Francisco Dalmases Moncayo - Fundamentos físicos de la protección radiológica en odontología

Con los protones positivos en el núcleo, y los electrones negativos revoloteando en la corteza, ya fue posible abordar con más posibilidades la cuestión de la electroneutralidad de las átomos. Ahora bien, los primeros intentos al respecto resultaron bastante lamentables. La fácil solución de pensar en un átomo integrado por Z electrones en la corteza y Z protones en el núcleo no resulta factible, por cuanto que las masas atómicas resultan ser aproximadamente el doble de la correspondiente a los Z protones y los ligerísimos electrones apenas cuentan en los cómputos de masas. Los intentos de arreglarlo todo, entonces, pensando que en el núcleo deberían existir 2 Z protones y Z electrones, para que su carga positiva resultase Z y la masa del átomo aproximadamente la de los 2 Z protones, se topa de bruces con una de las primeras consecuencias de la Mecánica Cuántica, que ya había comenzado a tomar cuerpo a partir de las ideas de Planck, Bohr y Einstein: es imposible justificar una serie de propiedades del núcleo si en él existieran electrones. La presencia de electrones en el núcleo está absolutamente vedada.

A principio de los años 1920 el propio Rutherford, para sustentar su modelo atómico, se vio obligado a sugerir, junto con otros investigadores, la existencia de una especie de protones, pero neutros, para evitar introducir en el núcleo a los proscritos electrones, compensadores del exceso de carga nuclear. Se pensó en algo así como una pareja [p+e] ligada, pero de naturaleza propia y distinta para evitar las contradicciones cuánticas. A esos 'protones sin carga' se les denominó "neutrones". Pero debió esperarse hasta 1932 para que Chadwick, discípulo de Rutherford que trabajaba en su mismo laboratorio, descubriera el verdadero neutrón: una nueva partícula elemental independiente, sin carga y con masa similar a la del protón, sólo ligerísimamente superior, aunque sin tener nada que ver con el mismo. El problema esencial había quedado resuelto: en el núcleo existen Z protones, que compensan la carga de los Z electrones corticales del átomo neutro, junto con el número de neutrones necesario (muy similar a Z) para justificar con exactitud la masa del átomo en cuestión.

Ahora bien, el modelo atómico final que había establecido Rutherford era de tipo 'planetario', con los electrones corticales orbitando alrededor del núcleo, que los atrae con su carga positiva compensando su fuerza centrífuga. Por lo que la teoría electromagnética se encargó de demostrar la inconsistencia del modelo, ya que cuando una partícula cargada acelera o frena emite radiación electromagnética, de forma que los electrones acelerados centrífugamente deberían estar emitiendo continuamente radiación, ir perdiendo así su energía cinética, es decir velocidad, y acabar por fin precipitándose sobre el núcleo.

Ya había sido Bohr quien, todavía en 1913 y al comenzar a aplicar los conceptos cuánticos al átomo, dejó postulado que los electrones corticales orbitantes sólo pueden permanecer, sin emitir radiación, en niveles discretos de energía perfectamente definidos o "estados cuantizados", dando lugar así a un átomo finalmente estable.

Corteza electrónica y núcleo

Propiedades

Como fue establecido por la teoría atómica de Bohr, y desarrollado luego por los modelos de la mecánica cuántica más sofisticados, el átomo presenta una estructura compleja, integrada por dos regiones principales ( Fig. 1.3 ):

- una corteza electrónicaconstituida, en el átomo neutro, por Z electrones, siendo Z el número atómico del correspondiente elemento químico, y en la que tales electrones se distribuyen sin radiar energía en sucesivas capas, de la que la más externa, o “de valencia”, regula la capacidad de enlace del átomo y, por tanto, sus propiedades químicas, y

- un núcleo, de diámetro mucho más pequeño, 10 -14a 10 -15m, es decir, unas 10.000 a 100.000 veces menor que el de todo el átomo, de unos 10 -10m, y que, sin embargo, concentra prácticamente toda la masa del átomo. Está integrado -mientras no se le destruya por fragmentación- por Z protones y N neutrones. Los neutrones carecen de carga eléctrica, mientras que la carga del protón es positiva e igual en módulo a la de electrón y, por tanto, a la unidad elemental de carga eléctrica: 1,602·10 -19coulomb. En la figura el tamaño del núcleo aparece exageradamente aumentado para permitir su apreciación.

Puesto que la carga total de los Z electrones corticales es igual y de signo contrario a la de los Z protones nucleares, el átomo es eléctricamente neutro; como lo es, por extensión, la materia no ionizada.

Figura 1.3 Estructura del átomo neutro. N = n ºde neutrones nucleares y Z = n ºatómico.

Número másico

A los protones y neutrones integrantes del núcleo se les suele designar, en física nuclear, indistintamente como "nucleones" , debido a que las fuerzas nucleares que los unen no dependen de la carga ni de la masa, como se verá en el último apartado 1.5, sino que son de naturaleza distinta a las gravitatorias y electromagnéticas.

Al número total de nucleones del núcleo se le denomina "número másico" A:

A = Z + N

Tal denominación obedece a que Aequivale muy aproximadamente a la masa del átomo al que pertenece el núcleo (en unidades de masa atómica). Puesto que, como se comentará en el siguiente apartado 1.3 ( Tabla I ), tanto el protón como el neutrón poseen una masa unas 2000 veces mayor que la del electrón, y la contribución de la masa de la corteza electrónica resulta muy pequeña: la masa del núcleo corresponde a más del 99,9% de la total del átomo. De hecho, Aes el número entero más próximo a la masa atómica del elemento químico implicado.

La mayor parte de los núcleos pueden admitirse esféricos, con radio dado aproximadamente por:

r = r 0A 1/3, siendo r 0= 1,5·10 -15m.

En resumen, ya que la masa del átomo se concentra prácticamente en su diminuto núcleo (su volumen es tan sólo una fracción 10 -13- 10 -15el del átomo), la 'materia' en sí está prácticamente vacía. Si se piensa en una plaza de toros, el núcleo equivaldría a un grano de arena en el centro del ruedo (concentrando, eso sí, la práctica totalidad de masa implicada, con una densidad billones de veces la de la materia ordinaria) y los electrones corticales corresponderían a unos cuantos mosquitos, Z, revoloteando por el tendido.

Estructura de la corteza electrónica

Órbitas y orbitales

En el modelo atómico de Bohr los diferentes estados o niveles de energía de los electrones corticales, característicos del átomo considerado, corresponden a órbitas circulares - o elípticas, en el perfeccionamiento posterior de Sommerfield - descritas en el espacio tridimensional por los electrones alrededor del núcleo. Los refinamientos cuánticos posteriores de Schrödinger y Heisenberg, hacia los años 1930, revelan que tales órbitas corresponden realmente a orbitales o regiones tridimensionales mucho más difusas donde tan sólo puede hablarse de la probabilidad de encontrar al electrón en ese lugar. La órbita discreta del modelo de Bohr, utilizada habitualmente en los esquemas atómicos, se 'difumina' realmente en la región de distribución de probabilidades del orbital, en la que, eso sí, la distancia al núcleo con máxima probabilidad de hallar al electrón coincide exactamente con la de la órbita clásica del modelo de Bohr. Trabajar con los conceptos de la mecánica cuántica, que gobierna el microcosmos, exige admitir uno de sus principios fundamentales: los fenómenos no pueden ser descritos con los modelos macroscópicos de la física clásica.