Física nuclear 300px|right • Núcleo • Nucleones (p, n) • Materia nuclear • Fuerza nuclear • Estructura nuclear • Procesos nucleares
La física nuclear es una rama de la física que estudia las propiedades, comportamiento e interacciones de los núcleos atómicos. En un contexto más amplio, se define la física nuclear y de partículas como la rama de la física que estudia la estructura fundamental de la materia y las interacciones entre las partículas subatómicas.
La física nuclear es conocida mayoritariamente por el aprovechamiento de la energía nuclear en centrales nucleares y en el desarrollo de armas nucleares, tanto de fisión nuclear como de fusión nuclear, pero este campo ha dado lugar a aplicaciones en diversos campos, incluyendo medicina nuclear e imágenes por resonancia magnética, ingeniería de implantación de iones en materiales y datación por radiocarbono en geología y arqueología.
Historia thumb|left|Henri Becquerel thumb|En la década de 1920, las cámaras de niebla jugaron un papel importante como detectores de partículas, y condujeron al descubrimiento del positrón, del muon y del kaón
La historia de la física nuclear como disciplina distinta de la física atómica, comienza con el descubrimiento de la radiactividad por Henri Becquerel en 1896, realizado mientras investigaba la fosforescencia de las sales de uranio. El descubrimiento del electrón por Joseph John Thomson un año después supuso la confirmación de que el átomo tenía una estructura interna. A principios del , la imagen aceptada del átomo era el modelo del pudin de ciruelas planteado por J. J. Thomson, en el que el átomo era una bola cargada positivamente que contaba con electrones más pequeños cargados negativamente incrustados en su interior.
En los años siguientes, la radiactividad fue investigada exhaustivamente, en particular por Marie Curie (la conocida física polaca cuyo apellido de soltera era Sklodowska), Pierre Curie, Ernest Rutherford y otros. A principios de siglo, los físicos también habían descubierto tres tipos de radiación que emanaban de los átomos, a los que denominaron radiación alfa, beta y gamma. Los experimentos de Otto Hahn en 1911 y de James Chadwick en 1914 permitieron descubrier que el espectro de la desintegración beta era continuo en lugar de discreto, es decir, los electrones eran expulsados del átomo con un rango continuo de energías, en lugar de las cantidades discretas que se observaban en las desintegraciones gamma y alfa. Esto fue un problema para la física nuclear en aquel momento, porque parecía indicar que la energía no se conservaba en estas desintegraciones.
El Premio Nobel de Física de 1903 fue otorgado conjuntamente a Becquerel, por su descubrimiento, y a Marie y Pierre Curie por sus posteriores investigaciones sobre la radiactividad. Rutherford recibió el Premio Nobel de Química en 1908 por sus "investigaciones sobre la desintegración de los elementos y la química de las sustancias radiactivas".
En 1905, Albert Einstein formuló la idea de la equivalencia entre masa y energía. Si bien el trabajo sobre radiactividad de Becquerel y de Marie Curie es anterior a este planteamiento, la explicación de la fuente de energía de la radiactividad tendría que esperar hasta el descubrimiento de que el núcleo mismo estaba compuesto de constituyentes más pequeños, los nucleones.
Rutherford descubre el núcleo atómico En 1906, Ernest Rutherford publicó "Retraso de la partícula α de radio en su paso a través de la materia", y dos años después Hans Geiger amplió este trabajo en una comunicación a la Royal Society con experimentos que él y Rutherford habían realizado, haciendo pasar partículas alfa a través del aire, papel de aluminio y pan de oro. Geiger y Ernest Marsden publicaron más trabajos en 1909, y Geiger publicó un trabajo mucho más amplio en 1910. En 1911-1912, Rutherford se presentó ante la Royal Society para explicar los experimentos realizados y proponer la nueva teoría del núcleo atómico tal como se entiende en la actualidad.
Dado a conocer en 1909,H. Geiger and E. Marsden, PM, 25, 604 1913, citing, H. Geiger and E. Marsden, Roy. Soc. Proc. vol. LXXXII. p. 495 (1909), in, The Laws of Deflexion of α Particles Through Large Angles \\ H. Geiger and E. Marsden (1913), (publicado posteriormente en línea por –physics.utah.edu (Universidad de Utah)) Consultado el 13 de junio de 2021 (p.1):"....Sin embargo, en un artículo anterior, señalamos que las partículas α a veces giran con ángulos muy grandes..."(p.2):"..El profesor Rutherford ha desarrollado recientemente una teoría para explicar la dispersión de las partículas α con estos ángulos grandes, suponiendo que las deflexiones son el resultado de un íntimo encuentro de una partícula α con un solo átomo de la materia atravesada. En esta teoría se supone que un átomo está formado por una fuerte carga central positiva o negativa concentrada dentro de una esfera de menos de aproximadamente 3 × 10e–12 cm de radio y rodeada por electricidad del signo opuesto distribuida por el resto del átomo de unos 10e-8 cm de radio..." con el análisis clásico final de Rutherford publicado en mayo de 1911,"..that would become a classic technique of particle physics..." el experimento clave se realizó durante 1909* "experiment was conducted 1911" "...1909...a couple of years later..." "..1909..published – 1911.." "1911 performed " 1911 discovers: Leonard, P. and Gehrels, N. (November 28, 2009) A History of Gamma-Ray Astronomy Including Related Discoveries NASA Centro de Vuelo Espacial Goddard: Centro de Vuelo Espacial Goddard (HEASARC), Retrieved 13 June 2021 Rizvi, Eram – Quantum Mechanics and Particle Scattering Lecture 1 , p.9, pprc.qmul.ac.uk Queen Mary University of London: School of Physics and Astronomy – Particle Physics Research Centre, Retrieved 13 June 2021 "..by Rutherford.." rutherford/biographical , Premio Nobel, "..In 1910, his investigations into the scattering of alpha rays and the nature of the inner structure of the atom which caused such scattering led to the postulation of his concept of the 'nucleus'..." (Enlace roto: diciembre de 2023) en la Universidad de Mánchester. El profesor Johannes "Hans" Geiger (asistente de Rutherford), y el estudiante universitario Marsden, realizaron un experimento en el que Geiger y Marsden bajo la supervisión de Rutherford dispararon partículas alfa (núcleos de helio-4) contra una fina lámina de oro. El modelo atómico de Thomson predecía que las partículas alfa deberían salir de la lámina con sus trayectorias como máximo ligeramente desviadas. Pero Rutherford ordenó a su equipo que buscara algo que le sorprendió al ser observado: algunas partículas se dispersaron con grandes ángulos, incluso completamente hacia atrás en algunos casos. Lo comparó con disparar balas contra un pañuelo de papel y lograr que rebotasen. El descubrimiento, junto con el análisis de los datos realizado en 1911, condujo al modelo atómico de Rutherford, en el que el átomo tiene un núcleo muy pequeño y muy denso que contiene la mayor parte de su masa y consistía en partículas pesadas cargadas positivamente con electrones incrustados para equilibrar la carga (ya que se desconocía el neutrón). Como ejemplo, en este modelo (que no es el moderno) el nitrógeno-14 constaba de un núcleo con 14 protones y 7 electrones (21 partículas en total) y el núcleo estaba rodeado por 7 electrones más en órbita.
El experimento de Rutherford y el descubrimiento del núcleo (1911) Ernest Rutherford, junto con Hans Geiger y Ernest Marsden, llevó a cabo una serie de experimentos cruciales[^1]. Dispararon partículas alfa (núcleos de helio) contra una fina lámina de oro. Según el modelo del pudin de ciruelas planteado por J. J. Thomson[^2], esperaban que las partículas alfa atravesaran la lámina con pequeñas desviaciones. Sin embargo, observaron que una pequeña fracción de las partículas alfa se desviaba a ángulos muy grandes, ¡algunas incluso rebotaban! Esta observación inesperada llevó a Rutherford a proponer un nuevo modelo atómico donde la mayor parte de la masa y toda la carga positiva del átomo se concentraban en un volumen muy pequeño y denso en el centro: el núcleo. Los electrones orbitaban este núcleo, similar a planetas alrededor de una estrella, aunque con diferencias fundamentales que la mecánica cuántica revelaría más tarde. Este experimento marcó un punto de inflexión, separando la física nuclear del estudio del átomo en su conjunto.
Eddington y la fusión nuclear estelar Alrededor de 1920, Arthur Stanley Eddington anticipó el descubrimiento y el mecanismo de los procesos de fusión nuclear en las estrellas, en su artículo La constitución interna de las estrellas. En aquella época, la fuente de energía estelar era un completo misterio, y Eddington especuló correctamente que su origen era la fusión del hidrógeno para formar helio, liberando una enorme energía según la ecuación de Einstein E= mc2. Este fue un avance particularmente notable, ya que en ese momento aún no se habían descubierto la fusión y la energía termonuclear, ni que las estrellas están compuestas en gran parte por hidrógeno (véase metalicidad).
Estudios sobre el espín nuclear El modelo de Rutherford funcionó bastante bien hasta que Franco Rasetti llevó a cabo estudios sobre el espín nuclear en el Instituto Tecnológico de California en 1929. En 1925 se sabía que los protones y los electrones tenían cada uno un espín de . En el modelo de Rutherford del nitrógeno-14, 20 del total de 21 partículas nucleares deberían haberse emparejado para cancelar el espín de cada una, y la última partícula impar debería haber abandonado el núcleo con un espín neto de . Rasetti descubrió, sin embargo, que el nitrógeno-14 tenía un espín de 1.
James Chadwick descubre el neutrón
En 1932 James Chadwick se dio cuenta de que la radiación que había sido observada por Walther Bothe, Herbert Becker, Irène y Frédéric Joliot-Curie en realidad era debida a una partícula neutra de aproximadamente la misma masa que el protón, a la que llamó neutrón (siguiendo una sugerencia de Rutherford sobre la necesidad de tal partícula). En el mismo año, Dmitri Ivanenko sugirió que no había electrones en el núcleo, solo protones y neutrones, y que los neutrones eran partículas con espín , lo que explicaba que la masa no se debía únicamente a los protones. El espín del neutrón resolvió inmediatamente el problema del espín del nitrógeno-14, ya que el protón desapareado y el neutrón desapareado en este modelo contribuyeron cada uno con un espín de en la misma dirección, dando un espín total final de 1.
Con el descubrimiento del neutrón, los científicos pudieron por fin calcular qué fracción de energía de unión tenía cada núcleo, comparando la masa nuclear con la de los protones y neutrones que lo componían. De esta forma se calcularon las diferencias entre masas nucleares. Cuando se midieron las reacciones nucleares a partir de 1934, se encontró que concordaban con el cálculo de Einstein de la equivalencia de masa y energía con una precisión del 1%.
Ecuaciones de Proca del campo masivo de bosones vectoriales Alexandru Proca fue el primero en desarrollar e informar sobre las ecuaciones de campo vectoriales bosónicas de la masa y sobre una teoría mesónica del campo de fuerzas nucleares. Las ecuaciones de Proca eran conocidas por Wolfgang PauliW. Pauli, Nobel lecture, December 13, 1946. quien las mencionó en su discurso del Nobel, y también las conocían Yukawa, Wentzel, Taketani, Sakata, Kemmer, Heitler y Fröhlich, quienes apreciaron el contenido de estas ecuaciones para desarrollar una teoría de los núcleos atómicos en la física nuclear.G. A. Proca, Alexandre Proca.Oeuvre Scientifique Publiée, S.I.A.G., Rome, 1988.
Yukawa postula que los mesones mantienen unidos los núcleos