Uno puede pensar que los núcleos atómicos son, simplemente,
esféricos. Y, sin embargo, no es una cuestión tan sencilla. Una
regla simple es que para núcleos grandes la esfericidad es una
aproximación bastante buena y, a efectos prácticos, es como si
protones y neutrones fuesen canicas que intentasen ocupar el mínimo
espacio posible, dando como resultado una distribución más o menos
esférica: desde un huevo a una esfera propiamente dicha. Pero, ¿qué
pasa con los átomos ligeros? Con éstos las formas pueden variar...y
mucho.
Un equipo de investigadores encabezados por Takatoshi Ishikawa, de
la Universidad de Kyoto (Japón), ha calculado que un núcleo que
gire rápidamente de oxígeno-16 podría adoptar una forma lineal
consistente en partículas alfa en fila. Este hecho es importante a
la hora de explicar las velocidades de nucleosíntesis en el interior
de las estrellas, pues de la forma del núcleo depende la
probabilidad de impacto de los neutrones y otros núcleos. Los
resultados se publican en Physical Review Letters.
Para poder entrar un poco en materia nos será útil tener en
mente algún modelo del núcleo, de los, al menos, 37 existentes. Si
tenemos que elegir, nos decantamos para los que nos interesa por el
modelo de gota líquida, que propuso George Gamow pero que calcularon
por primera vez con detalle Niels Bohr y John Wheeler. En este modelo
el núcleo se asimila a una gota líquida que rota, en la que se
establece un equilibrio entre las fuerzas electromagnéticas de largo
alcance repulsivas entre protones y las fuerzas nucleares de corto
alcance atractivas, lo que resulta en algo similar a las tensiones
superficiales de las gotas líquidas de diferentes tamaños.
Como consecuencia de una colisión que, en vehículos, llamaríamos
frontolateral dos núcleos pequeños pueden fusionarse y dar como
resultado un núcleo mayor que gira rápidamente. Como consecuencia
de este giro la esfera habitual puede parecerse a una elipse. Los
experimentos señalan que los elementos pesados pueden llegar a
deformarse de esta manera hasta alcanzar ratios longitud-anchura de
2:1 y hasta de 3:1. Pero para los elementos ligeros como el carbono o
el oxígeno ha habido indicios de que podrían existir estados muy
deformados, pero sin ninguna confirmación experimental.
Para simplificar los cálculos teóricos se considera
habitualmente que el núcleo está formado por partículas alfa, dos
protones y dos neutrones (un núcleo de helio-4, vamos), que actúan
como una unidad. Es obvio que si se consideran los nucleones
(protones y neutrones) individualmente los cálculos se complican
exponencialmente pero las simulaciones serán más realistas. Esto es
lo que ha hecho el equipo de investigadores, aprovechando unas
mejoras recientes en los métodos, en concreto del Hartree-Fock, que
se emplea para determinar funciones de ondas cuánticas para muchos
cuerpos, en el estudio del núcleo de oxígeno-16. Los investigadores
también aproximaron los valores de la fuerza nuclear fuerte
describiendo las interacciones entre nucleones como fuerzas de
Skyrme. Con todo esto los científicos generaron un modelo
tridimensional de la densidad de nucleones que mostraba la forma que
adquiría el núcleo en distintas condiciones.
A frecuencias rotacionales menores de 1,5 MeV/ℏ
el núcleo se mantiene esférico. Sin embargo, si la frecuencia sube
a valores próximos a 2 MeV/ℏ el
núcleo se estabiliza en una configuración de cuatro partículas
alfa en línea [véase la imagen]. Si el núcleo rota más rápido,
se rompe. Nunca se había demostrado en ningún cálculo que una
estructura lineal pudiese ser estable, aunque algunos teóricos
habían predicho su existencia. Análisis posteriores mostraron que
una colisión entre dos núcleos de berilio-8 podría dar lugar a un
oxígeno-16 con esta forma, lo que podría estar ocurriendo en el
interior de las estrellas.
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