Arxiu del dimecres, 13/01/2016

Estabilitat nuclear

dimecres, 13/01/2016

Fa un parell de dies parlava dels nous elements pesants que s’han sintetitzat i del poc temps que existeixen abans de desintegrar-se. Als comentaris van plantejar si hi havia un límit a la mida que podia tenir un nucli atòmic. Ara coneixem elements com l’ununocti, que té cent divuit protons i cent setanta sis neutrons. Existeix durant menys d’un mil·lisegon, però que sigui inestable ja és el normal en tots els elements més pesants que el plom.

En realitat l’estrany és que existeixin elements més enllà de l’hidrogen (que només té un únic protó al nucli). Tots sabem que les càrregues d’igual signe es repelen. Si agafes dos imants, hi ha una posició en la que queden units, però si els poses en posició contraria, encarant els dos pols positius i els dos negatius, no hi ha manera d’unir-los. I com més els apropes, més fort notes la repulsió. En realitat, la força de repulsió es més gran com més properes estan les dues càrregues, de manera que… com s’ho fan els protons de dins el nucli per no sortir disparats en direccions contràries? La distància que els separa és menor que un nucli d’un àtom i tots dos tenen càrrega positiva, de manera que la força de repulsió és (literalment) descomunal!

Però tot és qüestió d’equilibris. La força electromagnètica els vol separar, però hi ha més forces a l’univers, i la important dins el nucli és una que s’anomena “força nuclear forta”. Aquesta actua atraient entre sí als protons i neutrons. I ho fa amb una intensitat molt més gran que la electromagnètica, de manera que pot compensar la repulsió entre els protons i mantenir el nucli de l’àtom unit.

Que hi hagi forces diferents amb intensitats diferents ho podem experimentar si comparem l’efecte de la gravetat i del magnetisme. Podem agafar un imant, posar-lo sobre un clip i veurem com aquest s’aixeca i s’uneix a l’imant. La força que exerceix un petit imant sobre un clip supera la força gravitatòria que exerceix tot el planeta Terra sobre el mateix clip. Una, (la gravetat) és una força molt feble, però que actua sense límit de distància. L’altre, l’electromagnetisme, és molt més forta, però actua només a distàncies curtes (cal apropar molt l’imant perquè es noti).

Dons al nucli, tres quarts del mateix. La força nuclear forta és extraordinàriament intensa, però només actua a distàncies extraordinàriament petites. De fet, on es nota de veritat és a l’interior dels mateixos protons, però també manté els protons i neutrons units. El problema comença quan el nucli de l’àtom es fa molt gran. A mida que anem posant protons i neutrons dins un nucli atòmic, obtenim una mena d’esfera cada vegada més gran. A partir de determinada mida, la força nuclear forta ja perd activitat. En canvi, l’electromagnètica encara és activa i els protons comencen a notar la repulsió cada vegada més intensa entre ells.

Per això, els àtoms pesants, que tenen molts protons i neutrons i per tant son molt grans, van perdent l’estabilitat. Si son més grans que el plom, però no massa, es poden mantenir units durant molt temps, però no indefinidament. Especialment si hi ha molts neutrons entremig ajudant a mantenir una mica separats els protons encara que el nucli quedi una mica deformat. Però, abans o després, la distribució de càrregues dins el nucli es desequilibrà i la repulsió electromagnètica farà que el conjunt es trenqui en dos nuclis més petis. Aleshores diem que l’àtom s’ha desintegrat.

La clau perquè un nucli pugui existir és mantenir-se dins la distància d’actuació de la força nuclear forta. És, com si diguéssim, la “zona de confort” dels nuclis atòmics.