Chamamos de núcleo atômico a região minúscula de carga positiva no centro de um átomo, onde se concentra quase toda a massa atômica. O núcleo mais simples, o do prótio ou hidrogênio-1, contém apenas um próton. Nos demais, prótons e nêutrons formam o núcleo e, em conjunto, recebem o nome de núcleons.
O núcleo ocupa uma parte minúscula do átomo, enquanto a nuvem eletrônica se estende muito mais longe. Mesmo nessa escala tão pequena, não existe uma superfície rígida separando o núcleo do espaço ao redor. Seu tamanho depende da propriedade que se mede, como a distribuição de carga ou a distribuição de matéria.
Prótons têm carga elétrica positiva e repelem uns aos outros, mas, nas distâncias encontradas dentro do núcleo, a força nuclear pode manter prótons e nêutrons unidos. A quantidade de cada tipo de núcleon e o modo como essas partículas interagem determinam a estabilidade do núcleo, seus níveis de energia e a possibilidade de ele sofrer decaimento radioativo ou participar de uma reação nuclear.
A física nuclear procura entender como os núcleons se organizam, por que alguns núcleos são estáveis e como outros se transformam. O mesmo estudo abrange os modelos usados para explicar a estrutura nuclear, as técnicas que permitem medir propriedades tão pequenas e a nucleossíntese, processo pelo qual novos núcleos se formam no Universo.
História
Descoberta do núcleo
miniatura|esquerda|upright=1.25|alt=Diagrama do experimento de Rutherford, com partículas alfa incidindo em uma folha de ouro e uma tela ao redor registrando seus desvios|Os grandes desvios observados em uma pequena fração das partículas alfa levaram Rutherford a concentrar a carga positiva e quase toda a massa do átomo em uma região central minúscula.
Antes da descoberta experimental do núcleo, Hantaro Nagaoka propôs em 1904 um átomo no qual os elétrons se moviam ao redor de um centro massivo e positivo. Seu modelo ainda não trazia o núcleo estabelecido pelos experimentos posteriores, mas já colocava no centro uma carga positiva capaz de atrair os elétrons por uma interação coulombiana semelhante à que seria usada no modelo nuclear de Rutherford.
Em 1911, Ernest Rutherford chegou ao núcleo ao testar o "modelo do pudim de passas" de J. J. Thomson. Como o elétron já era conhecido e os átomos são eletricamente neutros, Thomson havia proposto uma esfera de carga positiva com elétrons negativos espalhados de modo aleatório em seu interior.
No experimento planejado por Rutherford com Hans Geiger e Ernest Marsden, partículas alfa, que são núcleos de hélio, atingiam uma folha metálica muito fina. Pelo modelo de Thomson, essas partículas positivas deveriam atravessar a folha sofrendo apenas pequenos desvios, pois as cargas positivas e negativas estariam distribuídas pelo volume do átomo. Algumas, porém, mudaram de direção em ângulos muito grandes.
Como uma partícula alfa tem massa cerca de 7.000 vezes maior que a de um elétron, um desvio tão forte exige uma força intensa. Rutherford concluiu que a carga positiva e quase toda a massa do átomo precisavam estar concentradas numa região muito pequena. O átomo passou, então, a ser entendido como uma estrutura com um centro denso, positivo e muito massivo.
Descoberta do nêutron e modelo próton-nêutron
miniatura|direita|upright=1.25|alt=Esquema do experimento de Chadwick com uma fonte de polônio, alvo de berílio, parafina e detector de prótons|O experimento de 1932 permitiu a James Chadwick identificar o nêutron. A nova partícula forneceu um constituinte nuclear neutro, com massa próxima à do próton, e abriu caminho para o modelo próton-nêutron.
Antes da descoberta do nêutron, os modelos nucleares tentavam explicar a carga positiva do núcleo e as massas dos isótopos supondo que prótons e elétrons existissem dentro do núcleo. Essa ideia entrava em conflito com propriedades quânticas medidas, entre elas o spin e os momentos magnéticos dos núcleos. A descoberta do nêutron por James Chadwick em 1932 resolveu uma parte central do problema ao fornecer um constituinte neutro com massa próxima à do próton.
Nos meses seguintes, Dmitri Ivanenko e Werner Heisenberg desenvolveram modelos em que o núcleo era formado por prótons e nêutrons.
Terminologia e notação
Etimologia
miniatura|esquerda|upright=0.75|alt=Retrato pintado de Michael Faraday|Michael Faraday usou "núcleo" em 1844 para o ponto central de um átomo. Rutherford daria à palavra seu sentido atômico moderno décadas depois.
A palavra núcleo vem do latim nucleus, diminutivo de nux, "noz", e designava originalmente a parte interna de certos frutos. Michael Faraday usou o termo em 1844 para o "ponto central de um átomo", e Rutherford lhe deu o sentido atômico moderno em 1912. A nova palavra ainda levou algum tempo para se firmar na teoria atômica. Em 1916, Gilbert N. Lewis escreveu que "o átomo é composto pelo kernel e por um átomo externo ou shell".
Nuclídeos e notação nuclear
miniatura|direita|upright=1.05|alt=Quadro de nuclídeos de níquel, cobre e zinco, com o número de massa acima e o número atômico abaixo do símbolo químico|A escrita de cada célula segue a notação . Mantendo Z e mudando A, obtêm-se isótopos do mesmo elemento.
Para definir um nuclídeo, usam-se o número atômico Z, o número de massa A e um estado de energia nuclear observável. O número Z conta os prótons e determina qual é o elemento químico. Se N é o número de nêutrons, o total de núcleons é dado por A = Z + N.
Quando dois núcleos têm o mesmo Z e números diferentes de nêutrons, eles são isótopos. Núcleos com o mesmo N e valores diferentes de Z são isótonos, e os que têm o mesmo A com combinações diferentes de prótons e nêutrons são isóbaros. Um mesmo conjunto de A e Z também pode existir em estados de energia diferentes. Se um desses estados excitados dura tempo suficiente para ser distinguido, ele é um isômero nuclear.
A escrita reúne essas informações em torno do símbolo químico X. Como o próprio símbolo já fixa o elemento e, com ele, o valor de Z, o índice inferior costuma ser omitido. 238U, ou urânio-238, é urânio com 238 núcleons, dos quais 92 são prótons e 146 são nêutrons. Um m junto ao número de massa mostra que o núcleo está em um estado metaestável, como em 99mTc.
Entre os núcleos leves, alguns nomes próprios continuam em uso, como partícula alfa para o núcleo de 4He, dêuteron para o de 2H e tríton para o de 3H.
Estrutura e propriedades
Composição
miniatura|esquerda|upright=1.1|alt=Representação de um átomo de hélio-4 com uma nuvem eletrônica cinza e um núcleo com dois prótons e dois nêutrons|No hélio-4, dois prótons e dois nêutrons formam o núcleo, enquanto os elétrons ocupam uma nuvem muito mais extensa. As partículas coloridas são uma convenção visual, não esferas rígidas em posições fixas.
Com exceção do prótio, cujo núcleo tem apenas um próton, os núcleos contêm prótons e nêutrons, duas partículas que pertencem aos hádrons do tipo bárion e são formadas por quarks. Prótons têm carga elétrica positiva e nêutrons não têm carga elétrica. O número de prótons fixa o número atômico e determina o elemento químico. Mudando apenas o número de nêutrons, obtêm-se diferentes isótopos do mesmo elemento.
A carga positiva do núcleo atrai a nuvem eletrônica de carga negativa. Os elétrons ocupam estados quânticos organizados em orbitais, e essa organização determina grande parte do comportamento químico do átomo. Em um átomo neutro, há tantos elétrons quanto prótons.
Como prótons e nêutrons são férmions, seu comportamento obedece às regras quânticas aplicadas a esse tipo de partícula. Os dois têm isospin e ocupam valores opostos da terceira componente, . A simetria de isospin permite tratá-los como dois estados internos de uma mesma partícula, o núcleon.
O princípio de exclusão de Pauli considera o estado quântico completo. Por isso, núcleons que diferem em spin ou em podem compartilhar a mesma função de onda espacial. Quando dois férmions se ligam e formam um sistema de spin inteiro, o conjunto pode se comportar como um bóson. O dêuteron, formado por um próton e um nêutron, é um exemplo.
Massa, tamanho e densidade
Como o núcleo não tem uma borda geométrica rígida, seu tamanho muda conforme a propriedade escolhida para a medição. Quando se mede a distribuição de carga, uma grandeza comum é o raio quadrático médio de carga. No próton, esse raio é 0,84075(64) fm. No urânio-238, chega a cerca de 5,86 fm. Mesmo no urânio, a região nuclear é muito menor que a extensão típica da nuvem eletrônica, e a comparação exata depende das definições adotadas para raio atômico e raio nuclear.
miniatura|direita|upright=1.2|alt=Gráfico do raio nuclear medido em função do número de massa, comparado com uma curva proporcional à raiz cúbica do número de massa|Os raios medidos acompanham aproximadamente a lei , sobretudo para núcleos mais pesados. As irregularidades dos núcleos leves lembram que essa relação é uma aproximação.
Para lidar com massas tão pequenas, núcleos e nuclídeos costumam ser medidos em unidades de massa atômica unificadas, símbolo u. Uma unidade equivale a 1/12 da massa de um átomo neutro de carbono-12 no estado fundamental. Pela equivalência entre massa e energia, 1 u corresponde a cerca de 931,494 MeV/.
A massa de um núcleo ligado é um pouco menor que a soma das massas que seus prótons e nêutrons teriam se estivessem livres. Essa pequena diferença corresponde à energia que seria necessária para separar completamente o núcleo em seus constituintes.
Em vez de atribuir ao núcleo um único "raio", a física nuclear usa medidas diferentes para propriedades diferentes. Num modelo em que a densidade média muda pouco, um raio efetivo de superfície, R, cresce aproximadamente com a raiz cúbica do número de massa A. A aproximação funciona melhor para núcleos com muitos núcleons e sem estruturas halo ou deformações extremas. Essa regularidade pode ser escrita de forma compacta como
Na expressão, A é o número de massa, ou seja, a soma do número de prótons Z com o número de nêutrons N. O parâmetro r0 costuma ficar perto de 1,2–1,25 fm, dependendo da definição de raio e do ajuste usado. O valor R funciona como uma escala para uma distribuição nuclear cuja borda é difusa, por isso não é a mesma grandeza que o raio quadrático médio de carga.
A dependência de R com a raiz cúbica de A lembra o que aconteceria se objetos de tamanho quase constante fossem empacotados em um volume aproximadamente esférico. A comparação tem limites, pois núcleons obedecem à mecânica quântica e alguns núcleos têm distribuições não esféricas, como a deformação prolata.
A densidade média da matéria nuclear é da ordem de 2 × 1017 kg/m³ e varia pouco entre núcleos que não apresentam estruturas halo.
Distribuição de carga e matéria nuclear
miniatura|esquerda|upright=1.05|alt=Gráfico de uma densidade nuclear quase constante no interior que cai gradualmente na superfície|A densidade nuclear não termina numa borda rígida. Ela permanece quase constante no interior e cai gradualmente numa região superficial difusa, comportamento aproximado pela distribuição de Fermi.
Se um núcleo contém Z prótons, sua carga elétrica total é , em que e é a carga elementar. Por isso, Z é ao mesmo tempo o número de prótons e o número atômico. Experimentos com espectros de raios X estabeleceram a relação entre as frequências características de cada elemento e sua carga nuclear.
Como a densidade nuclear diminui aos poucos perto da região externa, não há uma borda geométrica abrupta. Medidas de espalhamento de elétrons e de raios de carga podem ser aproximadas por uma região interna de densidade quase constante seguida por uma transição gradual. Uma maneira de escrever matematicamente esse perfil é a distribuição de Fermi de dois parâmetros.
Na distribuição de Fermi, dá a densidade no interior do núcleo, c dá o raio em que ela caiu para metade desse valor e a mede quão gradual é a região de transição na superfície.