Los núcleos de oxígeno pueden tener forma de barra.

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.

Referencia:

Ichikawa, T., Maruhn, J., Itagaki, N., & Ohkubo, S. (2011). Linear Chain Structure of Four-α Clusters in ^{16}O Physical Review Letters, 107 (11) DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.112501