El primer indicio que llevaría al establecimiento de la existencia del núcleo atómico fue el descubrimiento de la radiactividad por Antoine Henri Becquerel en 1896. Éste observó que las sales de Uranio emitían unas radiaciones que eran capaces de velar placas fotográficas en la oscuridad e incluso atravesar placas de Aluminio y Cobre. Los esposos Curie descubren otros elementos que también son emisores radiactivos, aún más activos que el Uranio, como son el Polonio y el Radio.
Más tarde, en 1900, Ernest Rutherford y Paul U. Villard identifican en las radiaciones emitidas tres componentes distintos: unas partículas positivas a, unas negativas b o electrones, ya descubiertos anteriormente por J. J. Thomson y una radiación electromagnética sin carga eléctrica, con una corta longitud de onda.
Todos estos hechos llevan a Marie Curie a escribir en 1903: " El átomo, indivisible desde el punto de vista químico, es divisible en este caso (refiriéndose a los procesos radiactivos), y los subátomos se encuentran en movimiento. La materia radiactiva experimenta, pues, una transformación química que es fuente de la energía radiada; pero no es una transformación química ordinaria, porque las transformaciones químicas dejan al átomo invariable ". Empieza por lo tanto a tomar cuerpo la idea de un átomo divisible, y por lo tanto compuesto de distintos " subátomos ", distintas partes dentro del átomo.
Rutherford, que con la ayuda de Frederick Soddy esboza las familias radiactivas, y tras recibir el premio Nobel de Química en 1908, es quien establece la existencia del núcleo del átomo. Sus dos colaboradores, Hans Geiger y Ernst Marsden, bombardean en 1911 una fina lámina de oro con partículas a, observando que algunas partículas sufrían grandes desviaciones angulares, mientras que la mayoría de ellas atravesaban la lámina sin desviarse. Estas desviaciones se atribuyen a campos repulsivos muy intensos existentes en el átomo. La existencia de estos campos tan intensos desacredita el modelo de átomo propuesto por el descubridor del electrón, J. J. Thomson, que proponía un átomo donde la carga positiva estuviera expandida por todo el átomo y sobre ella estaría situada la carga negativa, en forma de electrones. Una carga extendida por todo el átomo en una nube difusa produciría un campo repulsivo más débil, no capaz de dar los resultados experimentales ya citados. Veamos en una animación un ejemplo de este experimento. Comprobad como la mayoría de las partículas alfa no se desvían.
Ernest Rutherford propone un átomo que tenga un núcleo, donde esté concentrada la mayor parte de la masa del átomo y se encuentre la carga positiva, rodeado de electrones. El tamaño de este núcleo sería el de una diezmilésima parte del tamaño del átomo. Henry Moseley, ayudante de Rutherford, demostró experimentalmente en 1913 que el número de electrones atómicos y el número de cargas positivas que existen en el núcleo son iguales al número atómico ( Z ) del elemento en la tabla periódica.
Niels Bohr en ese mismo año ya sitúa la radiactividad en el núcleo del átomo mientras que responsabiliza a los electrones de las reacciones químicas.
Fue de nuevo Rutherford quien, en 1919, propuso que en los núcleos había protones (o lo que él llamaba partículas primeras) identificándolos con núcleos de Hidrógeno. Llegó a esta conclusión tras bombardear con partículas alfa átomos ligeros, de número atómico bajo, como el Boro, Flúor, Sodio, Aluminio, Fósforo y nitrógeno, y comprobar que en todos los procesos era capaz de arrancar núcleos de Hidrógeno, que por lo tanto eran constituyentes comunes de esos núcleos. De esta forma fue como Rutherford llevó a cabo en 1919 las primeras reacciones nucleares o transmutaciones de un núcleo en otro, utilizando partículas alfa naturales. Bombardeando con éstas núcleos de Nitrógeno obtuvo un nuevo núcleo, que identificó como un isótopo del Oxígeno, a la vez que en la reacción se desprendían protones.
También bombardeos con partículas alfa, en este caso sobre átomos de Berilio, fueron los que condujeron al descubrimiento del neutrón por James Chadwick en 1932. En estos bombardeos con partículas alfa provenientes del Polonio se produce una radiación neutra y muy penetrante, que muchos físicos confundieron con radiación gamma. El omnipresente Rutherford había propuesto un núcleo con protones y otras partículas neutras, mientras que la generalidad de los químicos se decantaba por un núcleo con un número A (número másico) de protones y A-Z electrones, teoría que principalmente se apoyaba en la emisión electrónica beta del núcleo. Chadwick asoció estas partículas neutras predichas por Rutherford a la radiación neutra penetrante. Diversos experimentos posteriores corroboraron su teoría e incluso se pudó medir su masa (entre 1,005 y 1,008 veces la del protón) en 1932.
La construcción de los primeros aceleradores de partículas, a partir de 1931, permitió disponer de partículas aceleradas a altas velocidades. Fue así, como Frédéric e Irene Joliot – Curie descubren la radiactividad artificial, pues bombardeando con partículas alfa núcleos de aluminio encontraron que se producía un nuevo elemento, que además era radiactivo. Se llega por primera vez así al descubrimiento de nuevos elementos obtenidos de forma artificial.
Heisenberg, en 1932, propone que el núcleo está formado por dos tipos de partículas: los protones y los neutrones (llamados colectivamente nucleones). Los protones tienen carga positiva e, igual y opuesta a la del electrón, y los neutrones son neutros eléctricamente. Si Z es el número atómico de un elemento, hay Z electrones en la corteza de su átomo y su núcleo tiene N neutrones, siendo A = Z + N el número de nucleones, también llamado número másico.
Número atómico Z.- Es el número de protones
que componen el núcleo del átomo. Así, el Hidrógeno (símbolo H), que es el
átomo utilizado en la fusión nuclear, tiene un número Z=1, pues solamente
dispone de un protón en su núcleo. De hecho, el hidrógeno es el elemento químico
más sencillo -y a la vez más abundante en la naturaleza-.
- Masa atómica A. Es la suma de protones y neutrones. También se llama
número másico. Considerando N al número de neutrones de un átomo, tenemos
que A=Z+N.
- Peso atómico. Es el peso del átomo, tomando como unidad la duodécima
parte del peso del átomo de Carbono (C). Así, el Hidrógeno pesa
aproximadamente 1 y el Carbono 12.
- Isótopo. Un mismo tipo de átomo puede tener en su núcleo distinto número
de neutrones. A cada variedad se le llama isótopo. Así, como se ve en el gráfico
de abajo, el hidrógeno tiene tres isótopos diferentes: isótopo hidrógeno, isótopo
deuterio e isótopo tritio. Estos dos últimos son los utilizados en la fusión
nuclear.
Características de los núcleos atómicos.
Los núcleos atómicos tienen distintas formas geométricas, con tamaños del orden de varios fermis (10-15m). Al ser de tan pequeño tamaño, la materia está muy concentrada en los núcleos, con densidades muy altas (del orden de 1018 kg/m3). Esta densidad no depende del número másico A, los cual nos indica que su volumen es proporcional a A (pues para ser constante la densidad al crecer la masa A también ha de crecer el volumen proporcionalmente), y su radio, asimilando el núcleo a una esfera, a la raíz cúbica de A. De hecho muchos experimentos indican que el radio nuclear vale:
R = R0 . A1/3
Donde R0 toma un valor aproximado de 1,2 fermis.
Los nucleones tienen estructura interna y su diámetro es casi de 2 fermis. Su masa es casi la misma (1,672.10-27 kg para los protones y 1,675.10-27 kg para los neutrones). Ambas partículas son fermiones, partículas con spin semientero. Recordemos que el spin es una característica cuántica de las partículas, que podemos asimilar al giro sobre sí mismo de la partícula.
Hoy se sabe que estos protones y neutrones no son partículas elementales al poder descomponerse en otras entidades más elementales, los denominados quarks. Estas partículas que tienen carga fraccionaria y spin ½ se combinan para dar lugar a los distintos protones y neutrones.
Casi todos los núcleos tienen un número mayor de neutrones que protones, salvo los más ligeros, donde suelen ser iguales el número de unos y otros. Esto se justifica debido al hecho de existir un mayor número de protones al crecer el número atómico y por lo tanto una mayor fuerza de repulsión que tiende a minimizarse con un mayor número de neutrones.
