El material de ciencia popular siempre habla sobre el número de protones y neutrones en un núcleo, pero siempre me he preguntado si eso es algo real en lo que creen los físicos nucleares o si es simplemente un modelo conveniente. En otras palabras, ¿hay alguna razón para creer que un núcleo atómico no es simplemente una sola partícula con masa y carga igual a cierto número de protones y neutrones en lugar de un grupo de protones y neutrones individuales? ¿Existen experimentos para distinguir una situación de la otra? Es difícil imaginar cómo sería un experimento así. Cualquier cosa que produzca un fragmento de un núcleo podría interpretarse de cualquiera de dos maneras: cierto número de protones y neutrones se desprendieron del grupo, o la partícula única se transforma en partículas más pequeñas.
Respuestas
¿Demasiados anuncios?
Entonces, las respuestas detalladas ya dadas cubren la mayor parte, pero resumiré: todos los protones son fermiones indistinguibles, por lo que si tienes dos protones no ligados (etiquetados como $b$ para el haz y $t$ para el objetivo) que se dispersan elásticamente:
$$ p_b(p_t, p_b)p_t $$
significa que detectas el protón del haz dispersado, y sabes por la cinemática que el objetivo no detectado sigue siendo un protón.
Esto es indistinguible de detectar el protón de retroceso:
$$ p_b(p_t, p_t)p_b $$
así que en el experimento: ambas reacciones ocurren, y el protón detectado está en una superposición del protón del haz y el protón del objetivo.
Lo mismo es cierto para los neutrones--esa es la naturaleza de las partículas indistinguibles.
Así que en un núcleo: todos los protones (neutrones) están en un estado entrelazado donde ningún protón (neutrón) individual tiene una identidad.
Como se mencionó en otras respuestas, también existe una simetría de isospín (ligeramente rota), donde $p$ y $n$ se consideran partículas idénticas con diferentes proyecciones de $I_3$ (o $T_3$, y a veces $\tau_3$).
En la notación de las reacciones anteriores, si dispersas un haz de neutrones sobre un objetivo de hidrógeno líquido, y detectas el protón de retroceso:
$$ n(p, n)p $$
ese estado final es una mezcla del $n, p$ intercambiando un pion neutro para convertirse en $(n, p)$ e intercambiando un pion cargado para convertirse en $(p, n)$--así que no puedes saber si el protón era del objetivo, o es un neutrón transmutado del haz.
En un núcleo, todos los neutrones y protones están en este estado entrelazado donde su proyección de isospín está mezclada. La razón por la que se llama isospín es porque las matemáticas son idénticas a la adición de espines cuánticos: para estar en un estado eigenestado de espín (iso)total, las partículas individuales generalmente NO están en estados eigen de $S_3$ ($I_3$).
Ahora la pregunta sobre si el núcleo se convierte en un "bloque"...la respuesta es "no"--ya que eso sería un plasma de quarks y gluones, y definitivamente no es el estado fundamental. Sin embargo, la observación de que las funciones de estructura de quarks de los nucleones individuales fueron modificadas se realizó en 1983, y sigue siendo un problema sin resolver en la física nuclear. Se llama "El Efecto EMC":
https://en.wikipedia.org/wiki/EMC_effect
de la cual, se ha escrito mucho.
La fisión nuclear descubierta en 1938 por Otto Hahn, Fritz Strassmann, Lise Meitner y Otto Robert Frisch mostró que el núcleo de Uranio puede dividirse en dos partes separadas, mediante la entrada de neutrones lentos: $$ {}_{92}U + n \to {}_{56}Ba + {}_{36}Kr + 3n + 200~\text{MeV}\tag 1$$
Entonces, el núcleo de Uranio se ha dividido en un núcleo de Bario y un núcleo de Kriptón, conservando la carga total del núcleo ($92e^+=56e^++36e^+$).
Esto prueba experimentalmente que los núcleos de Uranio (y los núcleos en general) tienen una estructura compuesta de carga, ya que no puedes dividir algo monolítico o unitario por definición.
Desde aquí puedes llegar fácilmente al hecho de la existencia de protones en los núcleos si sigues descomponiendo núcleos más pequeños y más pequeños ($Ba,Kr$, y así sucesivamente) hasta que todo lo que quede sea una única carga de $e^+$.
EDICIÓN.
@david ha dado un interesante contra-argumento de que esta reacción podría ser interpretada como una transmutación de una sola partícula en dos o más partículas constituyentes (también individuales), como sucede en una transmutación de neutrones en protones en la desintegración beta: $n \to p~+ e^-~+~\overline \nu_e \tag 2.$ (Aunque ni el protón ni el neutrón son partículas individuales, sino que están compuestos por tres quarks).
De todos modos, el punto principal por el cual no podemos argumentar que la reacción (1) es una simple transmutación como en (2), es que los núcleos de Uranio, al romperse, liberan una energía de $200~MeV$ en forma de energía cinética residual de las partes de $Ba,Kr$. Si el núcleo de ${}_{92}U$ fuera una carga monolítica/indivisible, entonces no podríamos explicar de dónde proviene esa energía adicional (que es un déficit de masa $M_{U}-m_{Ba}-m_{Kr}-m_{3n}\approx 200 MeV$).
Si sumas todas las energías de unión de los nucleones en el átomo de Uranio, obtendrás exactamente estos 200 megaelectronvoltios que se liberan según la reacción mencionada anteriormente como un déficit de masa en forma de $\Delta E= \Delta mc^2$.
Por supuesto, no es una conclusión a prueba de balas, ya que nadie prohíbe construir una nueva teoría que explique esa energía emitida de otras formas, pero considerando otros avances en la Física atómica y nuclear, es lo más cercano que podemos llegar utilizando el modelo estándar.
Algunos argumentos muy detallados y convincentes han sido dados desde ambos lados, por favor no juzgues esta respuesta demasiado duramente en comparación ya que no soy un físico de partículas y esto quizás sea más una pregunta que una respuesta:
¿Importa?
Esto es un riff del argumento de "cállate y calcula": Yo argumentaría que no importa. Sabemos que el núcleo puede dividirse al inducir un desequilibrio o simplemente esperando lo suficiente para que ese desequilibrio ocurra aleatoriamente, por lo que podemos asumir cualquiera de las opiniones - si las matemáticas dan resultados válidos, no nos importa la "realidad actual" - y esa realidad a esta escala incluso puede ser múltiples cosas al mismo tiempo.
Pero ¿cómo es "realmente"?
Esto es una teoría / interpretación: dado que los protones y neutrones se forman demostrablemente a partir de partes más pequeñas y solo su ensamblaje les da sus propiedades individuales o incluso sus tipos, podríamos argumentar que también los nucleones tienen que permanecer intactos en este ensamblaje, ya que podemos realizar cálculos basados en estas propiedades emergentes. No puedo probar esto, pero asumo que si fuera solo un QGP, eso tendría propiedades muy diferentes. Esto no quiere decir que el núcleo sea solo una pila de partículas, al igual que mi reloj no es solo una pila de átomos. Además, el orden a un nivel superior puede dar nuevas propiedades al ensamblaje, incluso si las partes individuales realmente existen.
¡Estoy esperando argumentos serios en contra! :)
Dado que la mecánica cuántica predice que los números de partículas no se conservan, el núcleo es mucho más complicado de lo que sugieren los libros populares en un examen detallado.
Sin embargo, también debemos admitir que hay un fuerte grado de verdad en la afirmación popular. Esto se debe a que la física opera en una variedad de escalas con características emergentes en varias escalas. No existe una escala fundamental ya que una variedad de escalas es fundamental.
