ESTRUCTURA DE LA MATERIA - CNEA - hola

Física de las partículas
Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA)
ESTRUCTURA DE LA MATERIA (*)
Hoy en día sabemos que la materia de la que está constituído el mundo puede entenderse a partir de
muy pocos "ladrillos" constitutivos. La idea es que, hurgando cada vez más fino, como si
empleáramos una lupa más y más poderosa, nos encontraremos al final con pequeños bloques
constructivos indivisibles. Un libro, un gato y un ratón, una montaña o más simplemente el átomo,
estarán compuestos por estos bloques que llamamos "materia elemental" o "partículas elementales".
Hasta fines del siglo XIX se pensaba que esos bloques indivisibles eran los átomos, pero
numerosas investigaciones llevaron a modificar esta idea. Actualmente se sabe que los átomos están
compuestos por un núcleo y por electrones que se mueven en torno a éste. A su vez el núcleo está
compuesto por protones y neutrones, los que su vez están formados por otras partículas. A estas
últimas las llamamos "partículas elementales de materia" porque: Son SIMPLES, NO TIENEN
ESTRUCTURA, NO ESTAN COMPUESTOS POR OTROS OBJETOS, SON LOS ÚLTIMOS
COSTITUYENTES DE LA MATERIA
Hasta hoy, se considera que estas partículas serían… ¡solamente doce! Se las conoce como
quarks y leptones. Existen seis tipos de quarks y seis tipos de leptones (y sus antipartículas, que
tienen igual masa y carga opuesta).
QUARKS
U (up)
D (down)
C (charm)
S(strange)
T (top)
B (beauty)
masa
(Gev/c2)
carga
elec.
.005
+2/3
.01
-1/3
1.5
+2/3
0.2
-1/3
180
+2/3
4.7
-1/3
LEPTONES
neutrino-electrón
electrón
neutrino-muon
muon
neutrino-tau
tau
masa
(Gev/c2)
carga
elec.
<7x10-9
0
.000511
-1
<.0003
0
0.106
-1
<.03
0
1.7771
-1
Los quarks y leptones se agrupan en tres "familias" o "generaciones", que en la tabla se indican con colores
diferentes. En todas las familias se repite el mismo esquema de cargas, pero las masas son muy diferentes. Si
bien los quarks tienen carga eléctrica fraccionaria, se unen para formar partículas compuestas (llamadas
hadrones) como el protón o el neutrón que tienen carga entera (por ejemplo; la carga del protón es 1 y la del
neutrón es 0).
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Los quarks más conocidos son el quark "u" y el quark "d" que forman parte del protón y del
neutrón. El electrón a su vez, responsable de la corriente eléctrica, es el más conocido de los
leptones. Toda la materia con la que convivimos y de la que estamos formados esta compuesta por
protones, neutrones y electrones. Es sólo a través de experimentos en aceleradores, o mediante la
observación de rayos cósmicos que podemos saber de la existencia de los otros quarks y leptones.
Así como el electrón tiene carga eléctrica, los quarks tienen, además, otra especie de carga
llamada "color". Este nombre no tiene nada que ver con los colores que vemos, es el nombre que se
da a una nueva característica, específica de los quarks. Podríamos decir que el color de los quarks y
los colores del arco iris tienen tanto que ver entre sí como los grados de la escuela y los grados
Centígrados... Los quarks aparecen con tres tipos de carga o colores.
Quarks y leptones pueden agruparse en tres familias, cada una con dos tipos de quarks y
leptones.
Hay tres familias de quarks y leptones. Sin embargo dijimos que toda la materia estable del
universo está formada sólo por los dos tipos de quarks menos masivos, el “up” y el “down”, y por el
más liviano de los leptones cargados, el electrón.
¿Por qué no observamos las partículas de las otras familias?
Las otras partículas son más pesadas y pueden decaer a partículas más livianas (ver tabla con
masas). En un decaimiento, la partícula original desaparece y se producen dos o más partículas. La
suma de las masas de las partículas producidas es siempre menor que la masa de la partícula
original. Aunque esta última condición se cumpla, no siempre una partícula pesada podrá decaer a
otras mas livianas,. Para que ello suceda, tiene que existir una "interaccion" que le permita hacerlo.
Son las interacciones débiles las que permiten que los quarks y leptones más pesados
decaigan para producir quarks y leptones más livianos. Por eso sólo observamos los quarks livianos
"up" y "down" y el electrón, que es el leptón más liviano.
¿Los átomos pueden dividirse?
Los átomos son demasiado pequeños como para verlos aún con la ayuda de un microscopio
convencional. Dentro de una cabeza de alfiler (de casi 1 milímetro cúbico) cabrían
aproximadamente mil millones de millones de millones de átomos (mil trillones = 1021), es decir,
2.000.000 veces la cantidad de pelos que tienen sumados todos los habitantes de nuestro planeta.
La palabra "átomo" fue acuñada en la antigua Grecia. En esa época, Demócrito llamaba así a
lo que algunos filósofos pensaban que eran los mínimos trozos en que podría dividirse la materia.
La palabra griega "átomo" se formaba por las palabras 'a' y 'tomos', significando aquello que no se
puede subdividir.
Todavía hoy seguimos usando esa misma palabra, pero en la actualidad se considera que los
átomos sí pueden subdividirse: están ellos mismos formados por asociaciones de constituyentes más
básicos. Sin embargo, un átomo es la menor porción de una sustancia simple que puede ser todavía
considerada como tal. A estas sustancias simples las llamamos elementos químicos. Entonces,
aunque un átomo pueda ser dividido en porciones más pequeñas de materia, éstas ya no pueden ser
consideradas elementos químicos. Diferentes experimentos, comenzados a principios del siglo XX,
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nos fueron llevando a comprender en forma cada vez más completa cómo es la estructura de los
átomos, es decir, cómo están formados.
En las primeras interpretaciones del átomo, a comienzos del siglo XX, se lo pensó como un
pequeño sistema solar, con un núcleo central muy pequeño y pesado y partículas llamadas
electrones que están dando vueltas alrededor del núcleo a gran velocidad. El núcleo es
considerablemente más pequeño que el átomo al que pertenece, en forma parecida a que el diámetro
del Sol es muchísimo menor que el diámetro de la órbita de Plutón, que podría ser considerada
como el tamaño de nuestro sistema solar entero
Ahora se sabe que no sólo el átomo puede subdividirse en partes más pequeñas. También se
ha descubierto que el núcleo está a su vez formado por otras partículas fuertemente unidas entre sí:
los protones y los neutrones (que su vez están formados por otros "bloques": las partículas
elementales de materia). A los neutrones y protones se los denomina nucleones. Los protones tienen
carga eléctrica positiva, en tanto que los neutrones no tienen carga neta (de donde proviene su
nombre: "eléctricamente neutros").
La carga eléctrica de cada protón es de igual magnitud que la de un electrón, pero de signo
opuesto. Los nucleones no se encuentran aglutinados de cualquier modo como pasas de uva en un
budín, sino dispuestos en estructuras definidas cuya organización es todavía hoy motivo de
investigación.
Los átomos, cuando se encuentran en estado normal, tienen la misma cantidad de protones
que de electrones. Eso explica que la carga eléctrica de un átomo en este estado resulte nula. Si una
perturbación eléctrica suficientemente importante lo altera (como cuando choca contra una partícula
eléctricamente cargada, sea positiva o negativa), el átomo puede quedar con electrones de menos o
hasta de más, y se dice entonces que se encuentra ionizado, o que es un ion.
(*) El presente documento corresponde a material de divulgación de la COMISION NACIONAL
DE ENERGIA ATOMICA (CNEA) disponible de forma libre y gratuita en internet