débil, que es la tendencia de neutrones y protones a intercambiarse, dando lugar a:

• Emisión $\beta^{-}$: $$_{Z}^{A}\text{X} \rightarrow _{Z+1}^{A}\text{Y} + _{-1}^{0}\beta$$
• Emisión $\beta^{+}$: $$_{Z}^{A}\text{X} \rightarrow _{Z-1}^{A}\text{Y} + _{1}^{0}\beta$$
• Captura electrónica: $$_{1}^{1}\text{p} + _{-1}^{0}\text{e} \rightarrow _{0}^{1}\text{n} + \nu$$

La emisión $\gamma$ no altera la composición del núcleo; es un mecanismo de expulsión de energía de núcleos excitados.

Energía de Enlace Nuclear ($E_e$)

Es la energía que debe suministrarse a un núcleo para disgregarlo en sus partículas constituyentes.

Energía de Enlace Nuclear por Nucleón ($E_n$)

Es la energía media que se debe suministrar a un núcleo para arrancarle uno de sus nucleones.

$$E_n = E_e/A$$

donde "A" es el número másico. Observamos que existen núclidos ligeros especialmente estables (islas de estabilidad nuclear), como el ${}^{4}\text{H}$, ${}^{12}\text{C}$, ${}^{16}\text{O}$.

Balance de Masa y Energía

En los procesos nucleares espontáneos, la fuente de energía se debe a que se produce una pérdida de masa.

"La masa de todos los núcleos, excepto el ${}^{1}\text{H}$, es siempre menor que la suma de las masas de sus nucleones correspondientes".

$$E = \Delta m \cdot c^2$$

Esta ecuación relativista nos da la relación entre la masa y la energía; donde el balance de masa se calcula:

$$\Delta m = (Z\cdot m_p + N\cdot m_n) - m$$

donde "m" es la masa nuclear, no la masa atómica.