Constituyentes de la Materia

Escribo esto porque creo que puede ayudar a entender mejor el artículo sobre el LHC (tan en boca de todos por el supuesto fin del mundo que algunos aseguran provocará) que escribí hace cosa de un mes (En Busca de la Partícula de Dios) y algunos más que pueda escribir y tengan que ver con el tema de la materia y sus componentes (como el que subiré a poco tardar). No es muy complejo, aunque lo parezca. He resumido muy mucho la información que he encontrado, pero supongo que alguien que realmente sepa de esto y lo haya estudiado en profundidad será capaz de sacar los colores a esto y encontrar algún que otro (espero que no muchos Razz) fallos. Si alguien los detecta que lo diga e intento corregirlo.

 

La materia está compuesta por átomos, siendo un átomo la unidad máspequeña de un elemento químico que mantiene sus propiedades y no puededividirse mediante procesos químicos. El átomo puede dividirse en otras "piezas", llamadas partículas subatómicas. La estructura del átomo lacomponen las siguientes partículas subatómicas:

  1. Protón: Partícula de carga eléctrica positiva. Su masa es de 1,67262 × 10–27 kg.
  2. Neutrón: Partícula sin carga eléctrica. Su masa es de 1,67493 × 10-27 kg.
  3. Electrón: Partícula de carga eléctrica negativa. Su masa es de 9.11 × 10?31 kg.

En el átomo protones y neutrones forman juntos el núcleo, en tornoal cual orbitan los electrones. El número de protones de un átomodetermina de que elemento se trata. En un átomo con las cargaseléctricas equilibradas (osease carga total nula) hay mismo número deprotones que electrones. Podemos extraer o añadir electrones de unátomo y sequirá siendo el mismo elemento pero su carga eléctrica habrávariado. Hablamos entonces de un ión.

  • Si se extraen electrones la carga positiva supera a la negativa, formándose un ión positivo o catión.
  • Si se añaden electrones la carga negativa supera a la positiva, formándose un ión negativo o anión.

Tomemos de ejemplo el Hidrógeno, el átomo más sencillo, compuesto por un protón, un neutrón y un electrón:

 

Esquema de la estructura del átomo de hidrógeno neutro, contine:

• 1 Protón.
• 1 Neutrón.
• 1 Electrón.

     

     

    Esquema de la estructura del ión H+, es decir un átomo de hidrógeno al que se le ha extraído un electrón, contine:

    • 1 Protón.
    • 1 Neutrón.

       

       

       

      Esquema de la estructura del ión H, es decir un átomo de hidrógeno al que se le han ha añadido un electrón, contine:

      • 1 Protón.
      • 1 Neutrón.
      • 2 Electrones.

        Puede parecer que no hay más divisiones posibles de las partículas subatómicas, pero la hay.

        Existen dos tipos fundamentales de partículas subatómicas en la naturaleza:

        1. Fermiones: Su espín se considera semientero (1/2, 3/2…).
        2. Bosones: Su espín se considera entero (1, 2…).

        El espín es el nombre dado a la propiedad de las partículas de girar sobre sí mismas. Según su dirección puede ser positivo onegativo. Si es cero se asume que la partícula no gira.

        La clasificación de las partículas subatómicas elementales podría ponerse así:

        • Fermiones:
          • Quarks:
            • Quark Arriba (u).
            • Quark Abajo (d).
            • Quark Extraño (s).
            • Quark Encantado (c).
            • Quark Fondo (b).
            • Quark Cima (t).
          • Leptones:
            • Electrón.
            • Muón.
            • Tau.
            • Neutrino Electrónico.
            • Neutrino Muónico.
            • Neutrino Tauónico.
        • Bosones:
          • Fotón.
          • Gluón.
          • Bosones W y Z.
          • Bosón de Higgs.
          • Fonones.
          • Bosón X.

         

        Empezamos hablando de los fermiones.

         

        Los Quarks son constituyentes fundamentales de la partícula y la única partícula que interactúa con los cuatro tipos de fuerzas fundamentales (fuerzas que se emplean para explicar el funcionamiento del universo). Éstas fuerzas son:

        1. Interacción Nuclear Fuerte: Es la responsable de mantener unidos los protones y neutrones.
        2. Interacción Nuclear Débil: Fuerzas del orden de 1013 más pequeñas que la interacción nuclear fuerte.
        3. Interacción Electromagnética: Se da entre partículas con carga eléctrica. Se habla de electrostática si las cargas están en reposo o magnéticas si las cargas están en moviento.
        4. Interacción Gravitatoria: Fuerza de atracción que sufren entre sí todas las partículas que poseen masa. Su alcance es infinito.

        Protones y neutrones están formados por quarks, unidos entre sí por partículas sin masa ni carga eléctrica y portadoras de fuerza de interacción nuclear fuerte, los llamados gluones. Según varíen sus propiedades los quarks se clasifican:

        1. Quark Arriba (u).
        2. Quark Abajo (d).
        3. Quark Extraño (s).
        4. Quark Encantado (c).
        5. Quark Fondo (b).
        6. Quark Cima (t).

        Cada uno de los seis atributos que definen las propiedades de los quarks se denomina sabor. El atributo que hace que gluones y quarks interactúen se llama carga de color (no es que los quarks tengan ese color como tradicionalmente se piensa en el color, simplemente se denomina así), existiendo tres: rojo, verde y azul, así como antiquarks (ver más adelante la antimateria) con sus respectivos anticolores (antirojo, antiazul y antiverde). Existen entonces un total de 18 tipos de quarks, según varien su sabor y color. Los glúones tienen un color y un anti-color (por ejemplo, azul-antiverde).

        La unión de tres quarks forma un barión. Los protones y neutrones son, pues, Bariones ya que ambos están compuestos de tres quarks:

         

        Protón, compuesto por:

        • 2 Quarks arriba (U).
        • 1 Quark abajo (D).

         

           

          Neutrón, compuesto por:

          • 1 Quark arriba (U).
          • 2 Quarks abajo (D).

           

            La unión de un quark y un antiquark forma un Mesón. Todos los mesones son inestables pero pese a ello pueden encontrarse aislados ya que las cargas de color del quark y el antiquark son opuestos, obteniendo una carga de color neutra.

              Los leptones son partículas elementales pertenecientes a la familia de los fermiones que no experimentan interacción nuclear fuerte. Cada leptón lleva asociado un neutrino, partículas de spín 1/2, carga negativa y masa del orden de 200.000 veces menor a la del electrón.

              Del electrón hablamos al principio de la entrada, así que pasamos a los dos restantes leptones.

              Muón: Posee las mismas características que el electrón pero una masa unas 200 veces mayor. En su desintegración se forman un electrón y dos neutrinos empleando el 0.5% de la energía. El 99.5% de la energía restante se invierte en la formación de fotones y otras partículas.

              Tau (o Tauón): Al igual que el muón, posee las mismas características que el electrón pero una masa unas 17 veces mayor que el muón y por tanto unas 3500 veces mayor que el electrón. En su desintegración puede:

              1. Formar un muón y dos neutrinos. 18% de probabilidades.
              2. Formar un electrón y dos neutrinos. 18% de probabilidades.
              3. Hadrones y un neutrino. 64% de probabilidades.

               

              Pasamos a los bosones.

              Los Fotones son partículas sin masa y cargas de color y eléctrica neutras portadoras de las radiaciones electromagnéticas (entre las que se encuentra la luz visible).

              Los Bosones W y Z son las partículas mediadoras en la interacción nuclear débil. Son partículas muy masivas (esto es, de gran masa) que cambian el sabor de los leptones y los quarks.

              El Bosón de Higgs ha sido teorizado pero no observado (se espera poder hacerlo con el LHC del CERN). En teoría explicaría el origen de la masa de otras partículas elementales. Se le estima una masa de entre 100 y 200 veces la del protón.

              El Fonón es análogo al fotón pero ésta en la medida de la energia vibracional en los sólidos. Es importante para una gran variedad de propiedades del sólido, entre ellas las conductividades térmica y eléctica. Son bosones de spín 0.

              El Bosón X es análogo a los bosones W y Z pero correspondiente a un nuevo tipo de fuerza, predicha por la Teoría de la Gran Unificación (teoría que unifica en una sóla fuerza la interacción nuclear fuerte, la interacción nuclear débil y la fuerza electromagnética).

              Las partículas compuesta por fermiones y bosones (en concreto gluones) y en las que predominan las fuerzas de interacción fuertes forman los llamados Hadrones.

               

              Existe una última partícula elemental, aunque existe tal vez no sea la palabra más indicada ya que sólo ha sido teorizada. Se trata de la transmisora de la fuerza de atracción gravitatoria, el Gravitón. Debería ser un bosón de spin par (exactamente 2) y su masa podría ser nula. Al ser una partícula portadora de muy poca energía sus efectos son poco notorios haciendo de su detección una tarea harto difícil.

               

              Queda decir que existe un tipo de materia opuesta a la que conocemos, la antimateria, formada por antipartículas. Así, por ejemplo, para la contraparte del átomo de hidrógeno que vimos al principio, compuesto de un protón (carga positiva), un neutrón (carga neutra) y un electrón (carga negativa), tendríamos el átomo de antihidrógeno, formado por un antiprotón (carga negativa), un antineutrón (carga neutra) y un antielectrón (carga positiva).

              Si la materia y la antimateria entran en contacto entre sí se aniquilan, produciendo un estallido de energía que se manifiesta en la formación de partículas, antipartículas o radiación electromagnética.

              La antimateria se crea en colisiones entre partículas de alta energía. No se ha logrado detectar antimateria como residuo del Big Bang (cosa que si se ha hecho con la materia). La desigualdad de la distribución en el universo de materia y antimateria es, igualmente, un misterio.

               

              Tabla-resumen de fermiones.

              Tabla-resumen de bosones.