UNIVERSIDAD ESTATAL A DISTANCIA
VICERRECTORÍA ACADÉMICA
Escuela de Ciencias Exactas y Naturales
Cátedra de Física
FÍSICA MODERNA
TEMA: PARTÍCULAS ELEMENTALES
Profesor: Fernando Ureña Elizondo
Elaborado por
Carmen Morales Alfaro
Código: 3182
II CUATRIMESTRE - 2012
PARTÍCULAS ELEMENTALES DE LA MATERIA
Las primeras partículas elementales halladas por el hombre fueron las moléculas que integran los distintos compuestos químicos existentes en la naturaleza. Después se descubrió que más elementales aún que las moléculas son los átomos que las constituyen, a su vez compuestos por un núcleo y unas partículas cargadas negativamente, los electrones, que se mueven en torno a él. Más adelante las investigaciones revelaron que el núcleo de los átomos está formado por dos tipos de partículas: los neutrones, que no poseen carga, y los protones, de carga positiva.
Si bien hasta hace relativamente poco se pensó que protones y neutrones eran las partículas más pequeñas de la naturaleza, desde 1933 se han descubierto más de 200 partículas diferentes, todavía más elementales, más simples y de tamaño más reducido que el protón, el neutrón y el electrón. Cada una de ellas, distintas entre si, está compuesta por cuatro subpartícutas básicas, denominadas quarks.
Actualmente, se sabe que ni los átomos, ni los electrones, ni los protones ni los neutrones son indivisibles. La duda está en identificar cuáles son las verdaderas partículas elementales. Dado que la longitud de onda de la luz es mucho mayor que el tamaño de un átomo, no es posible emplear la luz como instrumento para ver las partes que lo constituyen.
El modelo estándar de la física de las partículas es una teoría que describe las relaciones entre las interacciones fundamentales de las partículas conocidas entre partículas elementales que componen toda la materia.
La dinámica de la materia y de la energía en la naturaleza se entiende mejor en términos de cinemática e interacciones de partículas fundamentales. El modelo estándar agrupa dos teorías importantes - el modelo electrodébil y la cromodinámica cuántica - lo que proporciona una teoría internamente consistente que describe las interacciones entre todas las partículas observadas experimentalmente.
De acuerdo con el Modelo Estándar, leptones y quarks son partículas verdaderamente elementales, en el sentido de que no poseen estructura interna. Las partículas que tienen estructura interna se llaman hadrones; están constituidas por quarks: bariones cuando están formadas por tres quarks o tres antiquarks, o mesones cuando están constituidas por un quark y un antiquark.
El electrón es el leptón más conocido y el protón y el neutrón son los hadrones más familiares.
imagen de un acelerador de partículas.
FUERZAS FUNDAMENTALES DE LA NATURALEZA
Denominamos fuerzas fundamentales a aquellas fuerzas de la naturaleza que no se pueden explicar en función de otras más básicas y que rigen los procesos en el mundo subatómico. Las fuerzas o interacciones fundamentales descubiertas hasta ahora son cuatro: gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil. Las dos primeras se conocen desde hace mucho tiempo, sin embargo, las nucleares son de reciente descubrimiento, hace apenas un siglo. Puesto que son fuerzas que afectan a las partículas elementales, su estudio necesita de los aceleradores de alta energía, cuyo desarrollo viene marcando los hallazgos experimentales y los avances teóricos subsiguientes.
1. INTERACCIÓN GRAVITATORIA:
Es la fuerza de atracción que una porción de materia ejerce sobre otra, y afecta a todos los cuerpos. Su intensidad es mínima entre las partículas que intervienen en los procesos atómicos, pero es esencial a gran escala porque su alcance es infinito, aunque decrece de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, según la ley de Newton. Su importancia reside en que siempre es atractiva y, por tanto, se acumula, aumentando con el número de partículas en juego. De este modo, la gravitación es la fuerza preponderante a escala macroscópica, a pesar de que se trata de la más débil de todas las interacciones. Es la responsable de la atracción universal entre los cuerpos, de la cohesión de los astros (planetas, estrellas, satélites...) y regula sus movimientos. Podemos afirmar que es la fuerza que mantiene el orden y el equilibrio en el universo y la que provoca, al mismo tiempo, la colisión entre galaxias vecinas y la creación de nuevas estrellas. Einstein, tras desarrollar su teoría especial de la relatividad, sugirió que la gravedad no era una fuerza como las otras, sino una consecuencia de la deformación del espacio-tiempo por la presencia de masa o energía.
En mecánica cuántica se representa por una partícula de espín 2, que se llama gravitrón, y que no posee masa propia. Así, por ejemplo, la fuerza gravitatoria entre la Tierra y el Sol se entiende como un intercambio de gravitrones entre los dos cuerpos, más concretamente entre las partículas que los forman.
2. INTERACCIÓN ELECTROMAGNÉTICA:
La fuerza electromagnética afecta exclusivamente a los cuerpos con carga eléctrica y es la responsable de las transformaciones físicas y químicas de átomos y moleculas, donde une a los electrones y los núcleos. Es mucho más intensa que la fuerza gravitatotia y su alcance es tambien finito. Las interacciones electromagnéticas son atractivas o repulsivas, de manera que la neutralidad eléctrica de la materia anula sus efectos a larga distancia. Coulomb mostró también que las cargas de igual signo se atraen y las de distinto signo se repelen, y que los cuerpos imanados también sufrían una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.
El fotón es la partícula elemental que representa este tipo de fuerza, que se entiende como un intercambio de esta clase de partículas.
3. INTERACCIONES NUCLEARES:
Para explicar la estabilidad de los núcleos, que contienen protones a una distancia increíblemente pequeña, Rutherford postuló la existencia de la interacción nuclear fuerte, una fuerza atractiva muy intensa para distancias del orden de los diámetros nucleares (10-15m), capaz de vencer la repulsión electrostática entre los protones.
La descripción que actualmente se utiliza de la fuerza nuclear débil se realiza de manera unificada con la electromagnética en la denominada interacción electrodébil.
Podemos afirmar que las fuerza o interacción nuclear fuerte es la que mantiene unidos los componentes de los núcleos atómicos y actúa indistintamente entre dos nucleones cualquiera, ya sean protones o neutrones.
Es la que mantiene unidos a los quarks en el protón y el neutrón, y a éstos en el núcleo del átomo. Se piensa que es transmitida por otra partícula, llamada gluon, que sólo interacciona con los quarks y consigo misma. Para energías normales ésta fuerza es muy intensa, pero a altas energías se debilita, de manera que los quarks y los gluones se comportan como partículas casi libres.
En 1967 Salam y Weimberg propusieron una teoría para unificar esta fuerza con la electromagnética, y sugirieron la existencia de otras tres partículas de espín 1 además del fotón: los denominados bosones. Según esta hipótesis, para grandes energías (superiores a 100 GeV) los tres bosones y el fotón se comportarían de forma similar1 pero a energías más bajas los bosones adquirirían una gran masa y la fuerza que transmitirían sería de corto alcance. Esta teoría fue comprobada y ratificada más tarde, cuando se construyeron potentes aceleradores de partículas, capaces de alcanzar energías tan grandes. Las tres partículas compañeras del fotón fueron definitivamente identificadas en 1983, en el Centro Europeo para la Investigación Nuclear (CERN).
BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA:
