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.

http: //www.buscabiografias.com

Autor:

Ricardo López Acero

Licenciado en Biología y
Química