395_cienciorama

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La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 1 
 
 
Imágenes tomadas y modificadas de: http://thumbs.dreamstime.com/z/burning-sun-
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http://fc03.deviantart.net/fs71/f/2011/316/5/1/mercury_render_by_laurenshebberecht-
d4fx2ir.png 
 
La tabla periódica de los núcleos 
Carlos Velázquez 
 
Siempre tuve una gran curiosidad por los núcleos atómicos. Quizá algunas 
de las cosas que más me animaron a internarme en el mundo de la física 
fue escuchar las explicaciones en las que se presentaba al núcleo como 
una pelota compuesta por muchas pelotitas. Esto hacía volar mi 
imaginación, veía los núcleos como bolas compuestas por un conjunto de 
esferas rojas y blancas pegadas, y pensaba que era muy fácil entender 
que a veces estos conjuntos podían perder algunas de las esferitas que 
los componían o se podían partir y así crear dos conjuntos que se 
repartían las esferitas del conjunto inicial. 
http://thumbs.dreamstime.com/z/burning-sun-1339560.jpg
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La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 2 
 
Con el paso del tiempo me fui percatando de que la física nuclear nos 
tiene rodeados y ¡está en todas partes! Sin embargo sólo le prestamos 
atención cuando tiene que ver con desastres y la miramos con horror, y 
no es para menos por las consecuencias catastróficas que puede tener 
para el ambiente y para nosotros cuando ocurre un accidente en una 
central nuclear o cuando se detona una bomba atómica, pues se liberan 
grandes cantidades de materiales radiactivos que permanecen mucho 
tiempo emitiendo por doquier su radiación nociva. 
En la Tierra tenemos una cantidad grandísima de elementos en los 
que de manera natural ocurre la radiación nuclear. Los procesos nucleares 
son parte de la naturaleza; por ejemplo, nuestra fuente de energía más 
duradera, el Sol, funciona en gran medida gracias a los fenómenos 
nucleares. Por eso ahora te propongo que indaguemos un poco acerca de 
qué es y cómo funciona la física nuclear. 
 
La química de los núcleos 
Actualmente sabemos que en el núcleo de todos los átomos hay protones 
y neutrones. También sabemos que el número de protones debe ser igual 
al de electrones para que haya equilibrio eléctrico: 25 protones implican 
que debe haber 25 electrones girando en torno al núcleo; 57 protones 
deben ir acompañados de 57 electrones ya que la fuerza electromagnética 
responsable de que se mantengan unidos, debe estar balanceada. Pero 
¿qué pasa con los neutrones? Ésta es una pregunta muy delicada, aunque 
no necesariamente difícil de contestar. Como los neutrones no tienen 
carga eléctrica, no importa cuántos haya en el núcleo desde el punto de 
vista del equilibrio eléctrico. Pero la fuerza electromagnética no es la única 
fuerza que actúa en la naturaleza, y de hecho ¿no te parece raro que los 
protones dentro del núcleo estén tan cerca unos de otros sin que se 
repelan y se aparten? ¿Hay otras fuerzas que los mantienen unidos? 
Ésta es la pregunta que se hizo Hideki Yukawa en 1935. Este notable 
físico japonés nacido en Tokio en 1907, se graduó como doctor en física 
 
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 3 
 
en la Universidad de Kyoto en 1938. Estaba muy familiarizado con las 
ideas de la mecánica cuántica de su época y en 1935 propuso que debía 
existir algún tipo de fuerza capaz de mantener los nucleones juntos --les 
llamamos nucleones a las partículas intranucleares sin distinción--. Luego 
de afinar esta idea y trabajar las matemáticas correspondientes para que 
describieran lo más cercanamente posible el comportamiento experimental 
de los nucleones, Yukawa llegó a una serie de ecuaciones que predecían 
la existencia de otras partículas que actuaban como cemento entre 
neutrones y protones. Años más tarde, las predicciones de Yukawa se 
confirmaron y fue posible detectar estas partículas y su teoría fue 
ratificada. Estas partículas son conocidas hoy en día como gluones (si 
quieres saber un poco más sobre las fuerzas de la naturaleza y las 
partículas que las transmiten te recomiendo leer "Todo cabe en un fotón..." 
aquí, en Cienciorama). 
Pero como para muchos fines prácticos basta la representación de 
los electrones girando en órbitas --aunque la física cuántica diga que la 
cosa es más complicada--, en el caso del núcleo podemos utilizar una 
representación simplificada que nos dé las claves de cómo se comportan 
los nucleones. 
 
http://www.cienciorama.unam.mx/#!titulo/379/?todo-cabe-en-un-foton
 
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 4 
 
 
Figura 1. Yukawa se preguntó cómo era posible que los nucleones se mantuvieran juntos 
dentro del núcleo y propuso la teoría de la fuerza fuerte. Su teoría predijo la existencia 
de partículas portadoras de esta fuerza y éstas se detectaron años más tarde, 
comprobando su hipótesis. 
Imágenes tomadas de: http://media-1.web.britannica.com/eb-media/04/98304-004-
491A62A4.jpg 
http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/Nuclear_Chemistry/Components_of_the_Nucl
eus 
 
El juego de las bolas de billar 
Me gusta imaginar el núcleo atómico como si estuviera compuesto por 
bolas de billar rojas y blancas. Las rojas representan a los protones y 
tienen carga eléctrica positiva, de modo que cuando dos de ellas se 
acercan, se repelen. Por otra parte, las bolas blancas representan a los 
neutrones y no tienen carga, así que les da lo mismo la presencia de 
otras bolas blancas o de bolas rojas, no hay repulsión. Y no sólo eso, 
todas estas bolas de billar tienen un "pegamento" en su exterior que hace 
que cuando cualquiera de ellas llega a estar en contacto, no importa si 
son rojas con rojas, blancas con blancas o rojas con blancas, se quedan 
pegadas, porque así se encuentran en el núcleo, ¿si no cómo se 
mantendrían unidas? 
http://media-1.web.britannica.com/eb-media/04/98304-004-491A62A4.jpg
http://media-1.web.britannica.com/eb-media/04/98304-004-491A62A4.jpg
http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/Nuclear_Chemistry/Components_of_the_Nucleus
http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/Nuclear_Chemistry/Components_of_the_Nucleus
 
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 5 
 
Ahora tenemos los ingredientes básicos para formar los núcleos y lo 
que hay que hacer es ¡ponernos a jugar para formar los núcleos que 
podamos! Ya sé que esto suena muy loco, pero en la práctica sí hay 
manera de hacerlo hasta cierto punto. Para ello utilizamos fuentes que 
emiten neutrones con las que podemos "pegar" bolitas blancas a otros 
núcleos ya formados. Lo que quiero decir es que no hay problema para 
comprender los núcleos si suponemos que podemos pegar bolitas blancas 
y rojas a voluntad. Después de un rato de andar en este juego 
empezaremos a ver que sólo algunas combinaciones son posibles y que, 
por ejemplo, no podemos formar núcleos que sólo tengan protones, ya 
que la fuerza de repulsión que hay entre ellos le "gana" al pegamento y el 
núcleo se deshace. Para contrarrestar esto tenemos que poner cierta 
cantidad de bolitas blancas para que el núcleo sea estable. 
La regla para formar núcleos atómicos es combinar suficientes 
pelotas rojas con suficientes pelotas blancas y así evitar que la repulsión 
entre las rojas destruya la unión completa. Como vemos, entre más bolas 
blancas contenga un núcleo todo será mejor. De hecho la receta para que 
el núcleo sea estable es que debe tener aproximadamente el mismo 
número de bolas rojas que de blancas cuando el número de protones es 
pequeño, y a medida que el número de protones es más grande se 
necesitan másbolas blancas o neutrones. 
Para asentar todas estas ideas pongamos un ejemplo. El número 
atómico del uranio es 92, lo que significa que tiene 92 protones y 92 
electrones; sin embargo el núcleo de uranio puede tener 134, 135...y ¡hasta 
148 neutrones! (para saber cuál es el número de neutrones que un núcleo 
dado puede tener no tenemos de otra más que hacer experimentos). A 
todas estas configuraciones posibles de un núcleo de uranio se les llaman 
isótopos del uranio, y para distinguirlos solemos nombrarlos con su 
nombre químico seguido por el número total de nucleones que tiene este 
núcleo. De esta manera, al uranio que tiene 134 neutrones y 92 protones 
se le llama uranio-226 porque 92+134=226, y al uranio que tiene 148 
 
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 6 
 
neutrones y 92 protones se le llama uranio-240. De esta manera se formó 
una tabla periódica de los núcleos. En ella están organizados todos los 
isótopos posibles de todos los elementos, y te sorprenderá saber que el 
número de isótopos es bastante grande, ya que hasta el momento 
conocemos alrededor de ¡1500 isótopos! Éste es un número bastante más 
grande que los 118 elementos químicos conocidos. 
 
Núcleos delicados 
En realidad, y como se mencionó antes, pensar que los núcleos están 
compuestos por bolas de billar cargadas y neutras es sólo una idea 
aproximada para ayudar a entender el fenómeno. Una visión más realista 
tomaría en cuenta que estas bolitas siempre se están moviendo, y que la 
fuerza con que se pegan no es igual en el caso de protones con 
neutrones que en el de neutrones con neutrones. El pegado más fuerte es 
entre protón y neutrón --rojo con blanco--, pero aun esto es sólo una 
noción aproximada de lo que pasa dentro de los núcleos. Cuando 
consideramos las reglas precisas del juego nuclear encontramos que 
aunque hay muchas posibles combinaciones de protones y neutrones, muy 
pocas de ellas son realmente estables. Lo más común es que los núcleos 
presenten cierta forma de inestabilidad, ya sea porque tienen neutrones de 
más o porque tienen neutrones de menos. 
En los núcleos inestables suele ocurrir uno de los tres procesos 
siguientes: 
1) Que repentinamente salga expulsada una partícula alfa. Una partícula 
alfa es un núcleo de helio, y está formada por dos protones y dos 
neutrones. Al tratarse de un núcleo, también podemos identificarla según 
nuestra notación mediante helio-4. Al fenómeno de emisión de partículas 
alfa desde el interior de un núcleo se le llama radiación alfa. 
2) La siguiente posibilidad se llama decaimiento beta y consiste en que un 
neutrón se vuelve inestable y repentinamente se desintegra convirtiéndose 
en un protón más un electrón y un antineutrino. Si el nombre de 
 
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 7 
 
antineutrino te suena a ciencia ficción, no te espantes, un antineutrino es 
simplemente una partícula de las varias que se producen durante las 
reacciones nucleares, y como su nombre lo indica, cuando un neutrino 
encuentra a un antineutrino ambas partículas se eliminan y se convierten 
en energía pura en forma de luz (si quieres saber más sobre neutrinos, te 
recomiendo que veas "El sabor de los neutrinos", "Neutrinos solares", "El 
neutrino y la ballena" y "La Regla de Oro" todos están aquí en 
Cienciorama). Cuando ocurre un decaimiento beta, el electrón creado tiene 
una alta energía y es inmediatamente expulsado del núcleo. A esta 
expulsión de electrones energéticos se le denomina radiación beta. 
3) La tercera posibilidad es que el núcleo no pierda protones ni neutrones, 
pero que parte de la energía que tenía se convierta en un fotón (una 
partícula de luz muy pero muy energética). A este proceso se le conoce 
como radiación gamma (para saber más sobre los distintos tipos de 
radiación ver "El experimento de la hoja de oro” aquí en Cienciorama). 
 
El juego de crear núcleos 
Como ya dijimos, la mayor parte de los núcleos son inestables y es más, 
la mayor parte de los isótopos sólo pueden sobrevivir por corto tiempo. Es 
decir, de manera natural existen mucho menos núcleos que los que hoy 
conocemos y están registrados en las tablas de isótopos, ¿cómo y de 
dónde salieron esos isótopos que no están usualmente en la naturaleza? 
Como ya has de sospechar hay mano negra, es decir, humana. De hecho, 
la mayor parte de los isótopos conocidos han sido creados en 
laboratorios. Esta historia comenzó el siglo pasado con los trabajos de 
Ernest Rutherford. Pero dejemos la historia para otra ocasión y ahora 
concentrémonos en entenderlos. 
Para crear nuevos núcleos lo primero que se necesita es tener algo 
con qué pegarles y para ello la primera solución que se tuvo a mano fue 
utilizar los elementos que de manera natural producen radiación, y utilizar 
esta radiación para incidir sobre otros núcleos. Las primeras fuentes de 
http://www.cienciorama.unam.mx/#!titulo/233/?el-sabor-de-los-neutrinos
http://www.cienciorama.unam.mx/#!titulo/236/?neutrinos-solares
http://www.cienciorama.unam.mx/#!titulo/313/?el-neutrino-y-la-ballena
http://www.cienciorama.unam.mx/#!titulo/313/?el-neutrino-y-la-ballena
http://www.cienciorama.unam.mx/#!titulo/383/?la-regla-de-oro--quimica-y-cuantica
http://www.cienciorama.unam.mx/#!titulo/389/?el-experimento-de-la-hoja-de-oro
 
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 8 
 
radiación conocidas fueron los compuestos de uranio, polonio, torio y 
radio (si tienes curiosidad revisa "Hacia la Regla de Oro: química y 
radiación" en Cienciorama). Estas cuatro fuentes emiten los tres tipos 
básicos de radiación; o sea alfa, beta y gamma. 
 
 
Figura 2. Procesos más comunes de decaimiento nuclear. En el caso del decaimiento alfa 
tenemos la emisión de un núcleo de helio-4. En el caso de la radiación beta tenemos 
dos tipos posibles de procesos, uno en el que la emisión es de electrones y otro en el 
que la emisión es de positrones. En la radiación gamma el núcleo no cambia su número 
de nucleones pero pasa de un estado excitado a uno de menor energía emitiendo un 
http://www.cienciorama.unam.mx/#!titulo/382/?hacia-la-regla-de-oro--quimica-y-radiacion
http://www.cienciorama.unam.mx/#!titulo/382/?hacia-la-regla-de-oro--quimica-y-radiacion
 
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 9 
 
fotón muy energético o rayo gamma. Por último, en la fisión espontánea tenemos la 
liberación de los neutrones excedentes que quedan libres al fisionarse los núcleos padre. 
Imagen modificada a partir de: http://chemwiki.ucdavis.edu/@api/deki/files/16108/20.4.jpg 
 
Figura 3. Algunos ejemplos de creación de isótopos utilizando partículas alfa. En la parte 
superior vemos cómo al agregar un núcleo de helio-4 a un núcleo de carbono-12 
obtenemos oxígeno-16. Si a este oxígeno-16 le agregamos nuevamente un helio-4 
obtenemos neón-20, y por último, al agregar nuevamente un helio-4 obtenemos 
manganeso-24. En la parte inferior lo que se ilustra es cómo la combinación de un 
núcleo de carbono-12 con uno de oxígeno-16 da como resultado silicio-28. La 
combinación de dos núcleos de oxígeno-16 da como resultado silicio-31 más un protón 
libre, y por último la combinación de dos núcleos de silicio-28 da como resultado hierro-
56. 
Imagen tomada de: 
http://boojum.as.arizona.edu/~jill/NS102_2006/Lectures/Massivestarevolution/17-17.jpg 
 
El primer isótopo de la “mano negra” 
En 1919 Rutherford logró obtener el primer isótopo no natural utilizando 
una fuente de partículas alfa que hizo incidir sobre nitrógeno normal 
(nitrógeno-14). Cuando las partículas alfa chocan con los núcleos de 
http://chemwiki.ucdavis.edu/@api/deki/files/16108/20.4.jpg
http://boojum.as.arizona.edu/~jill/NS102_2006/Lectures/Massivestarevolution/17-17.jpg
 
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 10 
 
nitrógeno 14 ocurre algo muy curioso: un protón y dos neutrones se 
quedan pegados al núcleo, mientras que el otro protón queda libre y sealeja del nuevo núcleo. Como se le agregó un protón al núcleo de 
nitrógeno, éste se convierte en un núcleo de oxígeno, pero al tener 
también otros dos neutrones, el núcleo en realidad es oxígeno-17. A partir 
de aquí los físicos comenzaron a utilizar fuentes de radiación para 
pegarles a otros núcleos y ver qué pasaba. 
El siguiente gran paso en el camino de la creación de isótopos lo 
dio Chadwick --alumno de Rutherfod-- cuando en 1932 le “robó” la 
primicia del descubrimiento del neutrón a los Joliot-Curie (ver "Los laureles 
del neutrón", en Cienciorama). En esencia, Chadwick mostró que al hacer 
incidir partículas alfa sobre núcleos de berilio, se genera una nueva forma 
de radiación con propiedades completamente nuevas, capaz de arrancar 
protones de otros núcleos; hasta ese entonces no se sabía que los 
núcleos podían perder protones. La explicación de Chadwick sobre los 
productos de la nueva y misteriosa radiación fue que eran partículas tan 
pesadas como los protones pero sin carga, y los bautizó como neutrones. 
 
Figura 4. Para que las partículas alfa puedan interactuar con otros núcleos deben tener 
suficiente energía, ya que de otra manera son incapaces de vencer la fuerza de repulsión 
eléctrica. Los neutrones, al carecer de carga, no perciben esta fuerza repulsiva y pueden 
interactuar más fácilmente. 
Imagen tomada de: http://chemwiki.ucdavis.edu/@api/deki/files/16110/20.6.jpg 
 
http://chemwiki.ucdavis.edu/@api/deki/files/16110/20.6.jpg
 
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 11 
 
Una vez obtenidas las fuentes de emisión de neutrones, se abrió 
completamente el camino para la creación de nuevos isótopos. La razón 
es que aunque se pueden crear algunos isótopos utilizando radiación alfa, 
el problema con las partículas alfa es que tienen carga y esto hace que 
muchos de los núcleos con los que podrían interactuar las alejen mediante 
repulsión electromagnética. En cambio, los neutrones, al no estar bajo la 
influencia de la carga eléctrica, se pueden acercar mucho más a los 
núcleos e interactuar con ellos. Así comenzó el juego de la creación de 
nuevos núcleos. 
 
Uno atrás del otro 
Una vez que se empezaron a producir nuevos isótopos, se comenzaron a 
descubrir muchas "familias de desintegración". ¿Familias de núcleos?, 
bueno, al principio la idea suena rara, pero es muy fácil de comprender: 
cuando se crean nuevos núcleos agregándoles neutrones, lo más seguro 
es que los tengan en exceso, sean inestables, se desintegren y den lugar 
a dos o más núcleos nuevos cada uno con un menor número de 
nucleones. Y como lo que está mal hecho difícilmente se arregla solo, 
suele suceder que los núcleos "hijos" también sean inestables y terminen 
expulsando algunas de sus partículas para convertirse en otros núcleos y 
así de manera sucesiva. 
Te muestro por ejemplo lo que pasa con el radio-226. Este isótopo 
del radio tiene una vida media de 1,602 años, y una vez cumplido este 
tiempo, la mitad de todos los núcleos iniciales se habrán convertido en 
radón-222, que tiene una vida media 3.8 días. En este lapso la mitad de 
estos nuevos núcleos se convertirá en astato-218 que dura sólo ¡15 
segundos!, y luego en radón-218 que tiene una instantánea vida media de 
35 milisegundos. Pero la cosa no para ahí porque el radón-218 se 
transforma en plomo-214 que se reaviva al tener una vida media de 26.8 
minutos, para transformarse en bismuto-214 que decae a los 19.9 minutos 
de vida media, después en polonio-214, con otro suspiro de 0.16 
 
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 12 
 
milisegundos, en talio-210 con 1.30 min, en plomo-210, que parece eterno 
con 22.3 años, de ahí en bismuto-210, con sólo 5.01 días, después en 
polonio-210, con 138.3 días, luego en talio-206, con 4.2 min y finalmente 
se transforma en plomo-206, que es un isótopo estable; o sea, que no se 
desintegra. De hecho, muchos de los isótopos conocidos se han observado 
como parte de estas cadenas de desintegración. 
Como vemos, hay todo un zoológico de núcleos descubiertos y otros aún 
por explorar y que suelen tener comportamientos bastante fuera de lo que 
estamos acostumbrados a pensar. 
 
Figura 5. Ejemplo de una cadena de desintegración. El plomo-212 se transforma en 
bismuto-212 mediante la emisión de una partícula beta. Posteriormente el bismuto puede 
convertirse en talio-208 o en polonio-212, dependiendo de que emita una partícula beta o 
una partícula alfa. En todo caso, tanto el talio-208 como el polonio-212 decaen y se 
convierten en plomo-208, que es un núcleo estable. 
Imagen tomada de: 
http://en.wikipedia.org/wiki/Decay_product#mediaviewer/File:Thorium_decay_chain_from_lea
d-212_to_lead-208.svg 
 
 
http://en.wikipedia.org/wiki/Decay_product#mediaviewer/File:Thorium_decay_chain_from_lead-212_to_lead-208.svg
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La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 13 
 
Si acaso has leído algo de la historia de la radiactividad (ver "La Regla de 
Oro" en Cienciorama) estas ideas te pueden clarificar qué es lo que 
estaban viendo los pioneros de la física nuclear. 
En esta ocasión te he presentado un pequeño panorama del mundo 
de los núcleos atómicos y cómo es que ellos tienen su propia tabla donde 
están organizados según sus características. Esta tabla es unas diez veces 
más grande que la tabla de los elementos químicos, y por ello sólo te 
pongo una sección en la figura 6. 
Te recomiendo que sigas investigando sobre esto, ya que aquí se 
encuentran escondidas historias tan apasionantes como el descubrimiento 
de la fisión y la fusión nuclear, las cuales han servido para crear bombas 
atómicas y centrales núcleo-eléctricas, además de que son el fundamento 
del funcionamiento de las estrellas. Por mi parte es todo, y como siempre 
les recuerdo, mantengan los ojos bien abiertos y hagan un montón de 
preguntas bien impertinentes. Hasta luego. 
 
Bibliografía 
 Bernard Fernandez, Unravelling the mystery of the atomic nucleus: a sixty year 
journey 1896-1956 (versión en inglés de Georges Ripka), Springer, Nueva 
York, 2013 
 Milorad Mladjenovic, The history of early nuclear physics (1896-1931), World 
Scientific, Singapur, c1992 
 F. Dahl. From nuclear transmutation to nuclear fission, 1932-1939, Institute of 
Physics, Bristol, c2002 
 Bernard Pullman, El átomo en la historia de la humanidad, Ediciones de 
Intervención Cultural, 2010 (traducción de Josep Sarret Grau. [Mataró]) 
 
 
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 14 
 
Figura 6. Aspecto de una sección de la tabla de los isótopos conocidos hoy en día.