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Representación tradicional delnúcleo atómico como una agrupación compacta de dos tipos de nucleones:Protones (rojo) yneutrones (azul). En esta imagen, los protones y neutrones se representan como pequeñas esferas pegadas a las otras, aunque actualmente se sabe que en un núcleo atómico real, tal como es concebido enfísica nuclear, no presenta dicha estructura. Un núcleo real, solo puede ser descrito usando lamecánica cuántica donde las partículas no son concebibles como esferas rígidas localizadas. Así, en un núcleo atómico, realmente cada nucleón presenta una distribución de probabilidad dispersa.
Enfísica nuclear, unnucleón corresponde al nombre colectivo para dos partículas: elneutrón y elprotón (ambas formadas por cuarks deprimera generación, los más ligeros). Los nucleones son dos de los constituyentes delnúcleo atómico, que también contendríapiones portadores de la interacción que mantiene unidos a los nucleones. Hasta los años 60, los nucleones fueron consideradospartículas elementales; posteriormente se postuló que podrían estar formados por cuarks, y la evidencia sólida de que estaban formados por constituyentes discernibles apareció en la década de los 70. Actualmente se sabe que son partículas compuestas, cada una formada por trescuarks unidos mediante lafuerza fuerte transmitida porgluones. La masa de los nucleones está asociada tanto a las propias masas de los cuarks como al campo de gluones.[1]
Existe un tipo interacción no-electromagnética entre un nucleón y un leptón que conlleva la transformación de un neutrón en un protón (o vicersa); es conocida como decaimiento débil odesintegración beta. Esta desintegración está asociada a lafuerza nuclear débil. Tanto el protón como el neutrón son parte de losbariones y, por tanto, se comportan comofermiones. La posibilidad de los nucleones de transformarse el uno en el otro está asociada a que en la terminología de la física de partículas, estas dos partículas poseen unisospín doblete 1/2. Esto explicaría por qué sus masas son tan similares, con el neutrón siendo solo un 0,1% más pesado que el protón.[2]
Se podría decir que los nucleones se encuentran en la línea donde lafísica de partículas y lafísica nuclear se entremezclan. Lateoría cuántica de campos, en particular lacromodinámica cuántica, provee de las ecuaciones fundamentales que explican las propiedades de los cuarks y de la fuerza nuclear fuerte. Estas ecuaciones explican cuantitativamente cómo los cuarks se unen entre sí para formar protones y neutrones (y todos los demáshadrones). Sin embargo, cuando varios nucleones se unen para formar un núcleo atómico (nucleido), estas ecuaciones fundamentales se vuelven muy difíciles de resolver (ver retículoQCD). En vez de eso, los nucleidos son estudiados por la física nuclear, que analizan los nucleones y sus interacciones mediante modelos y aproximaciones, tales como elmodelo de capas nuclear. Estos modelos pueden explicar satisfactoriamente propiedades de los nucleidos, como por ejemplo, cuándo un cierto nucleido sufrirá undecaimiento radiactivo.
Los protones y neutrones son más conocidos por constituir el núcleo atómico, pero también pueden existir de manera aislada, sin ser parte de núcleos más grandes, aunque existe una diferencia importante: los protones son estables o altamente estables mientras que losneutrones aislados se desintegran mediantedesintegración beta siendo su vida media de 15 minutos en estado aislado. Dentro del núcleo el intercambio de piones de carga negativa generalmente estabiliza a los neutrones. Un protón por sí solo corresponde al núcleo del átomo dehidrógeno-1 (1H). Un neutrón por sí solo es inestable como se ha dicho (ver más abajo), pero se le puede encontrar enreacciones nucleares y también son usados en análisis científico (verdispersión de neutrones).
Tanto el protón como el neutrón están constituidos por tres cuarks. El protón está conformado por doscuarks arriba y uncuark abajo, mientras que el neutrón en un cuark arriba y dos cuarks abajo. Los cuarks se mantienen unidos mediante lafuerza nuclear fuerte. También se dice que los cuarks se mantienen unidos por medio degluones, en tanto que los gluones son los mediadores de la fuerza nuclear fuerte.
El cuark arriba tiene unacarga eléctrica +2/3e, y el cuark abajo tiene carga −1/3 e. Entonces las cargas eléctricas totales del protón y del neutrón son:+e y 0, respectivamente. La palabraneutrón viene del hecho de ser eléctricamente «neutro».
Las masas del protón y del neutrón son muy similares: la del protón es 1.6726 u o 938.27 MeV/c2, mientras que la del neutrón es 1.6749 u o 939.57 MeV/c2, lo que significa que el neutrón es prácticamente un 0.1 % más pesado. La similitud de masas es explicada por la simetría aproximada delisospin.
Tanto protones como neutrones tienen unmomento angular intrínseco oespín de 1/2. Esto significa que sonfermiones y nobosones, y por lo tanto, como los electrones, están sujetos alprincipio de exclusión de Pauli. Esto es un hecho importante en lafísica nuclear: los protones y neutrones de un núcleo atómico no pueden estar en un mismo estado cuántico, por lo que se distribuyen en una serie de capas nucleares análogas a las de los electrones en el modelo atómico. Otra razón por la que el spin de los protones y neutrones es importantes es que de su suma se desprende elspin nuclear. Este es más conocido por su papel crucial en la técnica de laresonancia magnética nuclear, utilizada en los análisis químicos y biológicos.
El reconocimiento del núcleo atómico se debió a lo evidenciado por elexperimento de Rutherford de 1919. Por esa época se entendió que el núcleo atómico contenía las cargas positivas. Previamente ya se habían observado protones aislados porOracio Golden en 1886, aunque en esa época no se conocía el núcleo atómico y por tanto el mismo concepto de nucleón era inexistente. El conocimiento que se tenía del átomo de hidrógeno ionizado junto con el experimento de Rutherford llevó a este a postular que el núcleo atómico debía contener los protones. El descubrimiento del neutrón fue más tardío y se debió aJames Chadwick en 1932.
