El núcleo atómico es la región central de un átomo y concentra casi toda su masa. Aunque ocupa una parte diminuta del volumen total, en él se encuentran las partículas que determinan qué elemento químico es y cómo puede transformarse. Para comprender las partes del núcleo atómico conviene observarlo en varios niveles: sus componentes principales, la fuerza que los mantiene unidos y las diferencias entre los núcleos de unos átomos y otros.
¿Qué es exactamente el núcleo atómico?
El núcleo atómico se encuentra en el centro del átomo, rodeado por una nube de electrones. Su tamaño es extraordinariamente pequeño, pero contiene más del 99 % de la masa del átomo. Esto ocurre porque los electrones son muy ligeros en comparación con las partículas del núcleo.
En un átomo neutro, el núcleo tiene carga positiva y los electrones tienen carga negativa. La atracción eléctrica entre ambas partes mantiene unido al átomo, aunque el núcleo no está formado por una sola pieza: es un conjunto de partículas llamadas nucleones.
- El núcleo es central, compacto y muy denso.
- Su carga depende del número de protones.
- Su masa depende principalmente de protones y neutrones.
- Los electrones no forman parte del núcleo.
Protones y neutrones: los nucleones
Las dos partes fundamentales del núcleo atómico son los protones y los neutrones. Los protones poseen carga eléctrica positiva, mientras que los neutrones no tienen carga eléctrica. Ambas partículas tienen masas parecidas y se encuentran agrupadas en el núcleo.
El número de protones recibe el nombre de número atómico y se representa con la letra Z. Esta cantidad identifica al elemento. Por ejemplo, todos los átomos de hidrógeno tienen un protón; los de carbono tienen seis y los de oxígeno tienen ocho. Si cambia el número de protones, cambia el elemento químico.
Los neutrones ayudan a aportar masa y a estabilizar el núcleo. Como no tienen carga, no aumentan la repulsión eléctrica entre protones. Sin embargo, no basta con añadir neutrones sin límite: cada elemento necesita una proporción adecuada entre protones y neutrones para formar un núcleo estable.
- Protón: tiene carga positiva y define la identidad del elemento.
- Neutrón: no tiene carga y contribuye a la estabilidad y a la masa.
- Nucleones: nombre conjunto para protones y neutrones.
¿Qué mantiene unido al núcleo?
Los protones se repelen entre sí porque tienen cargas eléctricas del mismo signo. Si solo actuara esa repulsión, el núcleo se separaría. La unión es posible gracias a la fuerza nuclear fuerte, una de las interacciones fundamentales de la naturaleza. Esta fuerza es muy intensa a distancias extremadamente pequeñas y actúa entre protones y neutrones.
Dentro de los nucleones existen partículas todavía más pequeñas llamadas quarks. Un protón está formado por dos quarks arriba y uno abajo, mientras que un neutrón contiene uno arriba y dos abajo. Los quarks permanecen unidos mediante partículas llamadas gluones. En la explicación escolar, sin embargo, los protones y neutrones se consideran las partes directas del núcleo.
La estabilidad depende del equilibrio entre la fuerza nuclear fuerte y la repulsión eléctrica. En núcleos muy grandes, los protones están más separados entre sí y puede resultar difícil mantenerlos unidos. Por eso algunos núcleos son inestables y emiten radiación.
Número atómico, número másico e isótopos
Para describir un núcleo se utilizan dos cantidades importantes. El número atómico (Z) indica cuántos protones contiene, y el número másico (A) representa el total de protones y neutrones. El número de neutrones puede calcularse restando: N = A − Z.
Los isótopos son átomos del mismo elemento que tienen igual número de protones, pero diferente número de neutrones. Por ejemplo, el carbono-12 posee seis protones y seis neutrones, mientras que el carbono-14 tiene seis protones y ocho neutrones. Ambos son carbono porque conservan seis protones, aunque sus masas y su estabilidad son distintas.
Algunos isótopos son estables y otros son radiactivos. Un isótopo radiactivo transforma espontáneamente su núcleo y libera partículas o energía. Este proceso puede aprovecharse en medicina, investigación y datación de restos antiguos, siempre con controles de seguridad.
- Z = número de protones.
- A = protones + neutrones.
- N = número de neutrones.
- Los isótopos conservan el mismo elemento, pero cambian sus neutrones.
¿Qué ocurre cuando cambia el núcleo?
Si cambia el número de electrones, se forma un ion, pero el elemento sigue siendo el mismo. En cambio, si cambia el número de protones, se produce una transformación nuclear y aparece otro elemento. Esta diferencia permite distinguir los cambios químicos de los cambios nucleares.
En la radiactividad, un núcleo inestable puede emitir partículas alfa, partículas beta o radiación gamma. En la emisión alfa pierde dos protones y dos neutrones. En la emisión beta, un neutrón puede transformarse en protón, o un protón en neutrón, según el tipo de proceso. La radiación gamma libera energía sin cambiar directamente el número de protones ni de neutrones.
También existen la fisión y la fusión nuclear. En la fisión, un núcleo pesado se divide en otros más pequeños y libera energía. En la fusión, dos núcleos ligeros se unen para formar uno más grande. Las estrellas producen gran parte de su energía mediante fusión. Así, estudiar las partes del núcleo atómico ayuda a comprender tanto la materia cotidiana como fenómenos del universo.
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