¿Cómo se mantienen unidos los protones en el núcleo de los átomos?
Los protones permanecen juntos y estables en el centro de los núcleos de los átomos a pesar de la interacción electromagnética. Entienda por qué.
En el universo hay cuatro interacciones fundamentales que gobiernan todos los fenómenos que ocurren. Las cuatro interacciones son la gravedad, el electromagnetismo, la energía nuclear fuerte y la energía nuclear débil. La más conocida es la interacción gravitacional, responsable de mantener las estructuras astronómicas como el sistema solar y las galaxias. Las demás son más importantes a microescala.
En el mundo micro, es decir, en el mundo atómico, tres de estas interacciones son extremadamente importantes. El electromagnetismo mantiene a los electrones cargados negativamente orbitando el núcleo cargado positivamente. La energía nuclear débil es responsable de ciertos tipos de desintegración radiactiva. La energía nuclear fuerte es la encargada de mantener estable el núcleo de los átomos y, por tanto, de mantener la materia tal como la conocemos.
Como sugiere su nombre, la interacción nuclear fuerte es la más intensa de las cuatro interacciones fundamentales. Sin embargo, la escala de acción está extremadamente limitada a las dimensiones del núcleo atómico. Actúa principalmente para mantener la cohesión entre protones y neutrones que están compactados en el núcleo. Para entender cómo funciona, es necesario comprender sus partículas responsables, como los gluones.
Historia
A principios del siglo XX, el físico Ernest Rutherford descubrió que un átomo tiene un núcleo positivo. Este descubrimiento planteó la pregunta de cómo el núcleo lograba permanecer estable para que la interacción electromagnética no repeliera a los protones. Esto creó la necesidad de descubrir una nueva interacción que fuera responsable de la cohesión del núcleo atómico para superar la interacción electromagnética.
En 1935, el físico japonés Hideki Yukawa propuso la primera teoría para esta nueva interacción estudiando las interacciones que actúan en el núcleo. Postuló que los protones y los neutrones intercambian partículas entre sí y este intercambio sería responsable de la fuerza de atracción. Yukawa predijo la existencia de una nueva partícula, el mesón, como mediadora de esta fuerza. Este trabajo le valió a Yukawa el Premio Nobel de Física en 1949.
¿Qué es la interacción nuclear fuerte?
Tanto los protones como los neutrones están formados por partículas elementales llamadas quarks. Cada protón y neutrón se compone de 3 quarks que varían con el espín hacia arriba y hacia abajo: los protones tienen dos quarks hacia arriba y un quark hacia abajo y los neutrones tienen dos quarks hacia abajo y un quark hacia arriba. Hoy en día, se sabe que la interacción fuerte es la responsable de mantener juntos a los quarks dentro de los protones y neutrones e, indirectamente, termina manteniendo juntos a los protones y neutrones.
La interacción está mediada por partículas llamadas gluones que actúan como pegamento. “Pegan” los quarks entre sí. En esta interacción también se produce el intercambio de mesones, partículas compuestas por un quark y un antiquark, que es una especie de residuo de la interacción fuerte. Además, la intensidad de la interacción fuerte es tan grande a distancias cortas que impide la existencia de quarks aislados.
¿Cómo funciona?
La interacción fuerte actúa en distancias extremadamente cortas, dentro del tamaño del núcleo atómico. Dentro de esta distancia, es la interacción más intensa de la naturaleza, siendo aproximadamente 100 veces más fuerte que la electromagnética. Otro punto es que la interacción fuerte actúa de manera opuesta a las otras interacciones: mientras que las interacciones gravitacionales y electromagnéticas son más débiles con mayor distancia, la interacción fuerte se intensifica cuando la distancia aumenta.
Una analogía es que funciona como una especie de velcro que pega los quarks juntos; cuanto más intentes despegarlas, mayor será la tensión. Esta propiedad se conoce como confinamiento cromático y es la razón por la que los quarks nunca pueden separarse unos de otros y no quedan aislados. La energía necesaria para separar los quarks es tan grande que conduce a la creación de nuevos pares quark-antiquark.
La importancia de la interacción nuclear fuerte
La interacción nuclear fuerte es extremadamente importante porque es responsable de mantener la materia tal como la conocemos. Sin la interacción fuerte, los átomos serían inestables y difícilmente podrían unirse para crear átomos o moléculas neutrales. Además, la interacción fuerte es la base de la energía nuclear, utilizada en las centrales eléctricas para generar electricidad, por ejemplo.
La energía liberada por la interacción fuerte en las reacciones nucleares es extremadamente alta y, por lo tanto, es una de las fuentes de energía más importantes. Un ejemplo es que la energía de fusión nuclear es el combustible de las estrellas, como el Sol, y es importante para la estabilidad hidrostática de las estrellas.