Estructura nuclear

Representación esquematizada de la estructura interna de un átomo, en particular un átomo de He-4. Los tamaños no están en la misma escala.

El conocimiento de la estructura nuclear o estructura de los núcleos atómicos es uno de los elementos clave de la física nuclear. En principio, las interacciones de los constituyentes de los núcleos, los nucleones (protones y neutrones formados, a su vez, por los quarks), están abarcadas en las predicciones de la cromodinámica cuántica, dentro de lo que es una teoría cuántica de campos. Pero debido a la complejidad de la interacción fuerte los cálculos son muy complicados y es necesario, hoy día, recurrir a modelos más sencillos. No existe un único modelo; en el desarrollo de la física nuclear se han ido creando modelos teóricos para describir cómo se estructura el material nuclear que constituye los núcleos de los átomos. Algunos de estos modelos son el de la gota líquida, el modelos de capas (de partículas independientes, de campo medio, etc.), rotacional, vibracional, vibracional y rotacional, etc.​

Modelos nucleares

Modelo de gota líquida

Gotas de aguas en microgravedad. Pueden verse cómo colisionan y se separan dos pares de gotas de agua, y la semejanza existente con la fusión y fisión nuclear.

Este es uno de los primeros modelos de la estructura nuclear, propuesto por Carl Friedrich von Weizsäcker en 1935. En él se describe el núcleo como un fluido clásico compuesto por neutrones y protones y una fuerza central columbiana repulsiva proporcional al número de protones Z y con origen en el centro de la gota. La naturaleza mecano-cuántica de estas partículas se introduce a partir del principio de exclusión de Pauli, que establece que fermiones (los nucleones son fermiones) del mismo tipo no puede estar en el mismo estado cuántico. Así, el líquido es en realidad lo que se conoce como líquido de Fermi, en alusión al gas de Fermi que forman los electrones. Este sencillo modelo reproduce las principales características de la energía enlace de los núcleos.

Véase también: Fórmula semiempírica de masas

Modelo de capas

La idea del modelo es muy parecida a la planteada para el caso de la corteza electrónica —el modelo de capas electrónico— .En el caso de los electrones, teníamos partículas idénticas que se agrupaban en capas de números cuánticos espaciales distintos (n,l). El número de electrones permitidos en cada capa venía impuesto por el principio de exclusión de Pauli para fermiones. Los número cuánticos asociados vienen como resolución de la ecuación de Schrödinger para un potencial coulombiano (~ 1/r) y centrífugo.

En el caso nuclear, tendremos fermiones (los nucleones) en un potencial nuclear. Estos nucleones tendrán un número cuántico adicional, el isospín, cuya proyección nos dirá si el nucleón se trata de un protón o un neutrón.

La elección del potencial es clave para la resolución del espectro de energías. El potencial más usual, es el potencial de Wood-Saxon, pero la resolución de la ecuación de Shröedinger se hace no analítica.

Véase también: Isospín

Modelo vibracional y rotacional

Este modelo recurre a la descripción de las vibraciones y rotaciones de la superficie del núcleo en términos de coordenadas colectivas y así predecir los niveles energéticos.

Referencias

Bibliografía

• Eisenberg/Greiner, J.M./W. (1975). North-Holland, ed. Nuclear models. 

Enlaces externos

• (en francés) Service de Physique Nucléaire CEA/DAM, France
• (en francés) Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules (In2p3), France
• (en francés) Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL), France
• The LIVEChart of Nuclides - IAEA in Java or HTML