PARTÍCULA DEL NÚCLEO ATÓMICO CON CARGA POSITIVA

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SÍRIO J.B. CANÇADOSolía imaginarse al átomo como un minúsculo sistema planetario dentro de el como el centro desempeña los papel del la estrella y los electrones representar a ese planetas. Dentro de esa conformada – se sabe hoy dia ingenua – todo los dinamismo ellos cabría a los electrones, mientras que ns núcleo estaría una isla de tranquilidad, residencia por protones y neutrones inmóviles, qué si estuvieran pegados unos uno otros. La realidad no podía ser más diferente.

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El núcleo es, a decir verdad, una constituyen extremadamente turbulenta, cuyas partículas se mueven e interactúan no tener cesar. Dentro esta agitación ininterrumpida, hay movimientos caóticos que desafían cualquier previsión. Pero en condición especiales como las producidas por un poderoso campo electromagnético, existe situaciones específicas ese excitación, dentro las qué protones y neutrones danzan organizadamente. En una de estas condición – llamada telefónica resonancia enormes – todas los partículas ese núcleo vibran coherentemente al lo mismo, similar tiempo. A trío de investigadores del Instituto de Física ese la commmratly de São Paulo (USP), dentro colaboración alcanzar especialistas de la comprar Federal después Río después Janeiro (UFRJ) y después Instituto Tecnológico después la Aeronáutica (ITA) de São José dos Campos, acaba después formular laa teoría para explicar la intrincada dinámica de este fenómenos que los físicos están tratando entender de los años 50.

Naturales y exóticos Integrado por der profesores Mahir Saleh Hussein, Antonio Fernando del Toledo Piza y Maurício Porto Pato, los equipo del la USP alguno se limitó un ecuacionar ns oscilaciones átomo colectivas después los artículos de la naturaleza. Junto a Luís Felipe Canto, del la UFRJ, y Brett Vern Carlson, ese ITA, el grupo explicó ~ los extraños movimiento que suceden dentro de los núcleos llamados exóticos, que ellos eran producidos dentro de laboratorio y sí un número del neutrones (partículas no tener carga eléctrica) menos o más alto que el normal y solo duran laa ínfima fracción del segundo. Aun participan en etapas fundamentales dentro la evolución de los estrellas, de allí la importancia ese estudiarlos.

En el transcurso del proyecto temático llamado simplemente físico Nuclear Teórica, lo abrí entre mil novecientos noventa y siete y ns final del año pasado, der investigadores publicaron cincuenta y nueve artículos en revistas internacionales, nueve del ellos dentro de la Physical review Letters. Por ahora ellos se lanzan dentro un emprendimiento hasta luego ambicioso: extender los concepto elaborados un partir del núcleo atómico al movimiento sincronizado de átomos y moléculas. En aquel campo además amplio, centran su atención en dos objetos ese gran atención científico y tecnológico: ns moléculas llamadas buckyballs (estructuras geodésicas perfectas formadas por sesenta átomos de carbono) y ese condensados ese Bose-Einstein (gases atómicos enfriados hasta cerca de cero absoluto).

La gran hazaña ese equipo asciende el momento era producir la a teoría los abarcara tanto ns balet simple ese las partículas nucleares a lo largo de su excitación grupo como la agitación caótica que se instala a posteriori. La volumen de lidiar con el caos es la principal diferenciables entre el nuevo abordaje y el antiguo modelo explicativo (lea ns cuadro), que acabó funcionó bien mientras la estar comprometido en que produce der movimientos coordinados después protones y neutrones se limitó a su valores mínimo, los corresponde a 1 quantum. Concepto creado al bocadillo del siglos XX hacía describir ese movimientos oscilatorios en micro y macroescala, el quantum denominaciones una medida ese energía que depende de la frecuencia ese la oscilación del movimiento. Existen investigaciones del nivel estar comprometido en de uno quantum son de los años 50, si los físicos del proyecto aún aumentaron los pupitres escolares. Hasta que, dentro de el empezado de la década del 90, un equipo de acelerador ese partículas ese la Gesellschaft für Schwerionenforschung,o empresa de Investigación del Iones pesado (GSI), después Darmstadt, Alemania, logró emitir excitaciones colectivas con 2 quantade energía. Fue después que la antigua teoría padeció un vuelco.

Para para producir la excitación grupo en ns acelerador de partículas, eliminar necesario apresurar haces después núcleos y de hacerlos colisionar. Ns poderoso campo electromagnético crear por la aproximación del los núcleos acción entonces encima los componentes nucleares. “Los fotones (partículas portadoras del paisaje electromagnético) se acoplan a der protones (partículas de carga eléctrico positiva), desplazándolos colectivamente hacia el mismo lado. Y ese neutrones compensan ese desplazamiento moviéndose hacia el lado opuesto, del modo luego de guardar una esencial grandeza física, los momento o al gusto de movimiento”, dice Hussein. Protones acá, neutrones allá, los corpúsculos realizar su balet sincronizado.

Los experimentadores después la GSI alcanzaron la meseta de dos quanta, la escenario siguiente después movimiento coordinado, imprimiendo un núcleos extremadamente pesados – plomo, estaño, xenón, oro, uranio – una aceleró extremadamente elevada: 900 millones de electrones -volts (MeV) vía partícula (ésa es la unidad ese energía empleada en Física Nuclear: la masa de protón o del neutrón eliminar de aproximadamente 1.000 MeV). Realizado en un aparato denominado floor (Large edge Neutron Detector), ese se encontrar al final después acelerador del partículas de GSI, los experimento ocurran exactamente qué estaba suministro desde ns punto del vista cualitativo. Sin embargo, cuándo se tomaron los medidas cuantitativas, se verificó que los cuentas alguno se correspondían con las estimativas teóricas famoso en el antigua modelo atómico. Toledo Piza explica ns porqué: “Esto se derecha a que esta tipo ese excitación es un fenómeno exageradamente fugaz. Ns partículas átomo vibran apenas dos o tres veces dentro de conjunto. Después, la energíase disipa, produciendo movimientos caóticos. Y los pecado ese la viejo teoría consistía en alguna saber lidiar alcanzan este elemento ruidoso”.

Cuando el entrada energético quedaba dentro la marcos de uno quantum, no tenía más alto consecuencias, causado los analista centraban ns foco en las doble o tres vibraciones colectivas y lo que venía después no formaba parte del la cuestión: era qué un residuo descartable. Si el equipo de GSI conquistó el nivel de 2 cuanta, se logrado imposible escamotear la complicación del problema.

Ruidos dentro de el sendero Ése era los estado del letras cuando los equipo brasileiro entró en escena. Estudiando a fondo la cuestión, ese físicos percibieron que ese sistemas ese partículas nucleares alguno respondían a der saltos después energía tan sencillamente como se presuntamente según el modelo anterior. “Protones y neutrones”, apocalipsis de Hussein, “no evolucionaban de estado fundamental que caracteriza los núcleos encontrados dentro de la criatura al estado excitado de 1 quantum, y en ~ allí, ordenadamente hacia el estado de dos quanta. Había ruidos dentro de el medio de camino. Y los efecto de esos ruidos debía oveja computado. Causado el lunes quantum de energía excitaba ns partículas ya dotadas después movimiento caótico producido de la disipación del primero.”En es diferente palabras, aquello que en los antiguo experimentos de uno quantum podía ser tratado qué residuo descartable, hoy dia marcaba la diferencia. Alcanzan recursos matemáticos sofisticados, der investigadores brasileños ellos trataron de construir una teorías completa, capaces de acomodar tanto los oscilaciones colectivas qué los simpatía caóticos.

La tarea fue exitoso a punto tal que hoy dia los investigadores alemanes del la GSI colaboran activamente con el equipo después la USP, al coordinación cronometrada que se preparan para un vuelo experimental además alto: el aprender de excitaciones al la licenciatura de 3 quanta. “No denominaciones una deber fácil”, anticipa thomas Aumann, uno ese los investigadores da GSI que trabaja en colaboración con los físicos después la USP. Cuánto mayor es el nivel ese energía, qué es más rápido y ruidoso se torna ns proceso, lo ese exige del los experimentadores estupendo pericia y equipamiento muy especial.

“El modelo ese la USP puede hacer prever el estado de 3 quanta, y personalmente creo que regalo realmente la a vibración de tres fonones”, comenta Aumann. El fonón equivale al quantum, la unidad ese energía del la física cuántica. “Pero como físico experimentar prefiero observar esta situación y compararla alcanzar la teoría de la USP.”En la franja ese los 2 quanta, todos los elementos investigados se encuadraron a la perfección en la teoría ese equipo ese la USP, excepto ns xenón, que – vaya a saber porqué – semeja resistir a no norma teórica. “Creemos que él se debe qué es más a alguna peculiaridad aún desconocida de núcleo después elemento que a ocasionales deficiencias de nuevo modelo”, pondera Porto Pato.

Nuevo proyecto ns grupo ser realmente confiado dentro la universalidad del la nueva teoría y, concluido el primer proyectos temático, ya ha iniciado el segundo, alcanzar miras un extender los mismos conceptos a otros agrupamientos después corpúsculos: ese buckyballs y los condensados del Bose-Einstein.

Según el físico indio Jagadis Chandra Bose (1858-1937) y el alemanes naturalizado nosotros Albert Einstein (1879-1955), dentro temperaturas próximas al cero absoluto, ese átomos que componen determinado tipo después gas se condensan y ocurrir todos un ocupar ns estado cuántico ese menor energía, hasta luego estable, en el cual permanecen casi parados. Esos condensados fueron obtenidos recientemente de un grupo del físicos franceses, alemanes e italianos, que noticiaron el verdad en la diario Science del 20 de abril.

Los investigadores después la USP estudian la capacidad de crear condensados híbridos, en los cuales pares ese átomos se convertir en moléculas y viceversa. “En los caso, podría haber una oscilación colectiva, del átomos contra moléculas, lo mismo, similar a la los ocurre todos los componente del núcleo”, afirma Toledo Piza. “Lo interesante”, agrega, “es que esta sistemas quizás ser muy grande – con quinientos mil átomos y alcanzando el talla de uno micrón, instancia – y, todavía así, exhibir un acción cuántico”. Denominada decir, un comportamiento de partículas subatómicas.

La descripción del este fenómeno denominaciones aún más compleja los la ese las oscilaciones nucleares, causada mientras que dentro de el núcleo el número después protones y neutrones permanecer constante, en los condensados híbridos existe una cambio permanente del la al gusto de átomos y moléculas, de unos se convierten dentro otros.

“Estamos interesados demasiado en establecer un vínculo alcanzan los físicos experimentales dela USP dentro São Carlos, coordinados por los profesor Vanderlei Bagnato, que está procurando para producir condensados de átomos de dos artículos diferentes: el rubidio y el sodio”, dice Hussein.Las aspecto de apps tecnológica ese esas investigaciones son muy prometedoras. El estudio de átomos fríos ha redundado, por ejemplo, en un mejorando enorme dentro de las mediciones después tiempo. Gracias a proverbio estudio, la precisión con la los se determina el coordinación cronometrada hoy denominada de 1 en cien trillones (el número 1 seguido de 17 ceros), lo que equivale a dar un error de cinco segundos en la edad del universo.

La preocupación dentro alimentar el trabajo experimental eliminar constante. La segunda parte de la investigación, dedicada a los núcleos exóticos, equivale a un fuerte empujón dentro la física experimentar desarrollada dentro de Brasil. Hacia entender cual son aquellos núcleos, cabe considera el circunstancias del litio. Ese núcleos ese litio encontrado en la criatura están constituidos de tres protones y cuatro neutrones. Por a él este elemento denominada conocido qué litio 7, los número después sus partículas nucleares. Pero vía fragmentación de oxígeno denominada posible fabricar un litio 11, alcanzar cuatro neutrones más.

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Núcleo gracioso El nuevo centro tiene característica extrañas. Empezar por su tamaño: soy de peso a estar constitutivo solamente por once partículas, los mismo eliminar enorme, case tan amplio como el del plomo, compuesto por 82 protones y ciento veintiseis neutrones. “Esto se debe a un efecto cuántico que hacer que, después los 4 neutrones adicionales, tan acabó dos queden confinados en el bajas espacio ocupado por los siete partículas ese núcleo básico. Der otros dual pasan uno moverse rodeando de esta carozo ese nueve partículas, en un halo relativamente distante después centro”, explica Porto Pato. De allá la hinchazón del núcleo.

Pero los tamaño alguna es todo. Igualmente extravagante denominaciones la danza colectivo de esas partículas cuando el núcleo sufre la movimiento de un paisaje electromagnético. Dentro de este caso, dual modalidades después vibración que se combinan: los tres protones se desplazan contrario los seis neutrones en el carozo; y ns carozo perfecto se desplaza contra los doble neutrones de halo. La primero oscilación eliminar rápida, típica del un cuerpo relativamente rígido, y la segundo lenta, acorde a uno a sistema blando.

Por qué es más intrincados los parezcan, esos movimientos compuesto son, en realidad, más simples que los oscilaciones colectivas producidas dentro el laboratorio después la GSI. Porque la vibración uspory del carozo contrario el halo tiene muy poco energía. “Son estados del un quantum apenas. Del manera que, en ellos, ese movimientos caóticos provocados vía la disipación ese la enérgico se tornan irrelevantes”, comenta Toledo Piza. Como circunstancias particular, ns oscilaciones de los núcleos exóticos pudieron ser con perfección descritas vía la nuevo teoría, sin los fuera necesario utilizar todo el mundo el instrumento matemático que los modelo contiene.

Éste denominada un aprendizaje especialmente relevante dentro el dominio ese la dinámica estelar. Uno ese los objetos después interés, dentro este caso, denominada el boro 8, que combinar dos neutrones menos que ns boro normal. “En el Sol, ese núcleo exótico decae, produciendo ns berilio 8, los a su vez, se desintegra en dos partículas alfa (constituidas por dual protones y doble neutrones)”, explicación Hussein. “En ns decaimiento después boro 8, se produce supuestamente la liberación de un neutrino – partícula elemental ese la misma catalogado (leptón) después electrón – después energía alta. Conociendo consta este núcleo, pueden podamos explica por cuales el número del neutrinos detectado en la país es aproximadamente la caminante del entregar por ns modelo estándar de la evolución solar.”

Las solicitud de la nueva teoría ellos eran amplias, aun esto alguna es todo. Los proyecto ya ha puesto a Brasil en sintonía alcanzan el hacer internacional dentro física nuclear y atrajo uno la USP s cuatro posdoctorandos: ns inglés Adam Sargeant, ns japonés Manabu Ueda, los ruso Oleg Vorov y el chino naturalizado brasileño Chi-Yong Lin. Etc desdoblamiento fue la actualización del conferencia internacional collective Excitation of Bose y Fermi Systems, coordinado por der miembros ese equipo y auspiciado la ciudadcompartida.org en 1998, que contó alcanzar la participación después físico williams Phillips, ganador del respuesta Nobel después 1997. Alcanzan esos antecedentes, es comprensible la expectativa alrededor de los próximos pasos después grupo, que por ahora coloca su mira sobre las agrupaciones después átomos y moléculas.

La teoría de la Antigüedad 

Desde hace cuando menos tres milenios, el hombre intenta develar ns microcosmos de la materia 

La concepción de nuclear se regreso a las qué es más antiguas escuelas filosóficas indias: los sistema Vaisesíka – nombre derivado ese sánscrito visesas, “individualidad atómica” – postuló su existencia hace cuales menos que 2.800 años y, probablemente, ~ ~ heredado ese concepto del un final aún qué es más remoto. Trastorno lo recibimos después Leucipo y su discípulo Demócrito, filósofos griegos después siglo V a.C.

La embarazada griega de átomo como fracción mínima e indivisible después la materia experimentó una básico transformación dentro de 1897, alcanzan el descubrir experimental después electrón por parte del físico inglés Joseph hombre Thomson (1856-1940). Alcanzan base en ese hallazgo y dentro el dato de que der átomos ellos eran eléctricamente neutros, Thomson supuso que éstos contuvieran un segundo componente para contrabalancear la carga después los electrones. De allá surgió su modelo del átomo qué un budín después pasas ese uva: laa carga positiva, distribuida uniformemente, formaría la masa de budín, mientras los electrones, salpicados aquí y allí, serían los pasas ese uva. Un modelar sabroso, aun que alguno resistió un la observación.

Bombardeo felicidad observación es decir realizada por ns neocelandés Ernest rudder ford (1871-1937) dentro de 1910. Los partículas alfa (que hoy sabemos lo es formadas por doble protones y doble neutrones) acababan de ser descubiertas, y rudder ford resolvió apalancamiento esos minúsculos proyectiles, liberados dentro de procesos radioactivos, para persecucion la intimidad del átomo. Bombardeando laa finísima lámina después oro alcanzan un haz después partículas alfa, verificó ese la mayoría ese los corpúsculos atravesaba a hoja prácticamente sin desviarse, al paso que unos pocos se convirtió violentamente rebatidos.

Concluyó que der átomos ese la hoja se estructuraban qué diminutos sistemas planetarios. La más alto parte de su espacio doméstica permanecía vacía, atravesada sin problemas por los partículas alfa. La carga positiva se concentraba en un centro central, actuado por el rebatimiento después parte de los corpúsculos. Separados de la carga positiva por ns vacío, los electrones giraban rodeando del núcleo qué planetas en torno de una estrella.

Compatible con los cifras experimentales y fácil de cantidad representado gráficamente, ns modelo del Rutherford tenía ~ la virtud de llevar a der espíritus la reconfortante idea del que un lo mismo, similar modelo de anfitrión se reproducía en las estructuras después universo, después microcosmos al macrocosmos. No tener embargo, demostrado un importante defecto.

Según la físicamente clásica, cargas dentro de movimiento emiten radiación electromagnética y, al hacerlo, pierden energía. Es contar que ese electrones dentro de tránsito candelero tener una flash en continua disminución, y debido a ello, describir órbitas cada tiempo menores. Dentro de una fracción ese segundo, éstos se chocarían anti los núcleos, alguna sobraría ningún átomo dentro el universo, ni estaríamos acá para conde la historia. Mentes conservadoras descartarían esta modelo dentro nombre del las bien leyes ese la física. Alguna fue lo que hizo ns joven físicamente danés Niels Bohr (1885-1962), que en mil novecientos doce se juntó al equipo después Rutherford dentro la commmratly de Cambridge.

Salto cuántico dentro una jugada ese genio, Bohr incorporó al modelo planetario de Rutherford el idea cuántico del energía, formulado dentro de el empezó del siglo vía Max Planck (1858-1947). Según los concepto, la energía no es un profesional continuo, como había pensado la físico clásica, de lo contrario un fluir discontinuo ese “granos”, cantidad mínimas alguno fraccionables llamada telefónica quanta (plural ese quantum dentro latín). El propio Planck no tomaba esta idea muy dentro de serio y demostrar la había utilizado como artificio matemático. Aun Bohr se aferró a ellos y, después ~ meses del cálculos, produjo los primer como modelo cuántico de átomo. En éste existen órbitas precisas dentro de las cuales el electrón se mueve sin actores radiación. El convocara de energía con el medio solo ocurre cuando el electrón “salta” después una del esas órbitas estacionarias un otra. Aquel “salto cuántico” denominada uno del los aspectos hasta luego revolucionarios del nuevo modelo: sin aprobar por el “espacio intermedio”, el electrón sencillamente desaparece ese su órbita original para aparentar instantáneamente dentro de la otra.

En 1913, Thomson descubierto que un elemento química podía haber átomos con la misma carga eléctrica y dimensiones diferentes, llamados isótopos. La existencia después éstos propuesta que, además de esto de partículas negativas (electrones) y positivo (protones), los átomos debían almacenamiento un tercer tipo después corpúsculo, neutro, pero macizo. Rutherford lo llamó a esta partícula neutrón, mas su existencia solo fue probada experimentalmente por los inglés jaime Chadwick (1891-1974), dentro 1932. Alcanzar masa parcialmente próxima a la del protón, ns neutrón compone con éste ns núcleo atómico.

Fuerte interacción Sabemos el día de hoy que ns núcleo es de diez mil a 100 mil veces menor que el átomo. Dependiendo de número ese partículas que contenga, su diámetro límite oscila adelante 10-15 y 10-14 metro. Los volumen consecuente es tan exiguo que nos puede captura a la falsa idea después que los protones y los neutrones estarían de forma fácil exprimidos dentro de su interior, existencia incapaces después menor movimiento. Pero alguno es él lo que ocurre. Éstos disponen, la verdad, del espacio apropiado para crecimiento velocidades del orden ese los treinta mil quilómetros por segundo, la décimo parte de la velocidad después la luz. Y como sucede alcanzar el privado átomo, se distribuyen dentro de una inventar en capa que se rige por comienzo cuánticos. Su confinamiento en una zona tan minúscula se debiera ser a la llama interacción fuerte, que evitar que los núcleo se astille vía efecto ese la repulsión electromagnética entre los protones. La intensidad ese esa fuerza denominaciones de 100 a 1.000 veces superior a la después la interacción electromagnética. Pero su alcance es exageradamente limitado: no qué es más que 10-15 m, entretanto que la fuerza electromagnética se propaga indefinidamente.

Esa interacción fuerte, que dentro de su reducido campo de actuación es la fuerza qué es más poderosa del la naturaleza, combinan otra extraña peculiaridad: sale de de ser atractivo para cantidad repulsiva cuándo las partículas se aproximan demasiados entre sí. Eso permite los mantenga ns núcleo cohesionado, y al lo mismo, similar tiempo, evita que protones y neutrones se aplasten unos contrario otros. Der físicos creen además de esto que ésta es responsable por la propio existencia después los protones y neutrones, son de mantiene aprisionados dentro su interior a ese corpúsculos aún menores que ese constituyen: der quarks, ese existencia fue postulada en la década del 60 por los norteamericano Murray Gell-Mann (1929-).

Según los modelo estándar vigente dentro la física después partículas, lejos de ser minúsculas esferas desprovistas de formulario interna, ese protones y neutrones se asemejan hasta luego a ínfimos pero turbulentos océanos. En cada uno de éstos, tres quarks se mueven a altísima velocidad dentro de medio a la a nube formada por gluones, partículas portadoras de la interacción forte.

Dentro de esa nube, fluctuaciones ese energía hacen que pares de quarks y antiquarks se materialicen y desmaterialicen incesantemente, sobreviviendo de tan acabó fracciones ese segundo.

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Ese flujo ininterrupido ya obtención comparado alcanzar una tempestad en el interior del una gota, fotografías que representa adecuadamente el dinamismo del mundo atómico y subatómico, donde cuales hay lugar para ns reposo o la permanencia.