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Física
ESTRUCTURA SUBATÓMICA DE LA MATERIA
Un modelo de Física, aún en desarrollo y que recibe el nombre de C.D.C (Cromo-dinámica
Cuántica), considera que la materia está constituida por dos únicos tipos de partículas
indivisibles: leptones y quarks. Hay 6 tipos de leptones (con sus correspondientes
antileptones), que se agrupan en 3 dobletes y que poseen unas magnitudes que se
denominan masa y carga eléctrica:
nombre
carga eléctrica
electrón (e-)
-1.602 x 10
-19
masa en reposo
m0 =9.11 x 10-31 kg
C
=0
-)
-1.602 x 10-19 C
230 m0
=0
-)
-1.602 x 10-19 C
neutrino
3500 m0
=0
Tabla I
Todas estas partículas elementales se observan sin dificultad en experimentos efectuados en
los laboratorios de investigaciones nucleares. En nuestra experiencia más corriente, nos
encontramos fundamentalmente con el electrón (e-) y más raramente con su antipartícula: el
positrón (e+).
Hay igualmente 6 tipos de quarks (y sus correspondientes anti-quarks) que se agrupan
igualmente en 3 dobletes. Los quarks están caracterizados por su carga, su masa y poseen
una propiedad denominada carga de color, que puede tomar tres valores denominados rojo,
verde y azul. Esta última propiedad no tiene nada que ver con el color óptico, pero se
denomina así por analogía. De los 6 tipos de quark se han observado indirectamente 5. El
quark top aun se está buscando. Los quark up y down son los únicos que se encuentran
formando parte de las partículas que tiene existencia independiente. Los antiquark
respectivos tendrían cargas del mismo valor absoluto pero de signo opuestos y los colores
podrían ser antirojo (cian), antiverde (magenta) y antiazul (amarillo). Los quark y antiquark
no se encuentran de forma independiente, sino que siempre aparecen asociados formando
partículas denominadas hadrones, que sí se observan de forma independiente.
Las partículas formadas por quark (y antiquark) y sin color reciben el nombre de hadrones
que pueden ser de 2 clases:
QUARK
carga
color
Primera
up
+ 2/3
generación
down
- 1/3
rojo
Segunda
charme
+ 2/3
verde
generación
strange
- 1/3
azul
Tercera
top
+ 2/3
generación
bottom
- 1/3
Las partículas formadas por quark (y antiquark) y sin color reciben el nombre de hadrones
que pueden ser de 2 clases:
- bariones: formados por 3 quark
- mesones: formados por 1 quark y 1 antiquark
Entre los bariones están las partículas constituyentes de los núcleos atómicos:
partícula
carga (C)
masa (kg)
color
estructura
protón
1.602 x10-19
1.673 x 10-27
no tiene
uud
neutrón
0
1.675 x 10-27
no tiene
udd
Tabla III
De los leptones el más importante es el electrón ya que se encuentra rodeando al núcleo
formando la llamada corteza atómica. En su estado de energía fundamental el átomo tiene
igual número de electrones corticales que de protones, por lo que el átomo es en estas
condiciones eléctricamente neutro, mientras que en muchos procesos físico-químicos el
número de electrones se altera por captación o pérdida, en cuyo caso el átomo es
eléctricamente negativo (ión negativo) o positivo (ión positivo) respectivamente. El número
de protones del núcleo se llama número atómico (Z) y el de nucleones (protones +
neutrones) número másico (A). La diferencia A -Z es naturalmente el número de neutrones.
Cada átomo se simboliza por medio de una o dos letras (la primera mayúscula), que
corresponden a las iniciales del nombre del elemento (a veces del nombre latino):
. En
la parte superior izquierda se pone el número másico y en la parte inferior izquierda el
número atómico. Los elementos con el mismo número atómico pero diferente número másico
se denominan con el mismo nombre y se simbolizan con las mismas letras. Así por ejemplo
todos los elementos con número atómico Z=6, se llaman carbono:
Los elementos con el mismo número atómico se denominan isótopos.
,
,
,
.
Los electrones corticales están distribuidos energéticamente según valores discretos que
vienen determinados por las soluciones de la ecuación fundamental de la Física Cuántica que
es la Ecuación de Schrödinger (E.S.) (Schrödinger y Dirac, Nobel de Física en 1933). En un
átomo aislado (muy alejado de otros), la F.C. atribuye a cada electrón cortical 4 números
denominados números cuánticos:
- n ........ número cuántico principal (n = 1, 2, ...) entero.
- l ......... número cuántico de momento angular.
- ml ...... número cuántico magnético.
- ms ..... número cuántico de spín o simplemente spín.
El número cuántico n determina el nivel energético o lo que es lo mismo su mayor o menor
alejamiento del núcleo. La energía de los electrones es negativa (hay que aportar energía
para desligarlos del átomo) y mayor energía equivale a más alejamiento del núcleo. En una
imagen clásica, cada valor de n se asocia a una capa que se acostumbra a designar con
letras (Tabla IV).
Para cada valor de n, el número l, que que asocia con el momento angular del electrón,
puede tomar los valores 0, 1, 2, ......... , n-1. Para cada valor de l el ml, asociado al campo
magnético creado por el electrón, puede tomar los valores
-l, -(l-1), -(l-2), .... , -1, 0, 1, .... , (l-2), (l-1), l
Los 3 números n, l, ml , están asociados a la función de onda
parte de la E.S. El cuadrado de la amplitud de la función de onda representa la probabilidad
de encontrar al electrón en la localización espacial de coordenadas x, y, z. El spin ms es un
número cuántico, que se asocia con el giro del electrón sobre si mismo. No está contenido en
la función de onda. Se observa en presencia de campos magnéticos muy intensos y
representa el encuentro de la Física Cuántica y la Física Relativista. Puede tomar los valores
+ 1/2 y - 1/2.. Así pues, para cada valor de n (es decir en una capa) puede haber como
máximo 2n2 electrones.
n
capa
nº de electrones
1
K
2
2
L
8
3
M
18
4
N
32
Tabla IV
Las magnitudes que se establecen para el modelo del Electromagnetismo no son nuevas,
sino que preexisten en el modelo de la Física Clásica y en la Mecánica Cuántica: carga
eléctrica y masa.
Tabla Periódica de los Elementos
Group**
Period
1
IA
1A
18
VIIIA
8A
1
1
2
H
IIA
1.008 2A
13
IIIA
3A
14
IVA
4A
15
VA
5A
16
17
2
VIA VIIA He
6A
7A 4.003
2
3
4
Li
Be
6.941 9.012
3
11
12
3
Na
Mg IIIB
22.99 24.31 3B
4
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
39.10 40.08 44.96 47.88 50.94 52.00 54.94 55.85 58.47 58.69 63.55 65.39 69.72 72.59 74.92 78.96 79.90 83.80
5
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
85.47 87.62 88.91 91.22 92.91 95.94 (98) 101.1 102.9 106.4 107.9 112.4 114.8 118.7 121.8 127.6 126.9 131.3
6
55
56
57
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
Cs
Ba La*
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
132.9 137.3 138.9 178.5 180.9 183.9 186.2 190.2 190.2 195.1 197.0 200.5 204.4 207.2 209.0 (210) (210) (222)
5
6
7
8
9
10
B
C
N
O
F
Ne
10.81 12.01 14.01 16.00 19.00 20.18
4
IVB
4B
5
VB
5B
8
9
10
6
7
VIB VIIB ------- VIII -----6B
7B
------- 8 -------
11
IB
1B
12
13
14
15
16
17
18
IIB
Al
Si
P
S
Cl
Ar
2B 26.98 28.09 30.97 32.07 35.45 39.95
7
87
88
89 104 105 106 107 108 109 110
Fr
Ra Ac~ Rf
Db
Sg
Bh
Hs
Mt
--(223) (226) (227) (257) (260) (263) (262) (265) (266) ()
111
--()
112
--()
114
--()
116
--()
Lanthanide
Series*
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
Ce
Pr
Nd
Pm Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
140.1 140.9 144.2 (147) 150.4 152.0 157.3 158.9 162.5 164.9 167.3 168.9 173.0 175.0
Actinide Series~
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99 100 101 102 103
Th
Pa
U
Np
Pu
Am Cm
Bk
Cf
Es
Fm Md
No
Lr
232.0 (231) (238) (237) (242) (243) (247) (247) (249) (254) (253) (256) (254) (257)
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