Download f í sic a nuclea r d e part í culas

Baltasar González Benítez
Gloria Garrido Paiva
FÍSICA NUCLEAR DE
PARTÍCULAS
Índice
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Historia de la materia
Modelo Standard
Relaciones entre partículas
Generaciones de la materia
Interacciones de la materia
Principio de exclusión de Pauli
Teoría de cuerdas
HISTORIA
Una pregunta que siempre nos ha preocupado
sobre el mundo, es su origen y materia.
Así comienza el interés por conocer la
estructura de nuestro alrededor.
En la antigüedad los hombres buscaban el arje
o principio fundamental de las cosas
El primero que clasificó los elementos de la
naturaleza (fuego, agua, tierra, aire) como
materia fundamental fue Empédocles (5 aC),
más adelante Demócrito supo que existía algo
más fundamental a lo que denominó átomo.
HISTORIA
Según la teoría atómica de Dalton, la materia es
discontinua y está formada por partículas
indivisibles llamados átomos.
Esta teoría originó una serie de discusiones que
desembocaron en la investigación de la
conductividad eléctrica de los gases
(experimentación de los rayos catódicos).
Gracias a esto se descubrió el electrón 1897 por
J.J. Thomson. El electrón fue considerado una
partícula subatómica de carga negativa lo que
obligó a los científicos a buscar una carga
positiva ya que la materia es neutra.
HISTORIA
Más tarde Rutherford estableció un nuevo
modelo atómico donde cargas negativas
(e-) y cargas positivas (p+) constituyen el
núcleo; el átomo mayor que el núcleo
incluye corteza electrónica donde los
electrones describen órbitas circulares.
El Físico ingles, J. Chadwick detectó otra
partícula en el núcleo que denominó
neutrón, por no tener carga.
HISTORIA
A la par de estos descubrimientos, el alemán
Hertz descubre el efecto fotoeléctrico
(determinados metales son capaces de emitir
electrones cuando se exponen a la luz) pero su
explicación teórica llegará a manos de Einstein
(1905) influida por la teoría cuántica de Planck.
Esta teoría afirma que la luz esta constituida por
partículas denominadas fotones (partícula
elemental responsable de las manifestaciones
cuánticas del fenómeno electromagnético).
En resumen la estructura interna de la materia se
constituye en cuatro partículas fundamentales: el
electrón, el protón, el neutrón y el fotón.
ELECTRÓN
Es una partícula subatómica de tipo
fermiónico. En un átomo los electrones
rodean el núcleo, compuesto únicamente de
protones y neutrones.
Los electrones tienen una masa pequeña
respecto al protón, y su movimiento genera
corriente eléctrica en la mayoría de los
metales. Estas partículas desempeñan un
papel primordial en la química ya que definen
las atracciones con otros átomos.
El electrón fue descubierto por Joseph John
Thomson en 1897 (Cambridge).
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PROTÓN
Es una partícula subatómica con una carga
eléctrica elemental positiva y una masa de
1,6726x10–27 Kg. (unas 1836 veces la masa de
un electrón). Experimentalmente, se observa el
protón como estable, con un límite inferior en su
vida media de unos 1035 años, aunque algunas
teorías predicen que el protón puede
desintegrarse, es decir el que sus partículas
pierdan la consistencia que poseen y por lo
tanto el átomo. El protón y el neutrón, en
conjunto, se conocen como nucleones, ya que
conforman el núcleo de los átomos. Ernest
Rutherford lo descubrió en 1918.
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NEUTRÓN
Un neutrón es un barión neutro formado
por dos quarks down y un quark up.
Forma, junto con los protones, los núcleos
atómicos. Fuera del núcleo atómico es
inestable y tiene una vida media de unos
15 minutos emitiendo un electrón y un
antineutrino para convertirse en un protón.
Su masa es muy similar a la del protón. A
finales de 1932 el físico James Chadwick
descubrió esta partícula.
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FOTÓN
PROPIEDADES
Es la partícula
portadora de todas las
formas de radiación
electromagnética,
incluyendo a los rayos
gamma, los rayos X, la
luz ultravioleta, la luz
visible, la luz infrarroja,
las microondas, y las
ondas de radio. Fue
desarrollado
gradualmente entre
1905 y 1917 por Albert
Einstein.
Masa
Nula
Carga eléctrica
Neutra
Carga de color
Neutra
Spin
Vida media
Estable
Antipartícula
Ella misma
Interacciona
con
la Gravedad
HISTORIA
Investigando investigando … llegaron al
POSITRON, Carl Anderson descubrió esta
partícula con la misma masa que el
electrón y con carga positiva (e+).
A partir de 1940 se descubrieron cientos
de partículas elementales y además las
correspondientes antipartículas, idénticas
en masa y vida media, pero con carga
opuesta.
MODELO STANDARD
Es una teoría que intenta describir la materia y las
fuerzas fundamentales, exceptuando la gravedad.
Características:
– Bosones o Partículas mediadoras de fuerzas: son
las partículas que “transportan” una fuerza
fundamental (fotón)
– Fermiones o Partículas materiales: partículas que
tienen una propiedad intrínseca llamada espín cuyo
valor es un número impar de semienteros y están
compuestas por partículas más fundamentales
llamadas quarks y leptones.
Por lo tanto hay dos clases de partículas; Bosones (por
ejemplo fotones, fonones, gluones) y Fermiones (Quark y
leptones).
Quarks
Los quarks son partículas
fundamentales materiales
que tienen la inusual
característica de tener carga
eléctrica fraccionaria, de
valor 2/3 ó -1/3
Hay 6 tipos de quarks:
Up/Down, Charm/Strange, y
Top/Bottom y a cada quark le
corresponde un antiquark.
Los quarks forman partículas compuestas llamadas hadrones,
se dividen en dos clases:
–
Bariones: constituidos por tres quarks (qqq), por
ejemplo los protones son 2 quarks up y 1 quark down
(uud) y los neutrones son 1 up y 2 down (udd).
–
Mesones: contienen 1 quark y 1 antiquark
Anécdota: Un mesón de cuatro quarks
desafía la física y los físicos 30/11/2007
.•
Los físicos del
experimento Belle del
KEK Laboratory en
Japón descubrieron
un curioso mesón
bautizado Z(4430).
Según algunos, se
trataría de una
partícula compuesta
de cuatro quarks
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Mesón
sencillo
Leptones
Como hemos dicho
anteriormente los leptones
son partículas materiales
fundamentales. Hay 3 pares
de leptones, tres leptones
con carga eléctrica negativa
electrón (e), muon (µ), tau (T),
y sus neutrinos
correspondientes sin ella.
Cada uno de los 6 leptones posee un antileptón, de igual
masa y carga positiva.
Los leptones son independientes, no necesitan
otras partículas.
RELACIONES-PARTÍCULAS
BOSONES
FOTÓN
GLUÓN
GRAVITÓN
FERMIONES
QUARKS
BARIONES
LEPTONES
MESONES
ELECTRÓN
PROTÓN
PIÓN
NEUTRÓN
KAÓN
TAUÓN
MUÓN
GENERACIONES DE LA
MATERIA
Hemos visto que tanto los
quarks como los leptones se
dividen en tres pares, a los
cuales se denomina generación
(grupo formado por un Quark y
un leptón de cada uno de los
tipos de carga) .
De esta forma hemos explicado brevemente de que
esta hecho el mundo pero…
LAS INTERACCIONES
FUNDAMENTALES
Según el modelo Standard, las partículas
que interaccionan con las partículas
materiales (fermiones) son los bosones.
Existen 4 tipos de interacciones
fundamentales:
–
–
–
–
interacción gravitatoria
interacción electromagnética
interacción nuclear fuerte
interacción nuclear débil
Interacción gravitatoria
Es la más conocida de las interacciones
debido a que a grandes distancias tiene
mayores impactos que las demás. Posee solo
carácter de atracción pero aun así en
comparación con las otras es la mas débil.
Según el modelo Standard la fuerza de la
gravedad es transmitida por el GRAVITÓN.
No está incluida en este modelo debido a que
sus efectos son inapreciables en los
procesos entre partículas.
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Electromagnetismo
Es la interacción que actúa
entre partículas con carga
eléctrica.
Dos objetos cargados con cargas
opuestas (+/-) se atraen entre si, pero si
son iguales se repelen, esto ocurre por
ejemplo con un protón y un electrón.
Las partículas que transmiten la fuerza
electromagnética es el fotón
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¿Qué hace que los átomos se unan para formar moléculas,
si la mayoría de los átomos no tiene carga eléctrica?
Recordamos que los átomos están
hechos de componentes cargados.
Las partes cargadas de un átomo
pueden interactuar con las partes
cargadas de otro átomo. Esto permite
que los diferentes átomos estén
ligados por un efecto llamado la
fuerza electromagnética residual.
Por lo tanto, la fuerza electromagnética es
responsable de toda la química, y por lo tanto de toda la
biología, y por lo tanto de la vida misma.
La causa por la cual los átomos forman moléculas es la
fuerza electromagnética residual, es decir, la parte cargada
de un átomo interactúa con las cargas de otro átomo
diferente.
Interacción nuclear fuerte
Es la interacción que permite unirse a los Quarks para
formar Hadrones.
Las partículas poseen carga de color, es una propiedad
que está relacionada con la interacción fuerte de las
partículas. No tiene nada que ver con lo que se entiende
como color, sino que se refiere a una propiedad que
describe 3 aspectos (que coinciden con los 3 colores
primarios) a diferencia del aspecto simple de la carga
electromagnética. Esta fuerza se encarga de unir los
quarks para formar hadrones, las partículas que
transportan esta fuerza son los gluones.
Las únicas partículas que poseen carga de color son los
quarks y los gluones, las demás partículas tienen color
neutro, por lo que la interacción nuclear fuerte actúa solo
sobre los quarks.
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Interacción nuclear débil
Se identifica con un tipo de carga
llamada sabor que poseen solo quarks y
leptones.
Es la causante de que quarks y leptones
decaigan en dos o mas partículas
frágiles. La interacción débil es mediada
por los bosones que son partículas con
mucha masa. Es una interacción que
solo atrae.
Interacción
Gravitatoria
Electromagnética
Identificación
Masa-energía
Carga eléctrica
Carga de Carga de
sabor
color
Partículas que
las sienten
todas
partículas con
carga
Leptones Quarks y
y Quarks Gluones
Partículas
mediadoras
Gravitón
Fotón
Débil
Bosones
WyZ
Fuerte
Gluón
Principio de exclusión de Pauli
Mi principio cuántico establece que
no pueden estar en el mismo lugar
y al mismo tiempo dos fermiones
con todos sus números cuánticos
idénticos.
Sólo se aplica a fermiones (quarks
y leptones).
Esta teoría asegura que todo en nuestro
universo está formado por minúsculos
hilos de energía (cuerdas)
De acuerdo con esta propuesta, un
electrón es una cuerda minúscula que
vibra en un espacio-tiempo de más de
cuatro dimensiones.
Una cuerda puede oscilar de diferentes
maneras dando lugar a un electrón,
un fotón, un Quark.
Actualmente la teoría de cuerdas se
acerca a la teoría del todo, es decir,
una teoría capaz de describir todos los
fenómenos ocurridos en la naturaleza
debido a las cuatro fuerzas
fundamentales.
Las moralejas de este trabajo son:
(1) A los físicos no les gusta desconocer
cosas, y
(2) Nunca le haga notar esto a un físico.