Revisando los paradigmas de la estructura nuclear 1 de 4

Orbital externo: Un objetivo en movimiento.

El concepto de nucleones moviéndose en órbita en el interior del núcleo bajo la influencia de una fuerza común da lugar a ideas de una estructura externa y números ‘mágicos’. Similares al movimiento de los electrones en un átomo, las órbitas nucleónicas se agrupan en energía, de este modo forman una capa y los núcleos que han llenado sus depósitos nucleicos (‘Gases nobles’ nucleares) están excepcionalmente unidos. Los números de nucleones necesarios para llenar cada capa son conocidos como números mágicos, los tradicionales son: 2, 8, 20, 28, 52, 82 y 126 (Ver figura 2). Así, un núcleo como el de plomo 208, con 82 protones y 126 neutrones es ‘doblemente mágico’. El concepto de números mágicos a su vez, introduce el concepto de los nucleones de valencia (Aquellos más allá del número mágico). Entonces, considerando la estructura de un núcleo como el del plomo 210, uno puede, considerar solo los dos últimos neutrones de valencia en lugar de todos los demás. Cuando se propuso a finales de la década de 1940, fue un concepto revolucionario: ¿Cómo podrían los nucleones individuales, que la comprenden la mayor parte del volumen nuclear, orbitar tan libremente sin generar un absoluto caos por colisiones? Desde luego, ahora entendemos que el principio de exclusión de Pauli juega un papel clave, y el modelo resultante de las órbitas nucleónicas se ha convertido en la ‘plantilla’ utilizada por más de medio siglo para interpretar la estructura nuclear.

Figura 2.- Estructura de las capas en átomos y núcleos. A la izquierda, lo niveles de energía de los electrones forman la estructura de la capa atómica. En los gases nobles, las capas de valencia de los electrones se llenan por completo. A la derecha, representación de las características de la estructura de la capa nuclear de un nécleo estable o de larga duración. En el núcleo ‘mágico’ con un número de protones o neutrones 2, 8, 20, 28, 50, 82 o 126, es decir, análogos a los gases nobles, las capas se encuentran llenas por completo. La estructura de las capas en cada núcleo enriquecido de neutrones no es conocida aún. Crédito – K. Jones y W. Nazarewicz. American Association of Physics Teachers

Un sello distintivo experimental de la estructura nuclear es el comportamiento del primer estado excitado con movimiento angular 2 y una paridad positiva en el núcleo par-par. Este estado, usualmente la más baja excitación de energía en este tipo de núcleo, es una estructura ‘mansa’. Su energía de excitación toma valores elevados en números mágicos y valores bajos conforme el número de nucleones de valencia se incrementan y emerge el comportamiento colectivo. La idea de capas nucleares nos lleva a las regularidades y patrones repetidos, ilustrados en la Figura 1 y como se ven las energías en el estado 2⁺ se muestran en la parte superior de la figura 3. El concepto de número mágico fue fraguado basado en los datos obtenidos de los núcleos estables o casi estables. Sin embargo, recientemente, los números mágicos tradicionales han sido objeto de una mayor revisión debido al acceso a especies previamente no disponibles. La estructura de la capa conocida de un núcleo estable ya no es considerada como una construcción inmutable sino que más bien como un objetivo en movimiento. De hecho la elucidación del cambio en la estructura de la capa es uno de los triunfos de los recientes experimentos en la estructura nuclear en instalaciones con haces exóticos alrededor del mundo. Por ejemplo, los experimentos en la Michigan State University en los Estados Unidos de América y en Gesellshaft für Schwerionenforschung han mostrado que en los isótopos de oxígeno 24 altamente enriquecidos con neutrones (Con ocho protones y el doble de nutrones -16), es de hecho, un número mágico.

Figura 3. La figura superior muestra mediciones de energía de los estados 2+ más bajos en los núcleos. La figura inferior muestra una vista cercana de la información para varios isótopos enriquecidos de neutrones. La ‘huella’ de los números mágicos se pierde en este tipo de isótopos. Créditos – Figura Superior, R. Burcu Cakirli, Max Planck Institute for Nuclear Physics; Figura Inferior, Alexandra Gade, Michigan State University.

Una de las regiones más interesantes que exhiben la fragilidad de los números mágicos comprende los núcleos con 12 a 20 protones y 18 a 30 neutrones. La evidencia experimental es ejemplificada en la parte inferior de la figura 3 por las energías del primer estado excitado 2⁺ en esta región. La figura muestra la desaparición del número de neutrones N=20 como un número mágico en Mg, mientras persiste para sus elementos vecinos. De forma similar, N=28 pierde sus características mágicas para Si, S y Ar, mientras Ca, el cuál es también mágico en protones, retiene su doble carácter mágico en N=28.

 Hay al menos tres factores que conduces a esos cambios en la estructura de la capa: Cambios en como los núcleos interactúan con otros como la asimetría protón-neutrón varía; la influencia de la dispersión y estado de decaimiento cercano a los límites isotópicos de existencia nuclear (Las ‘driplines’); y el papel creciente de los efectos corporales en los enlaces nucleares débiles donde las correlaciones determinan la existencia de los núcleos. Esta nueva perspectiva en la estructura de la capa afecta muchas facetas de la estructura nuclear, desde la existencia de los núcleos ligeros de corta vida, hasta los estables elementos superpesados.

Recientes estudios, utilizando técnicas como la excitación Coulomb y luz ionizada de un solo nucleón en reacciones de transferencia, ambas cerca de los números mágicos y a lo largo de las cadenas extendidas isotópicas, en isótopos de Ca, Ni y Sn, están comenzando a responder las cuestiones acerca de las efectivas fuerzas internucleones en la presencia de exceso de neutrones, la relevancia del modelo de capa detallado en la presencia de enlaces débiles y la naturaleza del mecanismo colectivo nuclear. Excelentes evaluaciones del modelo de capa nuclear fueron realizadas por recientes estudios de los isótopos de estaño (Sn). El núcleo de estaño tiene un número mágico de protones (50) y sus isótopos de corta vida, Sn-100 y Sn-132, tienen 50 y 82 neutrones respectivamente, se espera sean ejemplos inusuales del nuevo y doblemente mágico núcleo pesado. Los datos únicos en la región de Sn-132 (Ver figuras 4 y 5) muestran que el Sn-132 se comporta en efecto como un núcleo doblemente mágico. Otros experimentos proporcionan información con respecto al SN-100; en particular, la primera información estructural en el Sn-101 nos lleva a sorpresas teóricas. Análisis más allá de la estructura de la capa y las interacciones en los elementos más pesados son las que se detallan a continuación.

Figura 4. Todos los nucleídos conocidos son mostrados en negro (Si son estables) o amarillo (Inestables). Las líneas discontinuas indican los números mágicos tradicionales de protones y neutrones. Dos núcleos doblemente mágicos, Sn-132 y Ni-78 están adyacentes a la región proceso-r (Azul) de un aún-no-se-ve nucleído que se cree está involucrado en la creación de los elementos más pesados en una supernova. Por adición de neutrones y protones a un núcleo estable, se ingresa a un núcleo radioactivo, primero de larga vida y posteriormente de corta vida, hasta que finalmente se alcanza la ‘línea de goteo’ nuclear, donde no hay suficiente fuerza de enlace para prevenir que los últimos nucleones se retiren del núcleo. Las ‘líneas de goteo’ de los protones y neutrones forman los bordes de la existencia nuclear. Crédito.- B. Schwarzschild, Physics Today 63:16, Agosto 2010.

Figura 5.- Espectro experimental de una reacción de transferencia en la cual un deuterón roza un Sn-132, depositando un neutrón para hacer un Sn-133 con la detección de un protón ‘escapando’. La línea sólida muestra como encajan los cuatro picos en verde, rojo, azul y lavanda en el esquema (Esquina superior derecha). En la esquina superior izquierda despliega un dibujo de la reacción empleada. Las investigaciones revelan que los estados de baja energía en Sn-133 tienen partículas más puras aún que sus contrapartes en Pb-209, en el exterior del núcleo doblemente mágico de Pb-208. Crédito.- K.L. Jones, A.S. Adekola, D.W. Bardayan, et al. 2010. Nature 465: 454, 2010.

Se espera que el modelo de la capa se someta a análisis sensibles en la región de los núcleos superpesados, aquellos cuya existencia depende de una competición dinámica entre la atracción nuclear de corto largo y la repulsión Coulomb de rango amplio. Curiosamente, una interacción similar toma lugar en la materia de baja densidad enriquecida con neutrones, encontrada en la corteza de las estrellas de neutrones, donde la “frustración Coulomb” produce ricas y complejas estructuras colectivas. La figura 6 muestra el cálculo de la energía de la capa, que es, el realce cuántico en el enlace nuclear debido a la presencia de capas nucleónicas. El núcleo de la región del estaño es un excelente ejemplo del paradigma del modelo de la capa: El núcleo mágico con Z=50, N=50 y N=82 tienen las capas energéticas más grandes y las capas cerradas asociadas proporcionan estabilidad excepcional. En el núcleo superpesado, la densidad de los niveles de energía de una simple partícula es bastante grande, así que pequeños cambios de energía, tales como las regiones de la mejorada y estabilizada capa en la superpesada región cercana a N=184, generalmente se espera que sean bastante amplios; esto es, la noción de números mágicos y las brechas de energía asociadas con ellos se volverán fluidas.

Figura 6.-Controbución al enlace nuclear debido a los efectos de la capa (En MeV) para núcleos de la región del estaño (Arriba) y elementos superpesados (Abajo) calculados en la teoría funcional de densidad nuclear. Los núcleos coloreados en rojo son aquellos cuyos enlaces son mejorados por los efectos cuánticos. El núcleo que se predice es estable hasta el decaimiento beta está marcado con puntos. Crédito.- M. Bender, W. Nazarewicz, y P.G. Reinhard

Otros estudios de capas en los núcleos han sido iniciados en el Jefferson Lab y KEK en Japón, de hipernúcleos, es decir, núcleos que contienen al menos un hiperón, un extraño baryon, además de los núcleos. Agregando un hiperón, los físicos nucleares pueden explorar las regiones interiores de los núcleos que son imposibles de estudiar con protones y neutrones, los cuales deben obedecer las restricciones del Principio de Pauli. El trabajo experimental va mano a mano con los cálculos teóricos avanzados de las interacciones hiperón-núcleo e hiperón-hiperón, con el objetivo definitivo de tener un entendimiento completo de todas las interacciones baryon-baryon.

Esta entrada participa en el XXXIII Carnaval de la Física que se aloja en esta ocasión en el blog “El Mundo de las Ideas” (http://icaraideas.blogspot.com.es/ de Araceli Giménez y en la XVII Edición del Carnaval de la Química el cual se hospeda en esta ocasión en el blog “Un geólogo en apuros” (http://www.ungeologoenapuros.es/) de Nahum Chazarra.

Referencias

Se publicarán al concluir la parte 4.