El nucli atòmic és la diminuta regió central de l'àtom, de càrrega elèctrica positiva, on es concentra gairebé tota la massa.
Tot i que només representa una fracció de la mida total de l'àtom, la seva influència és crucial per definir les propietats químiques i físiques dels elements.
Partícules subatòmiques del nucli
El nucli està format per protons i neutrons, coneguts col·lectivament com a nucleons. Els protons tenen càrrega elèctrica positiva, mentre que els neutrons són elèctricament neutres. No obstant això, als nuclis d'hidrogen més simples (hidrogen-1), només hi ha un protó, mancant de neutrons.
Cada element químic es defineix pel seu nombre atòmic (Z), que correspon al nombre de protons al nucli i determina la càrrega elèctrica total del mateix. A més, el nombre màssic (A) és la suma de protons i neutrons, proporcionant una mesura aproximada de la massa nuclear.
Composició del nucli i la seva estructura
Gairebé tota la massa de l'àtom es troba al nucli, ja que els electrons, encara que són essencials per a les interaccions químiques, tenen una massa insignificant en comparació dels protons i neutrons. La mida del nucli varia segons l'element: des d'aproximadament 1,75 femtòmetres (fm) al nucli de l'hidrogen fins a 15 fm als elements més pesats, com l'urani.
Els números fonamentals que descriuen el nucli atòmic són:
- Número atòmic (Z): quantitat de protons.
- Nombre de neutrons (N): quantitat de neutrons al nucli.
- Número màssic (A): suma de protons i neutrons, A = Z + N.
Forces nuclears i enllaços entre protons
La presència de protons amb càrrega positiva genera una forta repulsió electrostàtica dins el nucli. No obstant això, una força molt més intensa, coneguda com a força nuclear forta, manté units els nucleons. Aquesta força és de curt abast però suficient per contrarestar la repulsió entre els protons.
L'energia d'enllaç nuclear, responsable de mantenir el nucli unit, és alliberada en les reaccions de fusió nuclear.
E=mc 2
Aquesta relació descriu com la pèrdua de massa durant aquestes reaccions es converteix en energia.
Exemples de nuclis atòmics a l'energia nuclear
En l'àmbit de l'energia nuclear, alguns nuclis atòmics són fonamentals per les seves propietats úniques:
- Urani-235: Aquest isòtop de l'urani és clau per als reactors nuclears i les armes nuclears. El seu nucli, compost per 92 protons i 143 neutrons, és altament fissionable, cosa que significa que es pot dividir en nuclis més petits en ser bombardejat amb neutrons, alliberant una enorme quantitat d'energia.
- Plutoni-239: Produït artificialment, és un altre nucli crucial per a la fissió nuclear. Té 94 protons i 145 neutrons, i és utilitzat tant en reactors com en armament nuclear a causa de la seva alta capacitat per alliberar energia.
- Deuteri (Hidrogen-2): És un isòtop de l'hidrogen utilitzat en experiments de fusió nuclear, on es combina amb triti (Hidrogen-3) per alliberar energia neta. Aquesta reacció és la base de la investigació en reactors de fusió, com ara l'ITER.
Models atòmics i evolució de la teoria de l'àtom
La comprensió de lestructura atòmica ha evolucionat considerablement amb el temps. A continuació, es destaquen les fites més rellevants:
- Model de Dalton (1808): John Dalton va proposar que tota la matèria està formada per àtoms indivisibles i invisibles. Aquest model no contemplava l'existència del nucli atòmic.
- Model de Thomson (1897): Joseph John Thomson va descobrir l'electró i va suggerir que els àtoms tenen una estructura interna. Va postular un model en què partícules negatives (electrons) es distribueixen en una massa positiva, conegut com el "model del púding de panses".
- Model de Rutherford (1911): Ernest Rutherford va descobrir el nucli atòmic mitjançant el famós experiment de la làmina d'or. Va determinar que els àtoms tenen un nucli central petit i dens envoltat per electrons.
- Model de Bohr (1913): Niels Bohr va refinar el model de Rutherford, proposant que els electrons orbiten el nucli en nivells denergia definits. Aquest model va introduir conceptes quàntics en descriure les òrbites electròniques.
Símil didàctic per comprendre les dimensions
Per comprendre les proporcions del nucli respecte a la resta de l'àtom, imagina un estadi de futbol gegantí, com el Camp Nou, completament buit.
Al centre de l'estadi, col·loquem una petita bala. Aquesta diminuta esfera representa el nucli atòmic, la part central de l'àtom on es concentra gairebé tota la massa. Tot i que és increïblement petita en comparació amb la mida total de l'estadi, és la peça més important, ja que conté els protons i neutrons que determinen les propietats de l'àtom.
La resta de l'estadi, tot aquest enorme espai buit, simbolitza la regió on es mouen els electrons. Els electrons són diminutes partícules carregades negativament que giren al voltant del nucli com si fossin abelles voletejant al voltant d'una flor. Tot i que ocupen molt d'espai, pesen tan poc que la seva massa amb prou feines contribueix al total de l'àtom.