Y lo pequeño es aún más pequeño…
Y la materia es mucho más compleja de lo que pensábamos…
Y las verdades siguen cambiando…
(7/3/07 – Agencia CyTA-Instituto Leloir. Por María Cristina Chaler) – El advenimiento de la radioactividad tuvo como consecuencia la química atómica. Los científicos comenzaron a transformar la materia en su esencia y se pudo modificar átomos y transformarlos unos en otros. La tan buscada piedra filosofal fue encontrada al fin.
Este proceso lo hace la naturaleza desde siempre. El hombre descubre y la imita, generando nuevas sustancias, creando átomos y formando materia. Esto le permitió a la ciencia ir descubriendo nuevas partículas. Así, el modelo atómico se transformó y es hoy como lo conocemos mucho más complejo. Esta nota tiene como objetivo dar una idea del nuevo modelo generado incorporando esas partículas constituyentes de la materia.
Recurramos a lo más conocido. Hasta ahora sabemos que el átomo es un enorme espacio vació en donde se encuentra una pequeña masa concentrada de materia a la que le damos el nombre de núcleo, que en principio esta compuesto por protones (carga positiva) y neutrones (elementos neutros), y está neutralizado eléctricamente por electrones (carga negativa) que llenan ese espacio vacio.
Asombrémonos mucho más
Todo en el Universo es caótico y está en constante movimiento. Ese caos no es azaroso, tiende a mantener una cierta coherencia y el equilibrio permanentemente se restablece.
De modo que, cuando pensamos en el átomo, no debemos imaginar algo estático donde sólo se mueven los electrones, sino que tenemos que asociarlo al movimiento; en él se dan translación, rotación, y vibraciones de todo tipo, es decir, las partículas que lo constituyen se trasladan, rotan y vibran.
El movimiento de rotación sobre sí mismo se denomina spin y tiene un determinado valor para cada partícula. Es posible calcularlo físicamente a través de extensas ecuaciones matemáticas.
Los electrones atómicos en ese espacio vació no están moviéndose al azar, sino que se ubican en niveles energéticos, que a su vez poseen subniveles. A los niveles energéticos se los denomina con números enteros crecientes tales como 1, 2, 3, 4, 5… Comenzando desde el más cercano al núcleo (número 1), y aumentando el número a medida que el nivel se aleja del mismo.
Cada nivel de energía tiene tantos subniveles como números posea el nivel, es decir 1 (uno) para el primer nivel, 2 (dos) para el segundo, 3 (tres) para el tercero, y así sucesivamente. Los nombres de estos subniveles son:
• s (sharp).
• p (principal).
• d (difusa).
• f (fundamental).
Estos se descubrieron, con el avance tecnológico y el análisis de los espectros atómicos.
Así es
• nivel 1 posee un orbital llamado 1s
• nivel 2 tiene 2s y 2p
• nivel 3 tiene 3s 3p 3d
• nivel 4 tiene 4s 4p 4d 4f
• nivel 5 tiene 5s 5p 5d 5f 5 (sin nombre)
Estos orbítales constituyen zonas en las que existe la mayor probabilidad de encontrar al electrón, y poseen formas determinadas (ecuaciones de onda) que se calculan mediante extensos análisis matemáticos.
A su vez, los electrones poseen ciertos números (cuánticos), que los rigen según la posición que ocupan en ese espacio vacío. Estos son:
• Número de nivel o principal = n que corresponde al nivel energético que ocupa el electrón.
• Número = l que corresponde al orbital en que se encuentra el electrón y se relaciona con el giro angular del mismo.
• Número magnético = m que corresponde al campo magnético que genera la carga eléctrica (e-) en movimiento.
• Número de spin = s que corresponde al sentido de giro del electrón sobre sí mismo.
Wolfgang Pauli, en 1925, enunció un principio (Principio de exclusión), que dice que “no existen dos electrones que posean el mismo juego de números cuánticos”, es decir, que los electrones atómicos están perfectamente diferenciados y ocupan un lugar en el espacio energéticamente calculado. Eso significa que no pueden coexistir dos partículas en el mismo lugar y en el mismo momento, lo que le da a la materia la propiedad de impenetrabilidad.
Este es uno de los motivos por los que la materia impresiona nuestros sentidos de la manera en que lo hace en nuestro planeta y se comporta como tal.
Por otra parte, estos electrones pueden ascender de nivel, pero si lo hacen necesitan absorber una cantidad determinada de energía (cuantificada), que corresponde a la diferencia de energías que tienen los niveles. Si el electrón desciende de nivel, liberará la misma cantidad de energía que necesitó para ascender (cuantos energéticos).
Todo lo dicho se encuentra experimentalmente (empíricamente) comprobado y calculado matemáticamente.
Esta descripción no pretende profundizar en cálculos matemáticos engorrosos, tiene como objetivo dar la idea de que el átomo posee una “organización”, a la que la física atómica le puso nombres, demostró experimentalmente y generó con el uso de la matemática cálculos de apoyatura, de modo que las teorías están validadas.
¿Cuáles son los constituyentes de la materia contundente que nos rodea?
¡Vamos a poner nombres!
Llamamos fermiones a todas las partículas materiales que poseen un spin (giro) semientero, es decir, múltiplo de ½ y cumplen con el Principio de exclusión de Pauli.
Los fermiones son: los quarks y los leptones.
El átomo posee 6(seis) quarks y 6(seis) leptones es decir que posee 12 sabores
Sabores = quarks + leptones.
Esas extrañas partículas llamadas quarks…
Son partículas que poseen carga color e interaccionan entre sí con fuerza color y también con fuerza eléctrica y fuerza magnética. La carga color, que ampliaremos en la nota Átomo II, no es lo que vulgarmente conocemos como tal, sino que es “algo” que genera fuerzas de interacción muy potentes entre las partículas atómicas.
Los sabores de los quarks son seis
• Arriba (up) (u)
• Abajo (down) (d)
• Extraño (strange) (s)
• Encantado (charm) (c)
• Bottom (fondo)(f)
• Cima (top)(t)
Los quarks son los constituyentes del núcleo atómico
¿Y qué pasa con los Leptones?
No poseen carga color, por lo tanto su fuerza de interacción es débil. Los sabores también son seis:
• Electrón (e-)
• Positrón (e+)
• Tau (?-)
• Muón (µ )
• Electrón neutrino (?e)
• Muneutrino (?µ)
Los tres primeros están cargados como se indica y los tres últimos no poseen carga eléctrica. Todos poseen masas despreciables.
Los Leptones son los que ocupan el espacio atómico vacío
Después de esta pequeña descripción de partículas, podemos asegurar que los núcleos atómicos formados por neutrones y protones (bariones) son partículas compuestas por otras partículas, que llamamos fermiones.
Los fermiones que hemos descrito hasta ahora son considerados partículas elementales, ya que hasta el día de hoy no se ha comprobado que puedan llegar a subdividirse en partes más pequeñas. Esa es nuestra verdad por el momento…
Los quarks y los leptones forman prácticamente toda la materia (fermiónica) que nos rodea.
Los opuestos se compensan
Pero hay algo para tener en cuenta
Cada partícula de las mencionadas tiene su antipartícula, que posee las mismas características, pero tiene carga eléctrica contraria. Si no está cargada, la antipartícula resulta ser la misma partícula.
Por lo que tendremos:
Los antiquarks y los antileptones
Las parejas de partícula / antipartícula forman los hadrones, que son partículas compuestas
Resumiendo
El núcleo atómico esta formado por neutrones y protones, partículas compuestas formadas por quarks. Los quarks y antiquarks forman los hadrones. Fuera del núcleo los leptones y antileptones
Continuamos maravillándonos…
Los hadrones interactúan entre sí a través de los quarks que contienen. Esta interacción es sumamente fuerte y se efectúa por la fuerza color que cada quark ejerce según la carga color que posea, de este modo se mantiene la coherencia nuclear. La separación de este tipo de interacción requiere enormes cantidades de energía.
El color que no es color…
La carga color de los quarks se clasifica en roja, verde o azul y los antiquarks poseen cargas antirojo, antiverde y antiazul. Esas cargas color ejercen fuerzas, como una cuerda potente que mantiene unidos a los hadrones, cuyos quarks interaccionan de modo que el núcleo atómico permanece estable.
Cuando se intenta separar a los quarks, el campo color no lo permite, ejerciendo una enorme fuerza que los mantiene unidos. Si ejercemos un enorme trabajo y logramos separar considerablemente a los quarks que interaccionan entre distintos hadrones, se acumula tanta energía motivada por esa separación que el equilibrio atómico se restablece creando nueva materia, es decir, nuevos quarks. De ese modo disminuye la separación. No nos olvidemos que E = mc2 (ecuación de Einstein) y, por lo tanto, materia y energía se transforman mutuamente.
Otras partículas más…
Un conjunto de 3 (tres) quarks, con sus tres antiquarks, recibe el nombre de Barión
¿Que tipos de bariones posee el núcleo?
• Nucleones
• Protones
• Neutrones
• Hiperones (partículas que poseen por lo menos un quarks extraño) y son más pesadas que los nucleones su t1/2 es muy pequeño.
• Y Otros que poseen quarks encantados y quarks de fondo
Todavía no se demostró la presencia de bariones exóticos, llamados pentaquarks, que estarían formados por cuatro quarks y un antiquarks. Pero se supone que existen.
La naturaleza demuestra día a día a los hombres su inmensidad y lo pequeño que el ser humano es ante tanta maravilla. El hombre a través de la Ciencia y con inteligencia va descubriendo lo que siempre estuv.o Y aún le falta muchísimo por descubrir.