derecha|300px|thumbnail|Representación averada del átomu d'Heliu. nel nucleu los protones tán representaos en colloráu y los neutrones n'azul. Na realidá'l nucleu tamién ye simétricamente esféricu. El nucleu atómicu ye la parte central d'un átomu, tien carga positiva, y concentra más del 99,999% de la masa total del átomu.
Ta formáu por protones y neutrones (denominaos nucleones) que se caltienen xuníos per mediu de la interacción nuclear fuerte, que dexa que'l nucleu sía estable, a pesar de que los protones se repelen ente sigo (como los polos iguales de dos imanes). La cantidá de protones nel nucleu (númberu atómicu), determina'l elementu químicu al que pertenez. Los nucleos atómicos non necesariamente tienen el mesmu númberu de neutrones, yá qu'átomos d'un mesmu elementu pueden tener mases distintes, ye dicir son isótopos del elementu.
La esistencia del nucleu atómicu foi deducida del esperimentu de Rutherford, onde se bombardeó una llámina fina d'oru con partícules alfa, que son nucleos atómicos d'heliu emitíos por roques radiactives. La mayoría d'eses partícules trespasaben la llámina, pero delles rebotaban, lo cual demostró la esistencia d'un minúsculu nucleu atómicu.
Historia El descubrimientu de los electrones foi la primer indicación de la estructura interna de los átomos. A empiezos del sieglu XX el modelu aceptáu del átomu yera'l de JJ Thomson "pudín de pases" modelu nel cual l'átomu yera una gran bola de carga positiva colos pequeños electrones cargaos negativamente enllastráu dientro de la mesma. Entós daquella, los físicos afayaren tamién tres tipos de radiaciones procedentes de los átomos: alfa, beta y radiación gamma. Los esperimentos de 1911 realizaos por Lise Meitner y Otto Hahn, y por James Chadwick en 1914 amosaron que l'espectru de decaimiento beta ye continuu y non discretu. Esto ye, los electrones son espulsaos del átomu con una gama d'enerxíes, en cuenta de les cantidaes discretes d'enerxía que se repara en rayu gamma y decaimiento alfa. Esto paecía indicar que la enerxía nun se caltenía nestes escayencia. Darréu afayóse que la enerxía sí se caltién, col descubrimientu de los neutrinos.
En 1906 Ernest Rutherford publicó "El retrasu de la partícula alfa del radiu cuando traviesa la materia", en Philosophical Magacín (12, p. 134-46). Hans Geiger amplió esti trabayu nuna comunicación a la Royal Society (Proc. Roy. Soc. 17 de xunetu de 1908) con esperimentos y Rutherford fixérase pasar aire al traviés de les partícules α, papel d'aluminiu y papel d'aluminiu dorao. Geiger y Marsden publicaron trabayos adicionales en 1909 (Proc. Roy. Soc. A82 p. 495-500) y ampliaron entá más el trabayu na publicación de 1910 por Geiger (Proc. Roy. Soc. 1 de febreru de 1910). En 1911-2 Rutherford esplicó ante la Royal Society los esperimentos y propunxo la nueva teoría del nucleu atómicu. Polo que se considera que Rutherford demostró en 1911 la esistencia del nucleu atómicu.
Por eses mesmes feches (1909) Ernest Rutherford realizó un esperimentu nel que Hans Geiger y Ernest Marsden, so la so supervisión dispararon partícules alfa (nucleos d'heliu) nuna delgada llámina d'oru. El modelu atómicu de Thomson predicía que la de les partícules alfa teníen de salir de la llámina con pequeñes esviaciones de les sos trayectories. Sicasí, afayó que delles partícules esvalixar a grandes ángulos, ya inclusive dafechu escontra tras en dellos casos. Esti descubrimientu en 1911, llevó al modelu atómicu de Rutherford, en que l'átomu ta constituyíu por protones y electrones. Asina, l'átomu del nitróxenu-14 taría constituyíu por 14 protones y 7 electrones.
El modelu de Rutherford funcionó abondo bien mientres munchos años. Pensábase que la repulsión de les cargues positives ente protones yera arreglada polos electrones (con carga negativa) interpuestos ordenadamente en mediu, polo que l'electrón yera consideráu como un "cementu nuclear". Esto foi hasta que los estudios llevaos a cabu por Franco Rasetti, nel Institute of Technology de California en 1929. En 1925 sabíase que los protones y electrones tien un espín de , y nel modelu de Rutherford nitróxenu - 14 los 14 protones y seis de los electrones tendríen d'atayar les sos contribuciones al espín total, envalorándose un espín total de . Rasetti descubiertu, sicasí, que'l tien un espín total unidá.
En 1930 Wolfgang Pauli nun pudo asistir a una xunta en Tubinga, y nel so llugar unvió una carta famosu cola clásica introducción "Queríos Señores y señores radiactivos ". Na so carta Pauli suxirió que seique esistía una tercer partícula nel nucleu, que la bautizó col nome de "neutrones". Suxirió que yera más llixeru qu'un electrón y ensin carga llétrica, y que nun interactuaba fácilmente cola materia (y por eso inda nun se-y detectara). Esta hipótesis dexaba resolver tanto'l problema del caltenimientu de la enerxía na desintegración beta y el espín de nitróxenu - 14, la primera porque los neutrones llevaben la enerxía ensin detectar y el segundu porque un electrón extra acoplar col electrón sobrante nel nucleu de nitróxenu - 14 p'apurrir un espín de 1. Enrico Fermi redenominó en 1931 los neutrones de Pauli como neutrinos (n'italianu pequeñu neutral) y unos trenta años dempués demostróse finalmente qu'un neutrinos realmente emítense na escayencia beta.
En 1932 James Chadwick diose cuenta de que la radiación que de que fuera reparáu por Walther Bothe, Herbert L. Becker, Irène y Jean Frédéric Joliot-Curie yera en realidá por cuenta de una partícula qu'él llamó'l neutrón. Nel mesmu añu Dimitri Ivanenko suxirió que los neutrones yeren, de fechu partícules de espín 1 / 2, qu'esistíen nel nucleu y que nun esisten electrones nel mesmu, y Francis Perrin suxirió que los neutrinos son partícules nucleares, que se crean mientres la escayencia beta. Fermi publicó 1934 una teoría de los neutrinos con una sólida base teórica. Nel mesmu añu Hideki Yukawa propunxo la primer teoría importante de la fuercia pa esplicar la forma en que'l nucleu caltién xunto.
Depués del descubrimientu del neutrón, por James Chadwick, Werner Heisenberg (qu'enunció años antes el principiu d'incertidume), indicó que los neutrones pueden ser parte del nucleu, y non asina los electrones. Con esta teoría resolvíase totalmente el problema del spin que nun coincidía, amás d'esplicar tolos aspeutos del comportamientu nuclear.
Sicasí, la nueva teoría traía consigo otru severu problema: col modelu anterior, qu'incluyía electrones como «cementu nuclear», esplicábase que los protones, toos cola mesma carga positiva, permanecieren totalmente xuntos, ensin que salieren disparaos pola repulsión de cargues iguales. Sicasí, col modelu qu'inclúi'l neutrón, nun había esplicación dalguna al respective de la forma en qu'en nucleu se caltién xuníu y nun esplota de momentu (esto ye, nengún elementu tendría d'esistir, cola única esceición del hidróxenu). Pa ejemplificar, la fuercia cola que se repelen dos protones a la distancia que tán (una diezbillonésima de centímetru), ye d'aproximao 240 newtons, fuercia abondo p'alzar nel aire un oxetu de daqué más de 24 quilogramos (nótese la enormidá inimaxinable d'esa fuercia yá que tamos falando de dos protones, que la so masa ye de daqué más de 10-27 quilogramos)
La enorme dificultá que sufría la teoría foise resolviendo gradualmente. En 1927, Heisenberg propunxo'l principiu d'incertidume, qu'indica que mientres mayor sía la precisión con que conozamos la velocidá d'una partícula, con menor precisión vamos poder conocer la so posición.
En 1930 Einstein dedució a partir d'esti principiu, per medios matemáticos, que si'l principiu ye correutu, tamién ye correutu otru tipu d'indetermín sobre la midida de la enerxía esistente nun sistema zarráu. Mientres menor sía'l ralu de tiempu nel cual quier sabese la cantidá d'enerxía del sistema, con menor precisión podrá midir.
Al momentu de suxerir el modelu de nucleu protón-neutrón, en 1932, Heisenberg suxirió tamién la esistencia d'un campu de fuercia que xunía los protones, per mediu de la esistencia efímera d'una partícula. La esistencia d'esta partícula sería posible solo pol principiu d'incertidume, na versión enunciada por Einstein.
El físicu xaponés, Hideki Yukawa, entós púnxose a analizar les propiedaes de la partícula propuesta por Heisenberg, y en 1935 describió eses propiedaes con precisión. La partícula solo podría esistir un intre d'unos segundos, tiempu abondu por que pueda dir d'un protón a otru, pero non más allá del nucleu del átomu. La enerxía necesaria pa la esistencia d'esta partícula nesi curtiu periodu afaise de primeres d'incertidume na versión d'Einstein. Utilizando eses ecuaciones, la enerxía disponible nesi periodu sería de 20 pJ (picu xulios, o ), lo qu'equival a una partícula con una masa de 250 vegaes la del electrón.
Dende entós hubo dellos intentos de detectar esa partícula esperimentalmente. De xacíu que siendo una partícula que solo esiste un curtiu intre, y utilizando enerxía non disponible, solo gracies de primeres d'incertidume, sería imposible de detectar, sacante si esa enerxía fora proporcionada. Los rayos cósmicos —partícules que lleguen del espaciu a enormes velocidaes— pueden apurrir esa enerxía. En 1948, esperimentando con rayos cósmicos en Bolivia, Cecil Frank Powell detectó la partícula, que foi llamada Pion.
Descripción del nucleu
Forma y tamañu del nucleu Los nucleos atómicos son muncho más pequeños que'l tamañu típicu d'un átomu (ente 10000 y 100000 vegaes más pequeños). Amás contienen más del 99% de la masa colo cual la densidá másica del nucleu ye bien elevada. Los nucleos atómicos tienen dalgún tipu d'estructura interna, por casu los neutrones y protones paecen tar orbitando unos alredor de los otros, fechu que se manifiesta na esistencia del momentu magnéticu nuclear. Sicasí, los esperimentos revelen que'l nucleu paezse enforma a una esfera o elipsoide compactu de 10-15 m (= 1 fm), nel que la densidá paez práuticamente constante. Naturalmente'l radiu varia según el númberu de protones y neutrones, siendo los nucleos más pesaos y con más partícules daqué más grandes. La siguiente fórmula da'l radiu del nucleu en función del númberu de nucleones A:
Onde 350px|right|thumb|Densidá de carga llétrica nel nucleu atómicu. La densidá de carga llétrica del nucleu ye aproximadamente constante hasta la distancia y depués aparra rápido hasta práuticamente 0 nuna distancia acordies cola fórmula:
Onde r ye la distancia radial al centru del nucleu atómicu.
Los aproximamientos anteriores son meyores pa nucleos esféricos, anque la mayoría de nucleos nun paecen ser esféricos como revela que tengan momentu cuadrupolar distintu de cero. Esti momentu cuadrupolar manifestar na estructura hiperfina de los espectro atómicos y fai que'l campu llétricu del nucleu nun sía un campu coulombiano con simetría esférica.
Estabilidá del nucleu thumb|300px|Diagrama de Segrè, en colloráu los nucleos estables, n'otros colores los nucleos inestables coloriaos según el periodu de desintegración. Reparar qu'un llixeru escesu de neutrones favorez la estabilidá n'átomos pesaos. Los nucleos atómicos pórtense como partícules compuestes a enerxíes abondo baxes. Amás, la mayoría de nucleos atómicos per debaxo d'un ciertu pesu atómicu y qu'amás presenten un equilibriu ente'l númberu de neutrones y el númberu de protones (númberu atómicu) son estables. Sicasí, sabemos que los neutrones aisllaos y los nucleos con demasiaos neutrones (o demasiaos protones) son inestables o radiactivos.
La esplicación d'esta estabilidá de los nucleos mora na esistencia de los piones. Aislladamente los neutrones pueden sufrir vía interacción débil la siguiente desintegración:
Sicasí, dientro del nucleu atómicu la cercanía ente neutrones y protones fai que sían muncho más rápides, vía interacción fuerte les reacciones: