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Partícula subatómica

Una partícula subatómica es aquella que es más pequeña que el átomo. Puede ser una partícula elemental o una compuesta, a su vez, por otras partículas, como los quarks que componen los protones y los neutrones. No obstante, existen otras partículas subatómicas, tanto compuestas como elementales, que no son parte del átomo, como es el caso de los neutrinos y bosones.

Esquema de principios de siglo XX para un átomo de helio, mostrando dos protones (en rojo), dos neutrones (en verde) y dos electrones (en amarillo).

La mayoría de las partículas elementales que se han descubierto y estudiado no pueden encontrarse en condiciones normales en la Tierra, generalmente porque son inestables (se descomponen en partículas ya conocidas), o bien, son difíciles de producir de todas maneras. Estas partículas, tanto estables como inestables, se producen al azar por la acción de los rayos cósmicos al chocar con átomos de la atmósfera, y en los procesos que se dan en los aceleradores de partículas, los cuales imitan un proceso similar al primero, pero en condiciones controladas. De esta manera, se han descubierto docenas de partículas subatómicas, y se teorizan cientos de otras más. Ejemplos de partícula teórica es el gravitón; sin embargo, esta y muchas otras no han sido observadas en aceleradores de partículas modernos, ni en condiciones naturales en la atmósfera (por la acción de rayos cósmicos).

Como partículas subatómicas, se clasifican también las partículas virtuales, que son partículas que representan un paso intermedio en la desintegración de una partícula inestable, y por tanto, duran muy poco tiempo.

Introducción

Los primeros modelos atómicos consideraban básicamente tres tipos de partículas subatómicas: protones, electrones y neutrones. Más adelante el descubrimiento de la estructura interna de protones y neutrones, reveló que estas eran partículas compuestas. Además el tratamiento cuántico usual de las interacciones entre las partículas comporta que la cohesión del átomo requiere otras partículas bosónicas como los piones, gluones o fotones.

Los protones y neutrones por su parte están constituidos por quarks. Así un protón está formado por dos quarks arriba y un quark abajo. Los quarks se unen mediante partículas llamadas gluones. Existen seis tipos diferentes de quarks (Arriba, Abajo, Fondo, Cima, Extraño y Encanto). Los protones se mantienen unidos a los neutrones por el efecto de los piones, que son mesones compuestos formados por parejas de quark y antiquark (a su vez unidos por gluones). Existen también otras partículas elementales que son responsables de las fuerzas electromagnética (los fotones) y débil (los neutrinos y los bosones W y Z).

Los electrones, que están cargados con carga negativa, tienen una masa 1/1836 de la del átomo de hidrógeno, proviniendo el resto de su masa del protón. El número atómico de un elemento es el número de protones (o el de electrones si el elemento es neutro). Los neutrones por su parte son partículas neutras con una masa muy similar a la del protón. Los distintos isótopos de un mismo elemento contienen el mismo número de protones pero distinto número de neutrones. El número másico de un elemento es el número total de protones más neutrones que posee en su núcleo.

Las propiedades más interesantes de las tres partículas estables constituyentes de la materia existente en el universo son:

  • Protón: Se encuentra en el núcleo. Su masa es de 1,6×10-27 kg.[1]​ Tiene carga positiva igual en magnitud a la carga del electrón. El número atómico de un elemento indica el número de protones que tiene en el núcleo. Por ejemplo el núcleo del átomo de hidrógeno contiene un único protón, por lo que su número atómico (Z) es 1.
  • Electrón: Se encuentra en la corteza. Su masa aproximadamente es de 9,1×10-31 kg. Tiene carga eléctrica negativa (-1.602×10-19 C).[1]
  • Neutrón: Se encuentra en el núcleo. Su masa es casi igual que la del protón. No posee carga eléctrica.

El concepto de la partícula elemental es hoy algo más oscuro debido a la existencia de cuasipartícula que si bien no pueden ser detectadas por un detector constituyen estados cuánticos cuya descripción fenomenológica es muy similar a la de una partícula real y material.

Historia

En la Grecia clásica, el término ἀτομός atomós 'sin partes, indivisible' (la palabra tomo 'parte' se usa también para referirse a las divisiones de un libro, por ejemplo) era concebido como la parte más pequeña e indivisible constituyente de la materia, provisto de unos ganchitos que los mantenían unidos a los otros átomos.

Fue el desarrollo de la química la que consiguió establecer un número determinado de constituyentes de toda la materia existente y medible en la Tierra. Sus hallazgos dieron su mayor fruto de la mano de Dmitri Mendeléyev, al concretar de una forma sencilla todos los posibles átomos (definiendo de hecho la existencia de algunos no descubiertos hasta tiempo después).

Más adelante se descubrió que, si bien los recién definidos átomos cumplían la condición de ser los constituyentes de toda la materia, no cumplían ninguna de las otras dos condiciones. Ni eran la parte más pequeña ni eran indivisibles. Sin embargo se decidió mantener el término átomo para estos constituyentes de la materia.

La electroquímica liderada por G. Johnstone Stoney, dio lugar al descubrimiento de los electrones (e-) en 1874, observado en 1897 por Joseph John Thomson. Estos electrones daban lugar a las distintas configuraciones de los átomos y de las moléculas. Por su parte en 1907 los experimentos de Ernest Rutherford revelaron que gran parte del átomo era realmente vacío, y que casi toda la masa se concentraba en un núcleo relativamente pequeño. El desarrollo de la teoría cuántica llevó a considerar la química en términos de distribuciones de los electrones en ese espacio vacío. Otros experimentos demostraron que existían unas partículas que formaban el núcleo: el protón (p+) y el neutrón (n) (postulado por Rutherford y descubierto por James Chadwick en 1932). Estos descubrimientos replanteaban la cuestión de las partes más pequeñas e indivisibles que formaban el universo conocido. Se comenzó a hablar de las partículas subatómicas.

Más tarde aún, profundizando más en las propiedades de los protones, neutrones y electrones se llegó a la conclusión de que tampoco estos (al menos los dos primeros) podían ser tratados como la parte más pequeña, ni como indivisibles, ya que los quarks daban estructura a los nucleones. A partir de aquí se empezó a hablar de partículas cuyo tamaño fuese inferior a la de cualquier átomo. Esta definición incluía a todos los constituyentes del átomo, pero también a los constituyentes de esos constituyentes, y también a todas aquellas partículas que, sin formar parte de la materia, existen en la naturaleza. A partir de aquí se habla de partículas elementales.

Historia reciente

En 1897 Joseph John Thomson descubre el electrón. Albert Einstein interpreta el efecto fotoeléctrico como una evidencia de la existencia real del fotón. Anteriormente, en 1905, Max Planck había postulado el fotón como un quantum de energía electromagnética mínimo para resolver el problema de termodinámica de la radiación del cuerpo negro.

Por su parte Ernest Rutherford descubrió en 1907 en el famoso experimento de la lámina de oro que casi la totalidad de la masa de un átomo estaba concentrada en una muy pequeña parte de él, que posteriormente se llamaría núcleo atómico, siendo el resto vacío. El desarrollo continuado de estas ideas llevó a la mecánica cuántica, algunos de cuyos primeros éxitos incluyeron la explicación de las propiedades del átomo.

Muy pronto se identificó una nueva partícula, el protón, como constituyente único del núcleo del hidrógeno. Rutherford también postuló la existencia de otra partícula, llamada neutrón, tras su descubrimiento del núcleo. Esta partícula fue descubierta experimentalmente en 1932 por James Chadwick. A estas partículas se sumó una larga lista:

  • Wolfgang Pauli postuló en 1931 la existencia del neutrino para explicar la aparente pérdida de la conservación de la cantidad de movimiento que se daba en la desintegración beta. Enrico Fermi fue quien inventó el nombre. La partícula no fue descubierta hasta 1956.
  • Fue Hideki Yukawa quién postuló la existencia de los piones para explicar la fuerza fuerte que unía a los nucleones en el interior del núcleo. El muon se descubrió en 1936, pensándose inicialmente de forma errónea que era un pion. En la década de 1950 se descubrió el primer kaón entre los rayos cósmicos.
  • El desarrollo de nuevos aceleradores de partículas y detectores de partículas en esa década de 1950 llevó al descubrimiento de un gran número de hadrones, provocando la famosa cita de Wolfgang Pauli: «If I had foreseen this, I would have gone into botany» («Si hubiera previsto esto me hubiera hecho botánico»).
  • Junto con los hadrones compuestos aparecieron series de partículas que parecían duplicar las funciones y características de partículas más pequeñas. Así se descubrió otro «electrón pesado», además del muon, el tauón, así como diversas series de quarks pesados. Ninguna de las partículas de estas series más pesadas parece formar parte de los átomos de la materia ordinaria.

La clasificación de esos hadrones a través del modelo de quarks en 1961 fue el comienzo de la edad de oro de la física moderna de partículas, que culminó en la completitud de la teoría unificada llamada el modelo estándar en la década de los 70.

La confirmación de la existencia de los bosones de gauge débil en la década de 1980 y la verificación de sus propiedades en los 90 se considera como la era de la consolidación de la física de partículas. Entre las partículas definidas por el modelo estándar, permaneció sin descubrir el elusivo bosón de Higgs por varios años hasta que fue descubierto por experimentos en CERN y anunciado con la presencia de su teórico creador Peter Higgs el 4 de julio de 2012. Este ha sido uno de los objetivos primordiales del acelerador Large Hadron Collider (LHC) del CERN.[2]​ El bosón de Higgs es la que confiere masa a otras partículas y explica por qué se formaron estrellas, sistemas solares y estructuras del universo tras el Big Bang por lo que su descubrimiento científico y prueba experimental de soporte representan el más importante logro de la física y la cosmología de los últimos 30 años. El resto de partículas conocidas encaja a la perfección con el modelo estándar.

Materias de trabajo

El estudio de estas partículas subatómicas, de su estructura y de sus interacciones, incluye materias como la mecánica cuántica y la física de partículas. A veces, debido a que gran parte de las partículas que pueden tratarse como partículas subatómicas solo existen durante períodos de tiempo muy cortos y en condiciones muy extremas como los rayos cósmicos o los aceleradores de partículas, suele llamarse a esta disciplina física de altas energías.

Por su parte, el tratamiento que la teoría cuántica de campos (TCC) hace de las partículas, difiere de la mecánica cuántica en un punto importante. En la TCC las partículas no son entidades básicas, sino que sólo existen campos y posibles estados del espacio-tiempo (el que sean perceptibles un cierto número de partículas es una propiedad del estado cuántico del espacio tiempo). Así, un campo es tratado como un observable asociado a una región del espacio-tiempo, a su vez, a partir del observable de campo se puede definir un operador número que se interpreta como el número de partículas observables en el estado cuántico. Puesto que los autovalores del operador número son números enteros y las magnitudes extensivas son expresables en términos de este operador, razón por la cual los autovalores de ese operador se pueden interpretar como el número de partículas.

Véase también

Referencias

Bibliografía

  • Halzen, F.; Martin, D. Quarks & Leptons, 1984, Ed. John Wiley. ISBN 0-471-81187-4.
  • Green, Brian R. The elegant universe, 1999 [existe una edición española, El universo elegante, Ed. Crítica, Drakontos, ISBN 84-8432-781-7, 2006].

Enlaces externos

  • particleadventure.org: El modelo estándar (en inglés).
  • (en inglés).
  • Universidad de California: Grupo de datos de partículas (en inglés).
  • Enciclopedia de física con anotaciones: Teoría cuántica de campos
  • (en inglés).
  • Partículas subatómicas: De los electrones a los quarks (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última).
  •   Datos: Q177013
  •   Multimedia: Subatomic particles

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Una particula subatomica es aquella que es mas pequena que el atomo Puede ser una particula elemental o una compuesta a su vez por otras particulas como los quarks que componen los protones y los neutrones No obstante existen otras particulas subatomicas tanto compuestas como elementales que no son parte del atomo como es el caso de los neutrinos y bosones Esquema de principios de siglo XX para un atomo de helio mostrando dos protones en rojo dos neutrones en verde y dos electrones en amarillo La mayoria de las particulas elementales que se han descubierto y estudiado no pueden encontrarse en condiciones normales en la Tierra generalmente porque son inestables se descomponen en particulas ya conocidas o bien son dificiles de producir de todas maneras Estas particulas tanto estables como inestables se producen al azar por la accion de los rayos cosmicos al chocar con atomos de la atmosfera y en los procesos que se dan en los aceleradores de particulas los cuales imitan un proceso similar al primero pero en condiciones controladas De esta manera se han descubierto docenas de particulas subatomicas y se teorizan cientos de otras mas Ejemplos de particula teorica es el graviton sin embargo esta y muchas otras no han sido observadas en aceleradores de particulas modernos ni en condiciones naturales en la atmosfera por la accion de rayos cosmicos Como particulas subatomicas se clasifican tambien las particulas virtuales que son particulas que representan unpaso intermedio en la desintegracion de una particula inestable y por tanto duran muy poco tiempo Indice 1 Introduccion 2 Historia 2 1 Historia reciente 3 Materias de trabajo 4 Vease tambien 5 Referencias 6 Bibliografia 7 Enlaces externosIntroduccion EditarLos primeros modelos atomicos consideraban basicamente tres tipos de particulas subatomicas protones electrones y neutrones Mas adelante el descubrimiento de la estructura interna de protones y neutrones revelo que estas eran particulas compuestas Ademas el tratamiento cuantico usual de las interacciones entre las particulas comporta que la cohesion del atomo requiere otras particulas bosonicas como los piones gluones o fotones Los protones y neutrones por su parte estan constituidos por quarks Asi un proton esta formado por dos quarks arriba y un quark abajo Los quarks se unen mediante particulas llamadas gluones Existen seis tipos diferentes de quarks Arriba Abajo Fondo Cima Extrano y Encanto Los protones se mantienen unidos a los neutrones por el efecto de los piones que son mesones compuestos formados por parejas de quark y antiquark a su vez unidos por gluones Existen tambien otras particulas elementales que son responsables de las fuerzas electromagnetica los fotones y debil los neutrinos y los bosones W y Z Los electrones que estan cargados con carga negativa tienen una masa 1 1836 de la del atomo de hidrogeno proviniendo el resto de su masa del proton El numero atomico de un elemento es el numero de protones o el de electrones si el elemento es neutro Los neutrones por su parte son particulas neutras con una masa muy similar a la del proton Los distintos isotopos de un mismo elemento contienen el mismo numero de protones pero distinto numero de neutrones El numero masico de un elemento es el numero total de protones mas neutrones que posee en su nucleo Las propiedades mas interesantes de las tres particulas estables constituyentes de la materia existente en el universo son Proton Se encuentra en el nucleo Su masa es de 1 6 10 27 kg 1 Tiene carga positiva igual en magnitud a la carga del electron El numero atomico de un elemento indica el numero de protones que tiene en el nucleo Por ejemplo el nucleo del atomo de hidrogeno contiene un unico proton por lo que su numero atomico Z es 1 Electron Se encuentra en la corteza Su masa aproximadamente es de 9 1 10 31 kg Tiene carga electrica negativa 1 602 10 19 C 1 Neutron Se encuentra en el nucleo Su masa es casi igual que la del proton No posee carga electrica El concepto de la particula elemental es hoy algo mas oscuro debido a la existencia de cuasiparticula que si bien no pueden ser detectadas por un detector constituyen estados cuanticos cuya descripcion fenomenologica es muy similar a la de una particula real y material Historia EditarEn la Grecia clasica el termino ἀtomos atomos sin partes indivisible la palabra tomo parte se usa tambien para referirse a las divisiones de un libro por ejemplo era concebido como la parte mas pequena e indivisible constituyente de la materia provisto de unos ganchitos que los mantenian unidos a los otros atomos Fue el desarrollo de la quimica la que consiguio establecer un numero determinado de constituyentes de toda la materia existente y medible en la Tierra Sus hallazgos dieron su mayor fruto de la mano de Dmitri Mendeleyev al concretar de una forma sencilla todos los posibles atomos definiendo de hecho la existencia de algunos no descubiertos hasta tiempo despues Mas adelante se descubrio que si bien los recien definidos atomos cumplian la condicion de ser los constituyentes de toda la materia no cumplian ninguna de las otras dos condiciones Ni eran la parte mas pequena ni eran indivisibles Sin embargo se decidio mantener el termino atomo para estos constituyentes de la materia La electroquimica liderada por G Johnstone Stoney dio lugar al descubrimiento de los electrones e en 1874 observado en 1897 por Joseph John Thomson Estos electrones daban lugar a las distintas configuraciones de los atomos y de las moleculas Por su parte en 1907 los experimentos de Ernest Rutherford revelaron que gran parte del atomo era realmente vacio y que casi toda la masa se concentraba en un nucleo relativamente pequeno El desarrollo de la teoria cuantica llevo a considerar la quimica en terminos de distribuciones de los electrones en ese espacio vacio Otros experimentos demostraron que existian unas particulas que formaban el nucleo el proton p y el neutron n postulado por Rutherford y descubierto por James Chadwick en 1932 Estos descubrimientos replanteaban la cuestion de las partes mas pequenas e indivisibles que formaban el universo conocido Se comenzo a hablar de las particulas subatomicas Mas tarde aun profundizando mas en las propiedades de los protones neutrones y electrones se llego a la conclusion de que tampoco estos al menos los dos primeros podian ser tratados como la parte mas pequena ni como indivisibles ya que los quarks daban estructura a los nucleones A partir de aqui se empezo a hablar de particulas cuyo tamano fuese inferior a la de cualquier atomo Esta definicion incluia a todos los constituyentes del atomo pero tambien a los constituyentes de esos constituyentes y tambien a todas aquellas particulas que sin formar parte de la materia existen en la naturaleza A partir de aqui se habla de particulas elementales Historia reciente Editar En 1897 Joseph John Thomson descubre el electron Albert Einstein interpreta el efecto fotoelectrico como una evidencia de la existencia real del foton Anteriormente en 1905 Max Planck habia postulado el foton como un quantum de energia electromagnetica minimo para resolver el problema de termodinamica de la radiacion del cuerpo negro Por su parte Ernest Rutherford descubrio en 1907 en el famoso experimento de la lamina de oro que casi la totalidad de la masa de un atomo estaba concentrada en una muy pequena parte de el que posteriormente se llamaria nucleo atomico siendo el resto vacio El desarrollo continuado de estas ideas llevo a la mecanica cuantica algunos de cuyos primeros exitos incluyeron la explicacion de las propiedades del atomo Muy pronto se identifico una nueva particula el proton como constituyente unico del nucleo del hidrogeno Rutherford tambien postulo la existencia de otra particula llamada neutron tras su descubrimiento del nucleo Esta particula fue descubierta experimentalmente en 1932 por James Chadwick A estas particulas se sumo una larga lista Wolfgang Pauli postulo en 1931 la existencia del neutrino para explicar la aparente perdida de la conservacion de la cantidad de movimiento que se daba en la desintegracion beta Enrico Fermi fue quien invento el nombre La particula no fue descubierta hasta 1956 Fue Hideki Yukawa quien postulo la existencia de los piones para explicar la fuerza fuerte que unia a los nucleones en el interior del nucleo El muon se descubrio en 1936 pensandose inicialmente de forma erronea que era un pion En la decada de 1950 se descubrio el primer kaon entre los rayos cosmicos El desarrollo de nuevos aceleradores de particulas y detectores de particulas en esa decada de 1950 llevo al descubrimiento de un gran numero de hadrones provocando la famosa cita de Wolfgang Pauli If I had foreseen this I would have gone into botany Si hubiera previsto esto me hubiera hecho botanico Junto con los hadrones compuestos aparecieron series de particulas que parecian duplicar las funciones y caracteristicas de particulas mas pequenas Asi se descubrio otro electron pesado ademas del muon el tauon asi como diversas series de quarks pesados Ninguna de las particulas de estas series mas pesadas parece formar parte de los atomos de la materia ordinaria La clasificacion de esos hadrones a traves del modelo de quarks en 1961 fue el comienzo de la edad de oro de la fisica moderna de particulas que culmino en la completitud de la teoria unificada llamada el modelo estandar en la decada de los 70 La confirmacion de la existencia de los bosones de gauge debil en la decada de 1980 y la verificacion de sus propiedades en los 90 se considera como la era de la consolidacion de la fisica de particulas Entre las particulas definidas por el modelo estandar permanecio sin descubrir el elusivo boson de Higgs por varios anos hasta que fue descubierto por experimentos en CERN y anunciado con la presencia de su teorico creador Peter Higgs el 4 de julio de 2012 Este ha sido uno de los objetivos primordiales del acelerador Large Hadron Collider LHC del CERN 2 El boson de Higgs es la que confiere masa a otras particulas y explica por que se formaron estrellas sistemas solares y estructuras del universo tras el Big Bang por lo que su descubrimiento cientifico y prueba experimental de soporte representan el mas importante logro de la fisica y la cosmologia de los ultimos 30 anos El resto de particulas conocidas encaja a la perfeccion con el modelo estandar Materias de trabajo EditarVeanse tambien fisica atomica Fisica nuclear Fisica cuantica Mecanica cuanticay Modelo estandar El estudio de estas particulas subatomicas de su estructura y de sus interacciones incluye materias como la mecanica cuantica y la fisica de particulas A veces debido a que gran parte de las particulas que pueden tratarse como particulas subatomicas solo existen durante periodos de tiempo muy cortos y en condiciones muy extremas como los rayos cosmicos o los aceleradores de particulas suele llamarse a esta disciplina fisica de altas energias Por su parte el tratamiento que la teoria cuantica de campos TCC hace de las particulas difiere de la mecanica cuantica en un punto importante En la TCC las particulas no son entidades basicas sino que solo existen campos y posibles estados del espacio tiempo el que sean perceptibles un cierto numero de particulas es una propiedad del estado cuantico del espacio tiempo Asi un campo es tratado como un observable asociado a una region del espacio tiempo a su vez a partir del observable de campo se puede definir un operador numero que se interpreta como el numero de particulas observables en el estado cuantico Puesto que los autovalores del operador numero son numeros enteros y las magnitudes extensivas son expresables en terminos de este operador razon por la cual los autovalores de ese operador se pueden interpretar como el numero de particulas Vease tambien EditarCronologia de la fisica atomica y subatomica Simetria de Poincare Simetria CPT teorema espin estadistica boson y fermion Fisica de 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