Las partículas elementales

1. Las fuerzas fundamentales en la naturaleza
2. El núcleo: ¿Qué lo mantiene unido?
3. Biografías de científicos citados en este trabajo.
4. Glosario

Aristóteles creía que toda la materia existente en el universo estaba compuesta por cuatro elementos básicos: tierra, agua, fuego y aire. Estos elementos sufrían la acción de la gravedad (tendencia de la tierra y del agua a hundirse) y la ligereza (tendencia del aire y del fuego a ascender).

También creía que la materia era continua, es decir, que cualquier clase de materia podía dividirse sin límite hasta quedar en partes cada vez más pequeñas. Sin embargo, algunos sabios griegos como Demócrito, sostenían que la materia era discontinua (indivisible) y que estaba constituída por átomos (palabra que en griego significa "sin división" ).

En 1886, el físico alemán Eugene Goldstein descubrió partículas con carga positiva a las cuales llamó protones. Por el año de 1905, ya se sospechaba que los átomos no eran indivisibles. En 1897, Thomson había demostrado la existencia de una partícula llamada electrón.

En 1911, el físico británico Ernest Rutherford demostró que los átomos tienen una estructura interna: están formados por un núcleo extremadamente pequeño y con carga positiva, y alrededor de él giran los electrones. Rutherford dedujo esto analizando el modo en que las partículas alfa (α), que son partνculas con carga positiva emitidas por αtomos radiactivos, son desviadas al colisionar con los átomos.

En 1932, James Chadwick descubrió que el núcleo contenía otras partículas llamadas neutrones, con casi la misma masa del protón pero sin carga eléctrica.

Anteriormente se creía que los protones y los neutrones eran partículas "elementales", pero al hacer colisionar protones con otros protones o con electrones a alta velocidad, se evidenció la existencia de partículas más pequeñas.

Estas partículas fueron llamadas quarks** (expresión tomada de la obra Finnegan´s Wake de James Joyce) por el físico Murray Gell – Mann.

Actualmente sabemos que los átomos, los protones y los neutrones son divisibles. Entonces la pregunta es: ¿cuáles son las verdaderas partículas elementales, las piezas básicas de que están hechas todas las cosas?. Dado que la longitud de onda de la luz es mucho mayor que el tamaño de un átomo, no se puede esperar que se puedan observar normalmente las partes de un átomo, se necesita usar algo con una longitud de onda mucho más pequeña.

La mecánica cuántica nos dice que las partículas son en realidad ondas, y que cuanto mayor es la energía de una partícula, tanto menor es la longitud de onda de su onda correspondiente. Usando la dualidad onda – partícula, todo en el universo puede ser descrito en términos de partículas. Estas partículas tienen una propiedad llamada espín. Todas las partículas conocidas del universo se pueden dividir en dos grupos: partículas de espín 1/2 , las cuales forman la materia del universo, y partículas de espín 0, 1 y 2, las cuales dan lugar a las fuerzas entre las partículas materiales.

Un entendimiento adecuado del electrón y de otras partículas de espín 1/2 llegó aproximadamente en 1928, cuando apareció una teoría satisfactoria propuesta por Paul Dirac. Esta teoría predijo que el electrón debería tener una pareja: el antielectrón o positrón (descubierto por Carl Anderson). El descubrimiento del positrón en 1932 confirmó la teoría de Dirac. Ahora sabemos que cada partícula tiene su antipartícula con la que puede aniquilarse.

LAS FUERZAS FUNDAMENTALES EN LA NATURALEZA

Las partículas portadoras de fuerza se pueden agrupar en cuatro categorías, de acuerdo con la intensidad de fuerza que transmiten y con el tipo de partículas que con las que interactúan.

La primera categoría es la fuerza gravitatoria. Esta fuerza es universal porque toda partícula la experimenta. Es la fuerza que mantiene unidos a los planetas, estrellas y galaxias, pero su efecto sobre partículas elementales es despreciable. La fuerza gravitatoria es mediada por una partícula llamada gravitón . Esta partícula no tiene masa propia y la fuerza que transmite es de largo alcance. La fuerza gravitatoria entre el Sol y la Tierra se atribuye al intercambio de gravitones entre las partículas que forman estos dos cuerpos.

La segunda categoría es la fuerza electromagnética. Interactúa con las partículas cargadas eléctricamente, como los electrones y los quarks, pero no con partículas sin carga como los gravitones. Hay dos tipos de carga eléctrica, positiva y negativa. La fuerza entre cargas positivas o negativas es repulsiva, y es atractiva entre una carga positiva y una negativa. Entre cuerpos grandes, la fuerza electromagnética es muy débil, en cambio, entre átomos y moléculas las fuerzas electromagnéticas dominan. La atracción electromagnética entre los electrones (-) y los protones (+) del núcleo hace que los electrones giren alrededor del núcleo del átomo. La fuerza electromagnética es mediada por partículas sin masa llamadas fotones.

La tercera categoría es la fuerza nuclear débil. Es la responsable de la radiactividad, actúa sobre las partículas de espín 1/2 y no sobre partículas como fotones y gravitones. La fuerza débil es transmitida por partículas llamadas bosones W y Z.

La cuarta categoría es la fuerza nuclear fuerte. Mantiene unidos a los quarks en el protón y el neutrón, y a los protones y neutrones juntos en los núcleos de los átomos. Esta fuerza es transmitida por una partícula llamada gluón que sólo interactúa con ella misma y con los quarks.

INTERACCIONES DE PARTÍCULAS

EL NÚCLEO: ¿QUÉ LO MANTIENE UNIDO?

Sabemos que el núcleo de un átomo posee carga eléctrica positiva y que contiene protones, esto de acuerdo con los experimentos realizados por científicos como Ernest Rutherford . Ahora bien, una de las leyes básicas de la electricidad establece que cargas con signos opuestos se atraen, mientras que cargas con el mismo signo se repelen. Esto quiere decir que en cualquier núcleo que no sea el del hidrógeno (posee 1 protón) actuará una fuerza que hará que los protones se repelan entre ellos. Si esta "fuerza" repulsiva no estuviera compensada por otra fuerza, el núcleo del átomo se desintegraría. Obviamente esto no ocurre, entonces podemos decir que existe una fuerza que mantiene la cohesión del núcleo.

El simple hecho de la existencia del núcleo nos lleva a pensar que debe haber alguna fuerza en la naturaleza capaz de contrarrestar la repulsión entre los protones. Los físicos denominan a esta fuerza la interacción fuerte (mejor conocida como la fuerza fuerte).

**Quarks

En el modelo original de quarks, había tres tipos de quarks designados por los símbolos u, d y s. Las letras u, d y s corresponden a las palabras en inglés up (arriba), down (abajo) y strange (extraño) respectivamente. Para producir las partículas elementales conocidas, los quarks deben tener propiedades muy poco usuales. Por ejemplo, deben poseer cargas eléctricas que, salvo el signo, sean una fracción de la carga eléctrica del electrón . Por sí sola, esta característica los convierte en partículas excepcionales dado que cualquier otra carga eléctrica conocida es o bien igual a la del electrón o a un múltiplo entero de la misma. Un protón o un neutrón están constituidos por tres quarks. Un protón contiene dos quarks up y un quark down; un neutrón contiene dos down y uno up.

BIOGRAFÍAS DE CIENTÍFICOS CITADOS EN ESTE TRABAJO.

Paul Adrien Maurice Dirac. (1902 – 1984)

Físico británico, premio Nóbel

Nació el 8 de agosto de 1902 en Bristol, hijo de un padre suizo y una madre inglesa. Cursó estudios en las universidades de Bristol y Cambridge.

Su teoría cuántica del movimiento del electrón le llevó en 1928 a formular la existencia de una partícula idéntica al electrón en todos los aspectos excepto en la carga: el electrón con una carga negativa y esta hipotética partícula con una carga positiva. La teoría se confirmó en el año 1932, cuando el físico estadounidense Carl Anderson descubrió el positrón.

En 1933 compartió el Premio Nóbel de Física con Erwin Schrödinger y en 1939 fue miembro de la Sociedad Real. Profesor de matemáticas en Cambridge de 1932 a 1968, profesor de física en la Universidad del estado de Florida desde 1971 hasta su muerte, y miembro del Instituto de Estudios

Avanzados, entre 1934 y 1959. Entre sus obras se encuentra Principios de mecánica cuántica (1930).

Murray Gell-Mann (1929 – )

Físico estadounidense

Nació el 15 de septiembre de 1929 en la ciudad de Nueva York. Cursó estudios en la Universidad de Yale y se doctoró en Filosofía por el Instituto de Tecnología de Massachusetts en 1951.

Ejerció como profesor en la Universidad de Chicago desde 1952 hasta 1955, en que se incorporó al Instituto de Tecnología de California. En el año 1969 le concedieron el Premio Nóbel de Física por el trabajo que había comenzado en Chicago en 1953. En su investigación se ocupa de las interacciones entre los protones y los neutrones. Partiendo de la base de una propiedad llamada "extrañeza", que se conservaba en las interacciones fuertes y electromagnéticas, agrupó partículas afines en familias.

En 1963 él y George Zweig presentaron la teoría del quark; supusieron que los quarks -partículas que transportan cargas eléctricas fraccionarias- son las partículas más pequeñas de la materia.

GLOSARIO

Aniquilación: ocurre cuando un positrón creado se encuentra con un electrón. El electrón y el positrón desaparecen y en su lugar encontramos fotones de alta energía.

Positrón: la antipartícula (cargada positivamente) del electrón.

Fotón: un cuanto de luz; partícula asociada con la luz.

Espín: propiedad interna de las partículas elementales, relacionada con (pero no idéntica) al concepto ordinario de giro.

Bosón W: partícula de intercambio en la desintegración beta y otras interacciones débiles.

Antipartícula: cada tipo de partícula material tiene una antipartícula correspondiente. Cuando una partícula choca con su antipartícula se aniquilan ambas quedando solo energía.

BIBLIOGRAFÍA

Trefil, J. (1985). El núcleo; Energía, materia y antimateria. En, J. Trefil, De los átomos a los quarks (pp. 19-29; 47-60). Barcelona: Salvat Editores.

Hawking, S. (1988). Las partículas elementales y las fuerzas de la naturaleza. En, S. W. Hawking, Historia del tiempo. Del big bang a los agujeros negros (pp. 107-131). Bogotá: Editorial Printer Latinoamericana Ltda.

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Autor:

Ricardo López Acero

Licenciado en Biología y Química