A principios de la década de los 60, las fuerzas que los físicos conocían se clasificaron en cuatro categorías que parecerían estar separadas e independizadas entre si. La primera de las cuatro categorías era la de la fuerza gravitatoria, la cual es portada por una partícula llamada gravitón.La segunda de las cuatro categorías en las que se dividen las fuerzas corresponde a la fuerza electromagnética, la cual es portada por una partícula llamada fotón. El electromagnetismo, es un millón de billones de billones de billones de billones más poderoso que la fuerza gravitatoria, y al igual que la gravedad, puede actuar a través de grandes distancias. Sin embargo, al contrario que la gravedad, no actúa en todas las partículas de la misma forma. Algunas partículas son atraídas por ella, otras no son afectadas y otras son repelidas.
La atracción y repulsión entre las partículas en dos cuerpos grandes anulará cada una casi exactamente, al contrario que las fuerzas gravitatorias entre las partículas, que sería atractiva con todas. Esto explica que nos caigamos hacia el suelo, y no hacia el aparato de televisión. Por otro lado, en la escala de las moléculas y los átomos, con solo un relativamente pequeño número de partículas, las fuerzas electromagnéticas dominan completamente a las gravitatorias. En la escala aún más pequeña de los núcleos atómicos, es decir la trillonésima parte de un centímetro, la tercera y cuarta categorías: las fuerzas nucleares débil y fuerte, dominan al resto de fuerzas.
Para entender mejor este tipo de fuerzas internas, recordemos algunos elementos básicos:
Estructura del núcleo atómico
Los núcleos atómicos están formados exclusivamente por protones y neutrones. Genéricamente, estas dos clases de partículas se conocen como nucleones.
- La cantidad de protones presentes en el núcleo se denomina número atómico y se expresa como Z. Este número coincide en el estado neutro del átomo con el de electrones que existen en su corteza.
- La cantidad de neutrones del núcleo se representa por N, y su influencia en el comportamiento del átomo no es comparable a la del número atómico.
- La cantidad total de nucleones del núcleo (protones más neutrones) se denomina número másico y se determina por A. De este modo, A = Z + N.
Los átomos son entidades infinitamente pequeñas. Sin embargo, están prácticamente vacíos, ya que más del 99% de su masa se concentra en el núcleo, que apenas ocupa la diezmilésima parte del volumen atómico.
Los protones que comparten el espacio de un núcleo atómico ejercen mutuamente entre sí fuerzas de repulsión electrostática. Sin embargo, los núcleos atómicos son entidades muy estables. De ello se concluye que en la escala nuclear deben existir fuerzas que mantengan la cohesión del núcleo distintas de las conocidas en el mundo macroscópico. Estas fuerzas se denominaron interacciones nucleares fuertes.
Esta fuerza es la que mantiene unidos los componentes de los núcleos atómicos, y actúa indistintamente entre dos nucleones cualesquiera, protones o neutrones. Su alcance es del orden de las dimensiones nucleares, pero es más intensa que la fuerza electromagnética.
Según las hipótesis actuales, la interacción nuclear fuerte procede de la fuerza de cohesión de los quarks necesaria para mantener la integridad de los nucleones. Esta cohesión entre quarks se conoce como fuerza hadrónica.
La cohesión entre los nucleones por efecto de la interacción nuclear fuerte es muy intensa. No obstante, cabe concebir la posibilidad de romper la unión entre los nucleones que conforman los núcleos atómicos mediante el aporte de las cantidades suficientes de energía.
Para que se produzca esta circunstancia, la energía suministrada ha de ser mayor que la llamada energía de enlace o de ligadura del núcleo, que mantiene unidos a los nucleones.
Según la equivalencia entre masa y energía que postula la teoría de la relatividad de Einstein, la energía de enlace del núcleo debería ser igual a la suma de las masas de los protones y los neutrones que lo constituyen menos la propia masa del núcleo. Es decir:
EE = (Zmp + Nmn – MA ) . C²
donde EE es la energía de enlace, Z el número atómico, mp la masa de los protones del núcleo,mnla masa de sus neutrones y MA la masa del núcleo.
La fuerza o interacción nuclear débil es la responsable de los procesos de Radiación. Estos procesos desencadenan tres tipos de radiación: Alfa, beta y gamma. Su intensidad es menor que la de la fuerza electromagnética y su alcance es aún menor que el de la interacción nuclear fuerte.
Para entender mejor de que estamos hablando veamos lo siguiente:
En el sol, aquella estrella de la cual tanto dependemos, se produce un fenómeno característico; los protones que conforman el núcleo se convierten en neutrones. Es decir una partícula con carga positiva se transforma en un neutrón, que sabemos carece de carga.
Protón -----------------------------Neutrón
Para entender esto conviene examinar los quarks que componen al protón y al neutrón:
Un protón está hecho de 2 quarks de tipo U y 1 quark de tipo D.
Un neutrón está hecho de 1 quark de tipo U y 2 quarks de tipo D.
Protón --------------------Neutrón
Basta con cambiar un quark tipo U a uno tipo D. Pues justamente esto es lo que ocurre en la naturaleza cuando entra en acción la fuerza nuclear débil. Un quark tipo U cambia a uno tipo D por medio de la interacción débil así:
Las otras dos partículas que salen son un anti-electrón y un neutrino.
Este mismo proceso es el responsable del decaimiento radiactivo de algunos núcleos atómicos. Cuando un neutrón se convierte en un protón en el decaimiento radiactivo de un núcleo, aparece un electrón y un neutrino. Este es el origen de la radiación beta (electrones).