Radioactividad

Nucleos atómicos con protones (en rojo) y neutrones (en azul)

El objetivo principal de la física es investigar y explicar las leyes básicas de la naturaleza, de la cual dependen todos los fenómenos físicos. Lo más normal seria que esto fuera una misión imposible, pero resulta que no, la naturaleza se comporta de forma más sencilla en la realidad que en nuestra imaginación. Todo lo que observamos en el universo se encuentra sometido a solamente cuatro fuerzas. Que en un principio es solamente una, o al menos esto pretende explicar la Teoría de Gran Unificación. Estas fuerzas son la fuerza Fuerte, Electromagnética, Débil y Gravitatoria. Para entender que es la radioactividad solamente nos interesan la fuerza Fuerte y la Electromagnética. En la tabla siguiente encontraran las cuatro fuerzas en orden de mayor a menor intensidad

Si se fijan en la fuerza fuerte, esta es 100 veces mayor que la electromagnética, de ahí su nombre, es la fuerza más fuerte que existe. Pero a diferencia de la electromagnética solamente puede actuar dentro de un radio de acción de 0,000000000000001 metros. A diferencia de la electromagnética que actúa siempre, eso si, su intensidad disminuye con el cuadrado de la distancia.
Existe otra diferencia muy importante, la fuerza electromagnética puede ser atractiva o repulsiva. Entre cargas iguales es repulsiva y entre cargas diferentes es atractiva. En cambio la fuerza fuerte es siempre atractiva y así tiene que ser para mantener la estabilidad del núcleo atómico y consecuentemente de toda la materia. El núcleo atómico esta formado por protones, de carga positiva y neutrones, sin carga eléctrica. Los protones se encuentran sometidos a la repulsión de la fuerza electromagnética, para que esta fuerza de repulsión no destruya el núcleo atómico tiene que existir otra fuerza mucho más intensa que la electromagnética y que mantenga unido a los protones y neutrones del núcleo. Esta es la fuerza nuclear, que la denominamos fuerza nuclear fuerte. La característica de esta fuerza nuclear fuerte es que es atractiva y interacciona solamente dentro del núcleo, recordemos que su distancia de acción es muy pequeña. A distancias mucho menores que su alcance parece ser que es repulsiva, pero ahora nos desviariamos del tema de la radioactividad. Además esta interacción actúa entre protones y protones, neutrones y neutrones y entre protones y neutrones. Por supuesto, los neutrones al no tener carga eléctrica solamente notan la fuerza nuclear fuerte, en cambio los protones al tener carga positiva notan la fuerza de repulsión electromagnética y la fuerza de atracción nuclear fuerte. No pasa nada mientras la distancia entre los protones sea menor que 0,000000000000001 metros, la fuerza dominante es la atractiva y el núcleo se mantiene estable.
Los diferentes elementos se forman añadiendo protones en el núcleo atómico (ver la imagen inicial), pero a medida que el núcleo va creciendo aumenta su volumen y por supuesto su radio (imaginemos que es como una esfera). Al colocar más protones aumenta la fuerza de repulsión electromagnética, pero no pasa nada, la naturaleza es sabia y al ir creciendo el número de protones aumenta más el número de neutrones. Es decir, los neutrones actúan como pegamento, a más protones mucho más pegamento. Con todo esto, resulta que los núcleos grandes contienen más neutrones que protones. Pero al ir añadiendo protones y neutrones llega un momento que el diámetro nuclear es mayor que la distancia de acción de la fuerza nuclear fuerte. Esto es cuando el diámetro nuclear es mayor que los 0,000000000000001 metros. Para hacerse una idea de cómo están apiñados los protones y neutrones en el núcleo, la densidad nuclear es del orden de 10^15 veces mayor que la densidad del agua. Nos indica también que la materia está esencialmente vacía, los electrones se encuentran muy lejos del núcleo y casi no aportan masa ya que la mayor parte de la masa del átomo se encuentra concentradísima en el núcleo.

Cuando el tamaño nuclear supera los 60 protones y neutrones se vuelve inestable. Los protones mas alejados solamente notan la fuerza de repulsión electrostática, la fuerza nuclear fuerte no los alcanza, y salen despedidos del núcleo en direcciones opuestas. El núcleo se desintegra, aparece la radioactividad. Esto sucede a partir del núcleo de hierro, que tiene una masa nuclear de 56. Por decirlo muy a la brava, todos los átomos a partir del hierro son radioactivos.
En la siguiente imagen se observa el núcleo (color gris) los protones y neutrones dentro del radio de acción de la fuerza nuclear fuerte, pero hay dos protones que se encuentran más lejos y solamente interaccionan mediante la fuerza de repulsión. Estos protones saldrán expedidos del núcleo.

El equilibrio de los núcleos grandes es muy frágil y se puede romper añadiendo solamente un neutrón, esto provocará la desintegración del núcleo y la liberación de una gran cantidad de energía. Quien produce esta energía? La fuerza electromagnética. Fíjense que lo que denominamos energía nuclear no proviene de la fuerza nuclear, proviene del núcleo atómico pero producido por las fuerzas electromagnéticas.