núcleo atómico

Las baterías atómicas que funcionan con la desintegración del plutonio llevan más de sesenta años alimentando marcapasos y sondas espaciales. Pero hay poco material para ellas: en todo el mundo solo se producen unos pocos kilogramos de plutonio-238 al año, y apenas alcanza para las misiones más importantes.

El núcleo atómico no es un saco de canicas, sino una estructura ordenada donde los protones y neutrones llenan capas, como los electrones en el átomo. Cuando una capa se llena, el núcleo se vuelve especialmente estable, y al número de partículas se le llama mágico. Para el calcio, con 20 protones, los números mágicos clásicos de neutrones son 20 y 28.

El núcleo atómico no siempre es redondo, como una bola de billar. Algunos núcleos se alargan con forma de balón de rugby, mientras que otros se vuelven parecidos a una pera, con un extremo más grueso que el otro.

Un electrón extra en una molécula es como un pasajero que apenas se aferra al estribo de un tren en marcha. Ese "pasajero" convierte a la partícula en un anión, un ion negativo. Estudiarlo es difícil: el enlace es débil, la nube electrónica está difuminada, y cualquier empujón puede arrancar el electrón.

En física nuclear, un enigma llevaba tiempo sin resolverse: ¿por qué entre los elementos más ligeros que el bismuto solo el tecnecio (n.º 43) y el prometio (n.º 61) no tienen ni un solo isótopo estable? Todos sus vecinos en la tabla periódica pueden presumir de al menos una variante de larga vida, pero estos dos parecen escapar a la regla general.

En el centro de cada átomo hay un núcleo: una densa esfera de protones y neutrones. Estas partículas no se amontonan al azar, sino que llenan niveles de energía estrictos, como pisos en un rascacielos. Cuando un piso está completamente ocupado, el núcleo se vuelve especialmente estable: los físicos lo llaman número mágico. El más pesado de estos números en núcleos estables es 126 neutrones.

El núcleo atómico no es solo una bolita de protones y neutrones. Tiene forma, y esa forma puede cambiar. Durante mucho tiempo se consideró que el núcleo de estaño-116 era casi una esfera perfecta: tiene 50 protones, un número «mágico» que normalmente otorga simetría esférica al núcleo. Pero una nueva medición de ultra precisión mostró otra cosa.

Dos péndulos en un mismo hilo intercambian movimiento: si empujas uno, el segundo comienza a oscilar, y un instante después el primero recibe un empujón de vuelta. En el átomo de torio-229, la energía fluye casi sin pérdidas entre la capa electrónica y el núcleo.

En física nuclear reinó durante mucho tiempo la convicción de que dos neutrones no pueden formar un estado ligado: se atraen demasiado débilmente y se dispersan de inmediato. Sin embargo, en la superficie de los núcleos ricos en neutrones, donde la densidad de la materia cae a milésimas de la nuclear normal, la situación cambia radicalmente.

El núcleo atómico rara vez es una esfera perfecta. Más a menudo se parece a un balón ligeramente abollado: la carga eléctrica en su interior se distribuye de manera desigual, y los protones pueden desplazarse un poco, creando una diminuta protuberancia «en forma de pera».

El péndulo más preciso del mundo no es una barra de acero, sino un diminuto núcleo atómico. El isótopo torio-229 tiene un estado excitado especial: para llevar el núcleo a él se necesita muy poca energía, similar a la de un láser ultravioleta.

Un péndulo que casi nada puede desviar: no le afectan ni las sacudidas, ni el calor, ni los campos magnéticos, porque está escondido en el mismísimo corazón del átomo. Ese es el péndulo que han utilizado los físicos al poner en marcha por primera vez un reloj nuclear. Antes, los mejores relojes, los ópticos, funcionaban con transiciones de electrones.

Una estrella de neutrones es una lente gravitacional donde se enfocan nuestros intentos de vislumbrar la materia oscura. A través de su materia superdensa, como a través de un exótico cristal, buscamos el axión, una partícula esquiva capaz de explicar la masa oculta del Universo.

Los relojes más precisos de hoy miden el tiempo a partir de las oscilaciones de los electrones en los átomos. Pero su marcha puede alterarse, como un resorte de un reloj mecánico se desajusta con los golpes. Los físicos han encontrado un péndulo más fiable: el núcleo atómico.

El núcleo atómico es un muelle natural de fuerza colosal. Cuando los protones y neutrones de su interior se reorganizan, pasa a un estado especial de larga duración: isómero nuclear. En él se almacena energía, como un muelle comprimido al límite.

A primera vista, el núcleo atómico es como un piso compartido y apretado donde protones y neutrones (juntos, nucleones) viven según reglas estrictas. Cada uno ocupa su órbita, como los electrones en el átomo, y en promedio todo parece ordenado.

Una olla de sopa hirviendo burbujea, y uno quiere saber qué tan calientes están las gotas individuales en su interior. Pero el termómetro solo se puede sumergir en el borde, donde ya no hay tanta efervescencia.

El núcleo atómico no es una esfera monolítica, sino un enjambre denso de partículas diminutas, los quarks, pegados con un pegamento especial (la interacción fuerte).

El núcleo atómico se parece a una gota con una membrana delgada: la 'piel' de neutrones. Dentro de la gota, protones y neutrones están mezclados uniformemente, pero en el exterior, como la nata en la leche, se acumula una capa donde hay notablemente más neutrones.

La corteza exterior de una estrella de neutrones se parece a un pastel de capas, donde cada capa es un tipo de relleno estrictamente definido. Es una red cristalina de núcleos atómicos sumergida en un mar de electrones. Cuanto más profundo, mayor es la presión, y más pesados son los núcleos que pueden existir allí sin desmoronarse.

La luz, girada en una dirección, incide sobre un protón. La partícula puede absorber el fotón o rechazarlo, y esto depende de cómo esté orientado su propio espín, ese pequeño trompo interno.

Si el núcleo de un átomo es una familia, en la casa del helio común viven dos protones y dos neutrones, bien agarrados de la mano. Ahora imagina que uno de los miembros de la familia es un excéntrico al que le encanta pasear lejos de casa.

Un núcleo atómico ordinario se parece a una madeja apretada: protones y neutrones están empaquetados de forma compacta. Pero en algunos núcleos ligeros, como el helio-6, la cosa es distinta. Dos neutrones parecen apartarse y forman alrededor del núcleo una nube difusa: el llamado halo.

El láser golpea un átomo de estroncio y de él salen dos electrones a la vez. Antes se pensaba que en esta doble ionización cada electrón actuaba por su cuenta: uno es expulsado primero, el segundo después, al azar.

El núcleo de un átomo no siempre es redondo. Puede estirarse como un melón o achatarse como una calabaza. Y de esa forma depende su tamaño, igual que del tamaño de la masa depende el tamaño del pastel. Los científicos calcularon la forma y el tamaño de los núcleos de los isótopos de berkelio, un elemento pesado que se obtiene en reactores.

El núcleo atómico normalmente sigue sus propias leyes: su desintegración no depende de la temperatura, la presión ni los vecinos en la molécula. Pero el isótopo uranio-235m tiene una excepción sorprendente.

En el Gran Colisionador de Hadrones no solo chocan protones, sino también núcleos atómicos completos. Cuando dos núcleos chocan a gran velocidad, se genera un diminuto volumen de materia sobrecalentada, tan caliente que los protones y neutrones se funden y se convierten en una 'sopa' de quarks y gluones.

Mucho antes, Fritz Zwicky predijo que tras la explosión de una supernova nace una diminuta estrella de neutrones. Años después, Jocelyn Bell Burnell captó sus pulsaciones, descubriendo los púlsares.

Una estrella de neutrones es el remanente superdenso de la explosión de una supernova, cuya existencia fue predicha por Fritz Zwicky en la década de 1930.

El muón es como un electrón, pero 200 veces más pesado. Cuando se detiene en un trozo de silicio, es atraído hacia el núcleo atómico como un imán atrae un clavo. El núcleo recibe energía extra y empieza a "hervir": de él salen distintas partículas: protones, deuterones, tritones y partículas alfa.

Los neutrinos son las partículas conocidas más esquivas. Cada segundo, billones de neutrinos del Sol atraviesan tu cuerpo sin que lo notes: apenas interactúan con la materia. Para atrapar al menos uno, los físicos construyen detectores gigantescos: piscinas de agua o argón líquido en las profundidades de la Tierra.

En el centro de muchas galaxias se esconde un agujero negro — un objeto predicho en las soluciones de las ecuaciones de Karl Schwarzschild. A su alrededor se extiende una corona ardiente: una región de plasma tenue calentado a miles de millones de grados.

Como corredores en una larga distancia, los núcleos atómicos —desde el ligero helio hasta el pesado hierro— se precipitan hacia nosotros a través de toda la galaxia. En la meta, en el detector a bordo de un globo de gran altitud, se ve que los núcleos pesados llegan un poco más agotados que los ligeros.

Muy por encima de la Tierra vuela un satélite, y dentro de él hay un instrumento del tamaño de un armario pequeño. Atrapa partículas que han viajado durante miles de millones de años a través de la galaxia y finalmente chocan contra el detector. Estas partículas se llaman rayos cósmicos y traen noticias de lejanas explosiones estelares.

El globo ATIC se elevó sobre la Antártida y capturó partículas más antiguas que la propia Tierra. Entre ellas, núcleos atómicos desde azufre hasta cromo, y cuanto mayor es su energía, mayor es su proporción en comparación con el hierro.

En el flujo de partículas cargadas que nos llegan desde las profundidades de la Galaxia, el hierro resultó ser la oveja negra. El instrumento ATIC-2, elevado en un globo sobre la Antártida, comparó cómo cambia con la energía la proporción de núcleos desde el azufre hasta el cromo en relación con el hierro.

Muy por encima de la capa de hielo de la Antártida, un globo con un detector permaneció suspendido durante veinte días. Atrapó diminutas partículas que habían viajado millones de años hasta nosotros desde lejanas explosiones estelares. Ahora los científicos han analizado su captura y han contado cuánta energía portaban los protones y los núcleos de distintos elementos.