Universidad Estatal a Distancia
Vicerrectoría Estatal a Distancia
Escuela de Ciencias Exactas y Naturales
FÍSICA MODERNA
Código: 3182
PARTÍCULAS ELEMENTALES
Elaborado
por:
Carmen Morales
Jessica Martínez
Laura Monge Arias
Jessica Martínez
Laura Monge Arias
II /
CUATRIMESTRE / 2012
Después de mucho tiempo donde se considero
como partículas que forman la materia a los electrones, protones y neutrones;
se realizaron investigaciones donde se descubrieron nuevas partículas que según
sus características se consideraron elementales.
Estas partículas nuevas se encontraron
gracias a las colisiones de partículas de alta energía y se reconocen 12, divididas en dos familias los leptones y quarks.
A continuación se presentan algunos detalles
característicos de las principales partículas y familias de partículas que se
encuentran en la naturaleza:
Bariones y mesones
En la naturaleza se dan partículas formadas
por combinaciones de tres quarks o por combinaciones de un par quark y
anti-quark (anti-quark es la antipartícula del quark). Estos grupos así
formados se llaman Bariones y Mesones respectivamente.
Bosones y fermiones
Según la propiedad cuántica llamada spin,
las partículas se clasifican en Bosones (si tienen spin entero) o fermiones (si
tienen spin semi-entero). El electrón es un ejemplo de un fermión, mientras que
las partículas portadoras de una interacción son bosones.
Electrón
Descubierto en 1897 por el físico inglés J.
J. Thomson (1856 - 1940). Los electrones son partícula con carga eléctrica
negativa que dan origen a la electricidad cuando fluyen en un conductor. El
electrón pertenece a la familia de los leptones.
Gluón
Es la partícula portadora de la interacción
nuclear fuerte.
Gravitón
Partícula portadora de la interacción
gravitacional.
Leptón
Según el modelo estándar las partículas
elementales han sido agrupadas en dos grandes familias: los quarks y los
leptones. Los leptones son partículas muy ligeras que siempre interactúan por
medio de la fuerza nuclear débil y si tienen carga también sienten la
interacción electromagnética, pero nunca sienten la interacción nuclear fuerte.
Ejemplos: el electrón, el muón, el tau y el neutrino.
Neutrino
Un neutrino es una partícula de masa nula (o
muy cercana a nula) que no tiene carga y no siente la fuerza nuclear fuerte.
Fue propuesto por Wolfgang Pauli en 1930 y descubierto en 1956 por Fred Reines
y Clyde Cowan. En el universo hay muchos neutrinos, pero como éstos no sienten
la fuerza nuclear fuerte ni la fuerza electromagnética, es muy difícil detectarlos..
Estas partículas pueden constituir gran parte de la materia oscura del
universo.
Neutrón
Se encuentra normalmente, como el protón, en
los núcleos atómicos. El neutrón no tiene carga eléctrica, está hecho de tres
quarks y no es una partícula estable en general. Cuando se encuentra libre,
fuera del núcleo, ésta decae en un protón, un positrón y un neutrino. Fue
descubierto por el físico inglés James Chadwick en 1932. La masa del neutrón es
ligeramente mayor que la del protón.
Positrón
Es la anti-partícula del electrón. Es decir
tiene la misma masa del electrón, pero su carga es de signo contrario (+) y
cuando se encuentra con en electrón, este par se aniquila convirtiendo toda su
masa en energía en forma de radiación (fotones). Fue descubierto en
experimentos de rayos cósmicos por Carl Anderson en 1932.
Protón
Es una partícula de carga eléctrica igual a
la del electrón pero positiva y con una masa 1800 veces mayor a la del
electrón. Un protón está formado por tres quarks y se encuentra normalmente
dentro de núcleos atómicos. En ambientes de muy alta energía como en
el Sol, los protones se encuentran libres.
Quarks
Por medio de experimentos de colisiones
entre partículas elementales se ha podido determinar que el protón y el neutrón
no son partículas simples (sin partes). Por el contrario, dentro del protón hay
partes con sus propiedades individuales que se suman para formar las
características visibles del protón. Estas partes que forman al protón se llaman quarks.
Los quarks son partículas elementales, que forman una serie de familias de otras partículas; por ejemplo la ombinacion de tres quarks forman los bariones y combinaciones de un quark y un anti-quark forman la famila de los mesones.
Los quarks son partículas elementales, que forman una serie de familias de otras partículas; por ejemplo la ombinacion de tres quarks forman los bariones y combinaciones de un quark y un anti-quark forman la famila de los mesones.
Los quarks sienten la fuerza nuclear fuerte,
pero no se encuentran libres en la naturaleza. El físico Murray Gell-Mann fue
quien dio el nombre de 'quarks' a estas partículas. Poco tiempo después de
lanzada la hipótesis de los quarks, experimentos realizados en los laboratorios
de Fermilab (en EEUU) y CERN (en Ginebra) comenzaron a dar evidencia
experimental sobre su existencia.
La siguiente ilustración muestra el núcleo de un átomo de deuterio, contiene un protón y un neutrón, cada uno con tres quarks. El electrón golpea un quark en un protón que pasa la energía de los quarks antes de cada electrón se recupere.
El quark tiene tanta energía que crea nuevas partículas a medida que el fotón sale.
Dependiendo de la interacción se consideran
otras partículas:
FUERZA
|
PARTÍCULA
|
Electromagnética
|
Fotón
|
Gravitacional
|
Graviton
|
Nuclear fuerte
|
Gulón
|
Nuclear débil
|
W, Z
|
FUERZAS DE LA NATURALEZA
Todos los fenómenos físicos de la
naturaleza se explican mediante cuatro fuerzas de interacciones: dos fuerzas
nucleares fuerte y débil, la fuerza de gravitación presente en todo el universo
y por último la electromagnética que une los átomos de toda la materia.
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 y regula sus movimientos.
En 1915, 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, que es lo mismo), formulando su teoría general de la relatividad.
Los intentos realizados por cuantizar la
interacción gravitatoria implican la existencia de un bosón mediador de la
interacción, el gravitón, de masa nula y número cuántico de espín 2, que no ha podido
ser detectado aún. Dicha partícula
virtual sería la intercambiada entre las partículas subatómicas (o fermiones)
que se ven afectadas por la gravedad en un instante dado.
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 moléculas, donde une a los electrones y los núcleos. Es
mucho más intensa que la fuerza gravitatoria y su alcance es también infinito.
A raíz del triunfo de la teoría general de la
gravitación de Newton, Coulomb la adaptó para explicar las fuerzas de atracción
y repulsión experimentadas por los objetos cargados eléctricamente, demostrando
que ésta era directamente proporcional al producto de las cargas eléctricas e
inversamente proporcional al cuadrado de su distancia. 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.
Experimentos posteriores realizados por el danés
Oersted, el francés
Ampère y el británico Faraday revelaron que los
fenómenos eléctricos y magnéticos
estaban relacionados. Su estudio fue sistematizado
por el físico escocés J. C. Maxwell
en su teoría electromagnética, en la que predijo
que la transmisión de los campos
eléctrico y magnético, perpendiculares entre sí, se
realizaba ondulatoriamente a la
velocidad de la luz.
En el orden macroscópico, la teoría de Maxwell
constituye un modelo de economía al unificar el tratamiento de los fenómenos eléctricos
y magnéticos en sólo cuatro famosas ecuaciones, mientras que en las dimensiones
atómicas la teoría del electromagnetismo se denomina electrodinámica cuántica,
cuyos fundamentos se deben a Bethe, Tomonaga, Schwinger y Feynman, principalmente,
y que realiza una corrección cuántica de las ecuaciones de Maxwell.
INTERACCIONES NUCLEARES
DÉBIL
En las emisiones radiactivas de tipo beta, ciertos
átomos tienen un exceso de neutrones, algunos de los cuales se desintegran convirtiéndose
en un protón, un electrón y un neutrino a través de un proceso regido por la
interacción nuclear débil o de Fermi, que sólo se manifiesta a distancias de
10-17 ó 10-18 m, la fuerza de menor alcance.
La emisión de neutrinos fue propuesta por primera
vez en 1929 por Pauli. Postuló que, junto a los tres tipos de radiaciones conocidos,
alfa, beta y gamma, debían emitirse otras partículas a las que llamó neutrinos
y antineutrinos, sin carga eléctrica y cuya masa era muy pequeña o incluso
nula, como en el caso del fotón. En a emisión beta, un neutrón se convierte en
un protón, una situación no prevista ni en física clásica ni en física cuántica
y que tanto desconcertó a los físicos de partículas, y se crean un electrón y
un antineutrino.
FUERTE
Es la fuerza que obliga a los núcleos atómicos a
permanecer unidos. Los núcleos están formados por protones y neutrones, y estos
a su vez por quarks, estos se mantienen
unidos porque la interacción nuclear
fuerte les obliga a ello.
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 (10-15 m), capaz de vencer la
repulsión electrostática entre los
protones.
La descripción que actualmente se utiliza de la fuerza
débil se realiza de manera unificada con
la electromagnética en la denominada interacción electrodébil. Sus autores,
Glashow, Salam y Weinberg, recibieron el Premio Nobel de Física en 1979 por su
trabajo. La teoría actual de la interacción fuerte, debida principalmente a
Yang y Mills, fue completada a mitad de los años 70 y se llama cromodinámica
cuántica, desarrollada por analogía con la electrodinámica de Feynman y
colaboradores.
Cada interacción tiene una intensidad y un alcance
concreto que la distingue de las otras, como ya hemos comentado con
anterioridad. Por ejemplo, sabemos que las fuerzas electromagnéticas y gravitatorias
tienen un alcance infinito, mientras que las otras dos se reducen al ámbito
nuclear.
La intensidad
de cada tipo de fuerza se explica según
la masa de la partícula de intercambio y la constante de acoplamiento. Richard
Feynman ideó un sencillo diagrama para representar la interacción de cualquier
tipo entre dos partículas, donde los estados iniciales y finales de ambas se
dibujan unidos por la partícula de intercambio.
Bibliografía
Sears,F. Zemansky,M. Young,H. Freedman, R.(2005).Física universitaria con física moderna. vol I y
II. Pearson Educación. México.
Tipler, P. Mosca, G.(2010) Física para la ciencia y la tecnoogía.Editorial Reverté.Barcelona
España.
http://centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/Rincon-C/Curiosid2/rc-132.pdfv Accesado el 13 de julio del 2012.
http://www.jlab.org/news/articles/2004/nucleus.html Accesado el 14 de julio del 2012.
