¿Qué mantiene a los átomos juntos?

Escrito por andrew breslin | Traducido por mariano salgueiro
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¿Qué mantiene a los átomos juntos?
La fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética son el pegamento que mantiene a los átomos juntos. (Jupiterimages/Photos.com/Getty Images)

Probablemente una de las primeras cosas que hayas aprendido en tu educación científica es que las cargas opuestas se atraen y que las cargas iguales se repelen entre sí. El modelo planetario de Niels Bohr tiene núcleos cargados positivamente rodeados por electrones cargados negativamente. Las partículas de carga opuesta se atraen una a otra, en analogía con la atracción de la gravedad entre el sol y sus planetas satélites. Esta descripción extremadamente simplificada es, por lo menos, satisfactoria para explicar por qué los electrones se mantienen zumbando alrededor del núcleo en vez de salir volando hacia el espacio, pero genera la pregunta: ¿qué mantiene a los átomos juntos en el núcleo?

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Las cuatro fuerzas fundamentales

Hay cuatro fuerzas fundamentales en el universo. La fuerza nuclear fuerte (o simplemente la "fuerza fuerte"), la fuerza nuclear débil ("fuerza débil"), la fuerza electromagnética y la gravedad. La gravedad es tan débil que es virtualmente irrelevante a un nivel atómico o subatómico, aunque tiene una importancia inmensa a un nivel macroscópico. La fuerza nuclear débil, si bien es importante en física avanzada de partículas, no suele estudiarse en estudios introductorios de fuerzas atómicas. La fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética son, en contraste, esenciales para entender qué mantiene a los átomos juntos.

La fuerza electromagnética en el núcleo

El núcleo contiene protones cargados positivamente y neutrones, que no tienen carga electromagnética. No hay fuerza electromagnética que mantenga unidos a los protones con los neutrones, y la atracción de la gravedad es virtualmente insignificante. Dos protones se repelen fuertemente uno al otro. Si la distancia entre dos objetos atraídos o repelidos por fuerzas electromagnéticas se incrementa, la fuerza disminuye por un cuadrado de ese factor. Así que si se duplica la distancia, la fuerza entre ellos disminuye por un factor de cuatro. Si la distancia de divide a la mitad, se incrementa por un factor de cuatro. Los protones de un núcleo están muy cercanos entre sí y fuertemente repelidos uno al otro.

La fuerza fuerte

La repulsión electromagnética entre los protones de un núcleo es extremadamente fuerte. La fuerza que los mantiene juntos a pesar de esta repulsión electromagnética se llama fuerza nuclear fuerte, o simplemente fuerza fuerte. Como la fuerza electromagnética, disminuye con la distancia, y se vuelve mucho más fuerte a cortas distancias. Si tuvieras que acercar dos protones, la repulsión electromagnética entre ellos incrementaría exponencialmente hasta que se encontraran tan extremadamente próximos que la atracción debido a la fuerza fuerte, increíblemente fuerte a cortas distancias y extremadamente débil a grandes distancias, vencería la repulsión electromagnética.

La fuerza electromagnética entre el núcleo y los electrones

El modelo planetario del átomo, popularizado por Niels Bohr, representa los electrones en órbita alrededor del núcleo de una manera análoga a los planetas en órbita alrededor del Sol. En vez de la gravedad, la fuerza que mantiene a los satélites en su lugar es la fuerza electromagnética. Ésta es una descripción dramáticamente simplificada, y las fuerzas que gobiernan la "órbita" del electrón alrededor del núcleo son mucho más complicadas que las que gobiernan el movimiento de un planeta alrededor del Sol. Los electrones cargados negativamente son atraídos mediante la fuerza electromagnética hacia el núcleo cargado positivamente de una manera similar al movimiento de los planetas que se mantienen en órbita por la atracción gravitacional. Esta descripción tendrá que revisarse y expandirse a medida que te profundices más acerca de los misterios del átomo.

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