Del átomo al quark


Los griegos (Aristóteles) pensaban que toda la materia del universo estaba compuesta por cuatro elementos básicos: tierra, aire, fuego y agua, y estos sufrían la acción de dos fuerzas:

  1. La gravedad o tendencia de la tierra y del agua a hundirse.
  2. La tendencia del aire y del fuego a ascender.

Estas ideas aún siguen usándose hoy en día.

Aristóteles pensaba también que la materia era continua, es decir, cada trozo de materia se podía dividir infinitamente en partes más pequeñas: “Nunca se tropezaba uno con un grano de materia que no se pudiera continuar dividiendo”

Pero otros sabios griegos, como es el caso de Demócrito defendían la idea de que la materia era inherentemente granular y que todo estaba constituido por un gran número de diversos átomos, estos eran esferas macizas indestructibles (la palabra átomo significa indivisible en griego).

Durante siglos la discusión continuó sin ninguna evidencia real a favor de ninguna de las posturas. Pero en 1803 el científico británico  John Dalton señaló que el hecho de que los compuestos químicos siempre se combinaran en ciertas proporciones podía ser explicado mediante el agrupamiento de átomos para formar otras unidades llamadas moléculas, pero la discusión de las dos escuelas de pensamiento no se zanjo de manera definitiva a favor de los atomistas, hasta los primeros años del siglo XX. Una de las teorías físicas más importantes fue la que proporcionó Einstein, el cual en 1905, unas semanas antes de presentar su famoso artículo sobre la relatividad especial, escribió otro en el cual señalaba que el fenómeno conocido como movimiento browniano (El movimiento irregular, aleatorio de pequeñas partículas de polvo suspendidas en un líquido) podía ser explicado por el efecto de las colisiones de los átomos del líquido con las partículas de polvo.

En aquella época ya había sospechas de que los átomos no eran indivisibles. Hacía varios años que J.J Thomson había demostrado la existencia del electrón, una partícula material que tenía una masa menor que la milésima parte de la masa del átomo más ligero. Utilizó un dispositivo parecido al tubo de un aparato de televisión: un filamento metálico incandescente soltaba los electrones, que, debido a que tienen una carga eléctrica negativa (-), podían ser acelerados por medio de una campo eléctrico hacia una pantalla revestida de fósforo. Cuando los electrones chocaban contra la pantalla, se generaban destellos luminosos. Pronto se comprendió que estos electrones debían de provenir de átomos en sí.

https://i2.wp.com/www.geocities.ws/edug2406/aparato_thomson.jpg

En esta imagen aparece el dispositivo que Thomson uso para su experimento. El “tubo de rayos catódicos”. Con este experimento descubrió la existencia del electrón.

Más adelante, concretamente en 1911, el físico británico Ernest Rutherford mostró ,finalmente, que los átomos tienen una estructura interna: están formados por un núcleo muy pequeño con carga positiva, que a su alrededor gira un número de electrones de carga negativa, describió el átomo como un sistema solar en miniatura. Dedujo esto analizando el modo en que las partículas alfa, que son partículas de carga positiva emitidas por átomos radiactivos son desviadas al colisionar con los átomos.

https://descubrirlaquimica.files.wordpress.com/2011/09/fa75e-rutherford.gif

Esta imagen representa lo que era para Ernest Rutherford el átomo, el círculo positivo rojo que se encuentra en el centro sería el núcleo y las esferas naranjas electrones cargados negativamente muy alejados del núcleo , en la corteza del átomo y girando al rededor del núcleo.

Al principio pensó se  que el átomo  estaba  formado por electrones  y cantidades diferentes de una partícula con carga positiva llamada protón. Pero en 1932 James Chadwick descubrió que el núcleo contenía otras partículas, los neutrones, estas tenían casi la misma masa del protón, pero no poseían carga eléctrica. Más tarde, gracias a este descubrimiento recibió el premio Nobel y fue elegido director de Gonville and Caius College, en Cambridge, cargo del que más tarde dimitió por desacuerdos con sus compañeros.

Hasta hace algunas décadas se pensaba que los protones y los neutrones eran partículas “elementales”, pero en ciertos experimentos se demostró que en realidad estaban formados por partículas más pequeñas, los quarks.

Esta denominación la hizo el físico Murray Gell-Mann el cual ganó el premio Novel en 1969 por su trabajo sobre dichas partículas.

https://i0.wp.com/c2.api.ning.com/files/DrutNjwJIcNqtO6oYf8ATfygBrbfRcVStc0LJ2EDBOv*fzPSt2ZrCmDLP704QV9wdyicU90jAoHQyxrIp-TeCEHf85bGA8zK/quarks.jpg

Existen diferentes variedades de quarks:

Se cree que hay como mínimo 6 flavors “sabores”:

  • Up “Arriba”.
  • Down “Abajo”.
  • Strange “Extraño”.
  • Charmed “Encanto”.
  • Botton “Fondo”.
  • Top “Cima”.

Cada flavor puede tener uno de los tres posibles “colores”:

  • Rojo.
  • Verde.
  • Azul.

Estos términos evidentemente son “etiquetas”: los quarks son mucho más pequeños que la longitud de onda de la luz visible y, por lo tanto, no poseen ningún color en el sentido normal de la palabra. Se trata de nombrar a las nuevas partículas y fenómenos sin recurrir al griego.

Un protón y un neutrón están constituidos por 3 quarks. Un protón contiene dos quarks up y uno down y un neutrón contiene dos down y uno up. Se pueden crear partículas constituidas por los otros quarks, pero todas ellas poseen una masa mucho mayor y decaen muy rápidamente en protones y neutrones.

Actualmente se sabe que ni los átomos, ni los protones y neutrones dentro de ellos son indivisibles, por lo que la cuestión es ¿Cuáles son las verdaderas partículas elementales, los ladrillos básicos con todas las cosas están echas?

Dado que la longitud de onda de la luz es mucho mayor que el tamaño de un átomo, no podemos esperar “mirar” de manera natural las partes que forman un átomo. Necesitamos usar algo con una longitud de onda mucho más pequeña. La mecánica cuántica nos dice que todas las partículas son en realidad ondas, cuanto mayor es la energía de una partícula , tanto menor es la longitud de onda de su onda correspondiente.

Por lo que la mejor respuesta que se le puede dar a esta pregunta depende de lo alta que sea la energía que podamos comunicar ya que ésta determina lo pequeña que ha de ser la escala de lonjitudes que podemos mirar. Estas energías de las partículas se miden en una unidad llamada electrón – voltio.

En el experimento de Thomson con electrones se observó que el usaba un campo eléctrico para acelerarlos. La energía ganada por un electrón en un campo eléctrico de un voltio es lo que se conoce como un electrón-voltio. En el siglo XIX se creía que los átomos eran la unidad más pequeña. En el experimento de E.Rutherford las partículas alfa tenían energías de millones de electrón – voltios. Más recientemente, se aprendió a usar los campos electromagnéticos para que nos den energías de partículas que en un principio eran de millones de electrón – voltios, por lo que sabemos que lo que se consideraba hace algunas décadas que eran las partículas elementales, están constituidas por partículas más pequeñas.  Y es posible que estas partículas estén formadas por otras partículas más pequeñas aún, pero de todos modos tenemos razones para creer que estamos muy cerca de poseer un conocimiento de los ladrillos fundamentales de la naturaleza.

Usando la dualidad onda – partículas, todo el universo, incluyendo la luz y la gravedad pueden ser explicadas en términos de partículas, estas tienen una propiedad llamada espín, un modo de imaginarse este espín es representando a las partículas como pequeñas peonzas girando sobre su eje. Pero esto puede introducir un error debido a que la mecánica cuántica nos dice que las partículas no tienen ningún eje bien definido. Lo que nos dice realmente el espín de una partícula es como se muestra la partícula desde distintas direcciones. Una partícula de espín 0 es como un punto: Parece la misma desde todas las direcciones.

https://i2.wp.com/antidepresivo.net/wp-content/uploads/2008/02/circulo_rojo.JPG

El punto superiormente mostrado será el mismo se mire desde donde se mire.

Por el contrario una partícula de espín 1 es como una flecha: parece diferente desde direcciones distintas. Sólo si uno la gira una vuelta completa la partícula parece la misma.

https://i1.wp.com/www.consultacartas.com/imagenes/baraja_espanola/copas_1.jpg

Si la carta mostrada superiormente se gira dando una vuelta completa(OJO NO SE LE DA LA VUELTA SE GIRA LA PARTE DE ARRIBA) se verá la misma carta.

Una partícula de espín 2 es como una flecha con dos cabezas, parece la misma si se gira media vuelta.

https://i0.wp.com/www.rasmus.is/Sp/imagenes/primaria1/probabilidad/Probabilidad004.jpg

Si la carta mostrada superiormente se coloca sobre una mesa y se  gira media vuelta parece la misma carta.

De un modo similar las partículas de espines más altos parecen las mismas si son giradas una fracción más pequeña de una vuelta completa.

Hay que destacar que existen partículas en las cuales hay que darles dos vueltas para que parezcan la misma, son las partículas de espín 1/2.

Todas las partículas conocidas en el universo se pueden dividir en 2 grupos:

  • Partículas de espín 1/2: Forman la materia del universo.
  • Partículas de espín 0, 1  y 1: Dan lugar a fuerzas entre las partículas materiales Estas obedecen e lo que se llama principio de exclusión de Pauli, el cual fue descubiert oen 1925 por Wolfgang Pauli, que fue galardonado en 1945 por dicha contribución.

Su principio dice que dos partículas similares no pueden existir en el mismo estado, es decir, que no pueden tener ambas la misma posición y la misma velocidad. Este principio es crucial porque explica por qué las partículas materiales no colapsan a un estado de muy alta densidad, bajo la influencia de las fuerzas producidas por las partículas de espín 0,1 y 2: si las partículas materiales están casi en la misma posición durante mucho tiempo.

Si el mundo hubiera sido creado sin el principio de exclusión, los quarks no formarían protones y neutrones independientes bien definidos. Ni tampoco éstos formarían, junto con los electrones, átomos independientes bien definidos. Todas las partículas se colapsarían formando una “sopa” densa más o menos uniforme.

https://descubrirlaquimica.files.wordpress.com/2011/09/63c9e-sopadensaesparragosarvejas.jpg

Una manera apropiada de entender el electrón y de las otras partículas de espín 1/2 no llegó hasta que Paul Dirac en 1928 propuso una teoría que fue satisfactoria el cual más tarde obtuvo la cátedra Lusican de matemáticas de Cambridge, la misma que Newton había obtenido y que ahora es ocupada por Stephen Hawking.

Su teoría fue la primera que combinaba la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad especial. Explicó matemáticamente porqué el electrón tenía espín 1/2, es decir, por qué no parecía lo mismo si se giraba sólo una vuelta completa, pero sí que lo hacía si se giraba dos vueltas. También predijo que el electrón debería tener una pareja: el antielectrón o positrón. El descubrimiento del positrón en 1932 confirmó la teoría de Dirac y gracias a esto se le concedió el premio Nobel de física en 1933. Hoy en día sabemos que cada partícula tiene su antipartícula, con la que puede eliminarse.

En el caso de partículas portadoras de fuerzas, las antipartículas son las mismas.

Podrían existir antimundos y antipersonas hechos de antiparticulas. Si una persona se encontrase con su antiyó y hubiera contacto físico entre ellos desaparecerían en un destello luminoso.

En mecánica cuántica, las fuerzas o interacciones entre partículas materiales se supone que son de un espin entero es decir 0,1 y 2.

Lo que sucede es que una partícula material, tal como un electrón o un quark, emite una partícula portadora de fuerza. El retroceso producido por esta emisión cambia la velocidad de la partícula material. La partícula portadora de fuerza colisiona después con otra partícula material y es absorbida.

Esta colisión cambia la velocidad de la segunda partícula, justo igual a como si hubiera habido una fuerza entre las dos partículas materiales.

Hay que destacar que es importante, que las partículas portadoras de fuerza no obedecen el principio de exclusión, no existe un límite al número de partículas que se pueden intercambiar, motivo por el cual pueden dar lugar a fuerzas muy intensas. Pero, si las partículas portadoras de fuerza poseen una gran masa, será difícil producirlas e intercambiarlas a grandes distancias, las fuerzas que transmiten serán de muy corto alcance. Las partículas portadoras de fuerza, que se intercambian entre sí las partículas materiales, son partículas virtuales porque, al contrario que las partículas «reales», no pueden ser descubiertas directamente por un detector de partículas, estas partículas sabemos que existen porque tienen un efecto medible: producen las fuerzas entre las partículas. Además las partículas de espín 0, 1 y 2 también existen en algunas substancias como partículas reales, entonces pueden ser detectadas directamente.

En este caso se nos muestran como lo que un físico clásico llamaría ondas. A veces pueden ser emitidas cuando las partículas materiales interactúan entre sí, por medio de un intercambio de partículas virtuales portadoras de fuerza, estas se pueden agrupar en cuatro categorías de acuerdo con la intensidad de la fuerza que transmiten y con el tipo de partículas con las que interactúan:

  • Fuerza gravitatoria.
  • Fuerza electromagnética.
  • Fuerza nuclear débil.
  • Interacción nuclear fuerte.

Las fuerzas electromagnéticas y nucleares débiles se unificaron y esto fue un éxito, están unificadas en las llamadas teorías de gran unificación (TGU). Las teorías resultantes no están completamente unificadas pues no incluyen la gravedad, no son ni siquiera teorías completas. Es imposible comprobar las teorías de gran unificación directamente en el laboratorio, pero existen consecuencias a baja energía de la teoría que si pueden ser comprobadas. La más interesante es la predicción de que los protones que constituyen gran parte de la masa de la materia ordinaria, pueden decaer espontáneamente en partículas más ligeras, tales como antielectrones, aunque es más difícil observar el decaimiento espontáneo de protones, puede ser que nuestra propia existencia sea una consecuencia del proceso interno, la producción de protones, o más simplemente de quarks, a partir de una situación inicial en la que no hubiese más que quarks y antiquarks, que es la manera más natural de imaginar que empezó el universo.

La materia de la tierra está formada por protones y neutrones que a su vez están formados por quarks, pero no existen antiprotones y antineutrones formados por antiquarks salvo unos pocos que los han creado los físicos en aceleradores de partículas.

https://i1.wp.com/fisica.laguia2000.com/wp-content/uploads/2010/11/PARTIC1.jpg

Acelerador de partículas

Además de esto, tenemos evidencia a través de los rayos cósmicos, de que sucede lo mismo con la materia de nuestra galaxia. Si hubiera extensas regiones de materia y antimateria un nuestra galaxia, esperaríamos observar grandes cantidades de radiación proveniente de los límites entre las regiones de materia y antimateria, en donde muchas partículas colisionarían con sus antipartículas y se aniquilarían entre sí, desprendiendo radiación de alta energía.

No puede haber una mezcla de protones y antineutrones en una misma galaxia, porque en ese caso observaríamos de nuevo una gran cantidad de radiación producida por las aniquilaciones. Por lo que se piensa que todas las galaxias están compuestas por quarks y no por antiquarks ya que parece inverosímil que algunas galaxias fueran de materia y otras de antimateria.

Es una suerte que para nosotros el número de quarks y de antikuarks sea desigual ya que si fuera igual estos se habrían aniquilado entre sí y hubiera quedado un universo lleno de radiación sin apenas nada de materia. Si esto hubiera sido así, no habría ni galaxias, ni estrellas, ni planetas sobre los que la vida humana pudiera desarrollarse.

¿Por qué el universo debe contener más quarks que antiquarks?  Las TGU permiten a los quarks transformarse en antielectrones a altas energías. También permiten el proceso inverso, la conversión de antiquarks en electrones, y de electrones y antielectrones en quarks y antiquarks. Hubo un tiempo, en los primeros instantes del universo, en qué éste estaba tan caliente que las energías de las partículas eran tan altas que estas transformaciones podían tener lugar.

El tiempo avanza cuando el universo se expande y el tiempo retrocede cuando el universo se contrae, al expandirse y enfriarse el universo, los antiquarks se aniquilarían con los quarks, pero como habría más quarks que antiquarks habría un pequeño exceso de quarks, que son los que constituyen la materia que hoy en día vemos, tocamos y sentimos y además de ella estamos hechos.

Descubrirlaquimica. Estudiante de química de la USC.

Última actualización: 19/04/2014

14 comentarios to “Del átomo al quark”

  1. omar cordero moncunill Says:

    Gracias Usd. Dr. David por traer luz a nuestras mentes, yo no poseo tíyulo alguno univarsitario, pero desde muy niño sabía cosas que no me aniomaba a compartirlas por que ya me habían tildado de loco. A es grandioso como funciona el cosmos ahora he entendido como funcionan lo neutrones pòr que al no poseer carga se pueden cargar con el pensamiento, la musica, etc. con honda y por ello son facilmente direccionables. Le dejo este pequeño pensamiento y Gracias Omar desde Argentina.

  2. luis orlando toro hernandez Says:

    grasias doctores por tan oportuna y valiosa imformacion que ustedes con su sacrificado tiempo le han dedicado a este tema tan importante . me uno alas persinas que elogian tan arduo trabajo, soy una persina mayor y estoy culminando mis estudios de secundaria y ustedes han sido de mi gran ayuda una ves mas grasias att luis orlando toro hernandez de bogota colombia.

  3. luis orlando toro hernandez Says:

    quiero seguir en contacto con ustedes. grasias

  4. anabel vazquez valdez Says:

    esta informacion es muy util en serio les agradesco quisiera saber mas d este tema a mi me interesa mucho

  5. Paula Says:

    me gusta la informacion, gracias por la ayuda. en pocas palabras cual seria el orden de la division de la materia:
    1Materia
    2Particulas
    3Moleculas
    4Atomos
    5electrones
    6protones
    7neutrones
    8quarks
    que otros? porfavor ayudame

    • Descubrirlaquimica. Says:

      Para mi el resumen más correcto sería el siguiente:
      1. MATERIA:
      -Masa
      -Volumen
      -3 estados de agregación (sólido, líquido, gas)
      2. SUSTANCIAS:
      -Puras simples o elementos.
      -Puras compuestas o compuestos químicos.
      Y MEZCLAS:
      -Homogéneas o disoluciones (ideales y no ideales). Soluto y disolvente. Insaturadas, saturadas y sobresaturadas.
      -Heterogéneas y suspensiones.
      3. MOLÉCULAS :
      -Elementos.
      -Iones.
      -Compuestos.
      4. ÁTOMO:
      Partículas: Protones, electrones, neutrones, quarks, bosones, ……………………………………………………………….

      Gracias por visitar el blog, me alegra que te haya servido, espero que este esquema te sirva de algo

    • Jose Says:

      en untrabajo me mandaron a averiguar sobre la division de la materia me ayudararias?? es desde particulas a quarks

    • Descubrirlaquimica. Says:

      Te recomiendo leerte el capitulo 5 de historia del tiempo de stephen hawking, un saludo

  6. libreriausados Says:

    hola si te interesa el libro de los atomos a los quarks lo podes encontrar en nuestro sitio web http://www.libreriausados.com.ar saludos

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s


A %d blogueros les gusta esto: