En un átomo de uranio 235, ¿es posible tener un núcleo donde los neutrones y los protones estén dispuestos de manera diferente?

No tiene sentido asignarles posiciones. Si bien puede distinguir un protón de un neutrón, no puede distinguir un protón de otro o un neutrón de otro. El diagrama sugiere que puedes, pero en realidad no puedes.

Sin mencionar que, a esa escala, es mucho más preciso representar las partículas individuales como ondas en lugar de bolas. Los protones y los neutrones ocupan técnicamente todo el núcleo en lugar de un lugar específico.

Los modelos para núcleos atómicos no hacen suposiciones sobre las posiciones, y son más precisos cuando suponen que todos los nucleones ocupan el mismo espacio.

Por un lado, está el modelo de gota de líquido, que casi asume que es un fluido en forma de esfera cargada con energía almacenada como tensión superficial, volumen, potencial electrostático, asimetría (más neutrones que protones) y emparejamiento (2 protones se agruparán, 2 neutrones se agruparán). Por otro lado, está el modelo de caparazón nuclear, que extrae diagramas como diagramas de estado de electrones en química.

En todos estos modelos, los protones y neutrones están deslocalizados.

Sabes que cuando cuelgas una cadena por ambos extremos obtienes una curva de catenaria. Ahora puede crear un modelo matemático de esta curva y resolverlo, pero la naturaleza, por supuesto, ya ha “resuelto” las matemáticas, y no vimos de inmediato dónde se escondía su computadora :).

De manera similar, la naturaleza resuelve el problema de muchos cuerpos para las rotaciones planetarias. Aunque en realidad no es una solución estable. Y nuevamente, en la mecánica cuántica, no hay mucha diferencia en los modelos informáticos para una gama completa de sistemas cuánticos, esencialmente es solo el clásico problema de “muchos cuerpos”. Las posibilidades combinatorias explotan y el espacio de configuración se vuelve masivo, pero en respuesta a su pregunta, los nucleones ya están en todas las configuraciones posibles. El problema es cómo desenredar esto analíticamente para obtener modelos para predecir lo que la naturaleza ya sabe. Entonces, para recrear lo que hace la naturaleza, tenemos que resolver este problema de optimización dimensional.

Pero se vuelve demasiado difícil a medida que aumenta el número de partículas, especialmente cuando todas tienen propiedades de interacción complejas. Aquí hay un artículo realmente agradable que describe las técnicas que se utilizan para el cálculo. Puedes ver que el tamaño del núcleo determina la viabilidad de los cálculos, y para cuando llegas al uranio eres la región azul.

Aquí hay un enlace a este artículo que es sorprendentemente fácil de leer para un informe de tecnología, ¡y tiene muchas fotos bonitas!

DENSIDAD UNIVERSAL DE ENERGÍA NUCLEAR FUNCIONAL: Computación de núcleos atómicos

Debe recordar que en la mecánica cuántica no asigna estados a las partículas, asigna partículas a los estados. Pero el desafío es descubrir cómo analizar el estado general en algún tipo de modelo predictivo.
Lo que también complica las cosas es que, en general, el sistema es inestable y, por lo tanto, hay estados que no están vinculados a los procesos de emisión.
Para núcleos complejos, los cálculos que involucran a todos los protones y neutrones se vuelven prohibitivamente difíciles. Sin embargo, eso no detiene el progreso, por ejemplo, en el uranio, el núcleo puede tratarse como un fluido donde los modos de vibración y rotación desempeñan un papel en fenómenos como la fisión. En realidad, debe tratar los protones individuales como un fluido bajo colisiones de alta energía donde podrían formarse miles de productos de colisión.

No sé si existe algún modelo relevante sobre su pregunta, pero en mi opinión, los protones y los neutrones son los más alternativos.

Baso esto en el hecho de que todos los nucleones, protones incluidos, están unidos por la interacción fuerte mientras que los protones se repelen a sí mismos debido a la fuerza de Lorentz.

Dado que los neutrones y los protones son atraídos a otros nucleones por la interacción fuerte, pero los protones se repelen a sí mismos, creo que un modelo en el que los protones mientras permanecen en el núcleo no se tocan cuando se puede evitar, al estar separados por neutrones siempre que sea posible.