{"id":4141,"date":"2010-07-28T11:11:45","date_gmt":"2010-07-28T09:11:45","guid":{"rendered":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/?p=4141"},"modified":"2010-07-28T11:11:45","modified_gmt":"2010-07-28T09:11:45","slug":"aportacion-a-la-ix-edicion-del-carnaval-de-fisica","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/2010\/07\/28\/aportacion-a-la-ix-edicion-del-carnaval-de-fisica\/","title":{"rendered":"Aportacion a la IX Edicion del Carnaval de Fisica"},"content":{"rendered":"

Electr\u00f3n, nucleo, atomo…<\/span><\/p>\n

Part\u00edcula elemental, clasificada como lept\u00f3n<\/a> (del griego \u201cdelgado\u201d), con una masa en reposo me<\/sub><\/em> de 9\u20191093897 (54) \u00d7 10–<\/sup>31<\/sup> Kg, y una carga negativa de 1\u201960217733 (49) \u00d7 10 -19<\/sup> culombios. Los electrones<\/a> est\u00e1n presentes en todos los \u00e1tomos en agrupaciones llamadas capas<\/em> alrededor del n\u00facleo; cuando son arrancados del \u00e1tomo se llaman electrones libres<\/em>. Su antipart\u00edcula es el positr\u00f3n.<\/p>\n

El electr\u00f3n<\/a> fue descubierto en 1897 por el f\u00edsico brit\u00e1nico Joseph John Thomson (1856 \u2013 1940). El problema de la estructura, si la hay, del electr\u00f3n<\/a> no est\u00e1 resuelto. Si el electr\u00f3n<\/a> se considera como una carga puntual, su autoenerg\u00eda es infinita y surgen dificultades de la ecuaci\u00f3n de Lorentz-Dirac. Es posible dar al electr\u00f3n<\/a> un tama\u00f1o no nulo con radio r0<\/sub><\/em> llamado radio cl\u00e1sico <\/em>del electr\u00f3n<\/a>, dado por r0<\/sub> = e2<\/sup>\/(mc2<\/sup>)<\/em> con valor 2\u201982 \u00d7 10–<\/sup>13<\/sup> cm, donde e<\/em> y m<\/em> son la carga y la masa respectivamente del electr\u00f3n<\/a>, y c<\/em> la velocidad de la luz. Este modelo tambi\u00e9n tiene problemas, como la necesidad de postular las tensiones de Poincar\u00e9. Ahora se cree que los problemas asociados con el electr\u00f3n<\/a> deben ser analizados utilizando electrodin\u00e1mica cu\u00e1ntica*<\/a> en lugar de electrodin\u00e1mica cl\u00e1sica.<\/p>\n

N\u00facleo<\/span><\/p>\n

Coraz\u00f3n central de un \u00e1tomo que contiene la mayor parte de la masa de dicho \u00e1tomo. Est\u00e1 positivamente cargado y constituido por uno o m\u00e1s nucleones<\/a> (protones<\/a> o neutrones<\/a>). La carga positiva del n\u00facleo est\u00e1 determinada por el n\u00famero de protones<\/a> que contiene. En el \u00e1tomo neutro, est\u00e1 compensada por un n\u00famero igual de electrones<\/a>, cuya carga negativa iguala a la de los protones<\/a> existentes en n\u00famero similar al de los electrones<\/a> que se mueven alrededor del n\u00facleo. El n\u00facleo m\u00e1s simple es el n\u00facleo de hidr\u00f3geno, consistente en un \u00fanico prot\u00f3n<\/a>. Todos los dem\u00e1s n\u00facleos contienen adem\u00e1s uno o m\u00e1s neutrones<\/a>. Los neutrones<\/a> contribuyen a la masa at\u00f3mica (nucleones<\/a>), pero no a la carga nuclear. El n\u00facleo m\u00e1s masivo que se encuentra en la naturaleza es el uranio-238, que contiene 92 protones<\/a> y 146 neutrones<\/a>. El s\u00edmbolo usado para este n\u00facleo es , indicando la cifra superior el n\u00famero de nucleones<\/a>, y la inferior el de protones<\/a>. En todos los n\u00facleos el n\u00famero de nucleones<\/a> (A) es igual a la suma del n\u00famero at\u00f3mico (Z) y el n\u00famero de neutrones<\/a> (N), es decir, A = Z + N<\/em>.<\/p>\n

\u00c1tomo<\/span><\/p>\n

Es la parte m\u00e1s peque\u00f1a de un elemento que puede existir, es decir, ese \u00e1tomo tendr\u00e1 todas las propiedades del elemento al que pertenece. Los \u00e1tomos constan de un n\u00facleo peque\u00f1o y denso de protones<\/a> y neutrones<\/a>, rodeado de electrones<\/a> movi\u00e9ndose. El n\u00famero de electrones<\/a> es igual al n\u00famero de protones<\/a>, de forma que la carga total es cero. Los electrones<\/a> puede pensarse que se mueven en \u00f3rbitas circulares o el\u00edpticas (seg\u00fan la teor\u00eda de Bohr), o m\u00e1s concretamente en regiones del espacio alrededor del n\u00facleo.<\/p>\n

La estructura at\u00f3mica de un \u00e1tomo de refiere a la forma en la que los electrones<\/a> est\u00e1n dispuestos alrededor del n\u00facleo, y en particular, a los niveles de energ\u00eda que ocupan. Cada electr\u00f3n<\/a> puede ser caracterizado por un conjunto de n\u00fameros cu\u00e1nticos de la siguiente manera.<\/p>\n

    \n
  1. El n\u00famero cu\u00e1ntico principal, n<\/em>, da la energ\u00eda principal del nivel y tiene valores 1, 2, 3, etc. (cuanto mayor es el n\u00famero m\u00e1s alejado est\u00e1 el electr\u00f3n<\/a> del n\u00facleo). Tradicionalmente, estos niveles o las \u00f3rbitas correspondientes, son llamadas capas y se les asignan las letras k<\/em>, l<\/em>, m<\/em>, etc. La capa k<\/em> es la m\u00e1s pr\u00f3xima al n\u00facleo.<\/li>\n
  2. El n\u00famero cu\u00e1ntico orbital, I<\/em>, que gobierna el momento angular del electr\u00f3n<\/a>. Los posibles valores de I<\/em> son (n \u2013 1)<\/em>, (n \u2013 2)<\/em>, \u2026 2<\/em>, 1<\/em>, 0<\/em>. Por tanto, en la primera capa (n = 1)<\/em> los electrones<\/a> s\u00f3lo pueden tener momento angular 0. En la segunda capa (n = 2)<\/em>, los valores de I<\/em> pueden ser 0 \u00f3 1, dando lugar a dos subcapas de energ\u00eda ligeramente diferentes. En la tercera capa (n = 3)<\/em> hay tres subcapas con I<\/em> = 2, 1 \u00f3 0. las subcapas se denotan por la letra s<\/em>. El n\u00famero cu\u00e1ntico orbital es llamado a veces n\u00famero cu\u00e1ntico acimutal<\/em>.<\/li>\n<\/ol>\n

    No parece necesario, por la intenci\u00f3n b\u00e1sica de este trabajo, continuar con la complejidad de estos apartados, y s\u00ed nos parece razonable hacer notar que, de acuerdo con el Principio de Exclusi\u00f3n de Pauli, dos electrones<\/a> en un \u00e1tomo no pueden tener el mismo conjunto de n\u00fameros cu\u00e1nticos. Los n\u00fameros cu\u00e1nticos definen el estado cu\u00e1ntico del electr\u00f3n<\/a> y explican c\u00f3mo son las estructuras electr\u00f3nicas de los \u00e1tomos. Aunque sea de pasada, no me resisto a mencionar aqu\u00ed al investigador-experimentador Rutherford que, entre otros muchos descubrimientos, puede contar con el del hecho cierto de haber desvelado el misterio de que el \u00e1tomo es casi todo espacio vac\u00edo, y la materia est\u00e1 concentrada en su n\u00facleo.<\/p>\n

    Bueno, aunque despacio y sin profundizar demasiado, vamos explicando los elementos, el n\u00facleo, el \u00e1tomo, y lo que son los electrones<\/a>, pero todo esto nos lleva a pensar que los \u00e1tomos se unen para formar mol\u00e9culas, que a su vez se unen para formar la materia; s\u00ed, esa materia que conforma todo lo que vemos y tocamos o podemos detectar bien cerca o en el lejano espacio exterior del cosmos.<\/p>\n

    Esta reflexi\u00f3n nos lleva a tener que retroceder un poco y preguntarnos de qu\u00e9 est\u00e1n hechos los nucleones<\/a> (protones<\/a> y neutrones<\/a>) que forman los n\u00facleos de los \u00e1tomos para que, finalmente, \u00e9stos formen las mol\u00e9culas de la materia y las fuerzas que interaccionan all\u00ed.<\/p>\n

    Las respuestas a estas preguntas son: los componentes son las part\u00edculas elementales, y las interacciones entre ellas son debidas a las fuerzas fundamentales de la naturaleza, lo que nos lleva a tener que explicar estas dos cuestiones.<\/p>\n

    Los f\u00edsicos, para explicarlo, se valen de algo que ellos han dado en llamar el Modelo Est\u00e1ndar, que es una combinaci\u00f3n de la cromodin\u00e1mica cu\u00e1ntica<\/a>, para describir interacciones fuertes; la teor\u00eda electrod\u00e9bil, para dar una descripci\u00f3n unificada de la interacci\u00f3n electromagn\u00e9tica y las interacciones d\u00e9biles; y la teor\u00eda de la relatividad<\/a> general, para describir las interacciones gravitacionales cl\u00e1sicas. Este modelo, aunque incompleto, es verdad que nos da una descripci\u00f3n completa de todos los fen\u00f3menos conocidos a pesar de sus caracter\u00edsticas arbitrarias y sus 19 par\u00e1metros que nos llevan a universos disparatados.<\/p>\n

    As\u00ed mismo, el apartado de las part\u00edculas elementales y las familias que las forman, quarks<\/em>, leptones<\/a> <\/em>(electrones<\/em> y neutrinos<\/em>) y hadrones<\/a><\/em> (bariones <\/em>y mesones<\/a><\/em>), a los que hay que a\u00f1adir \u00e9sas part\u00edculas mediadoras de las fuerzas que se denominan bosones<\/a><\/em> y que m\u00e1s adelante describir\u00e9.<\/p>\n

    Las interacciones fundamentales de la naturaleza son cuatro:<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n
    \u00a0<\/td>\nAlcance m<\/span><\/td>\nFuerza relativa<\/span><\/td>\nFunci\u00f3n<\/span><\/td>\n<\/tr>\n
    Fuerza nuclear fuerte<\/td>\n< 3 \u00d7 10-15<\/sup><\/td>\n1041<\/sup><\/td>\nUne protones<\/a> y neutrones<\/a><\/td>\n<\/tr>\n
    Fuerza nuclear d\u00e9bil<\/td>\n< 10-15<\/sup><\/td>\n1028<\/sup><\/td>\nRadiaci\u00f3n.<\/td>\n<\/tr>\n
    Electromagnetismo<\/td>\nInfinito<\/td>\n1039<\/sup><\/td>\nFormaci\u00f3n de mol\u00e9culas<\/td>\n<\/tr>\n
    Gravedad<\/td>\nInfinito<\/td>\n1<\/td>\nMantiene unidos los planetas al Sol, y a nosotros al planeta.<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

    Si cualquiera de estas fuerzas fundamentales del universo fuera diferente, aunque la variaci\u00f3n s\u00f3lo fuera del 1 por mill\u00f3n, el universo ser\u00eda otra cosa distinta a lo que conocemos, y nosotros no estar\u00edamos aqu\u00ed hablando de ello.<\/p>\n

    Pero lo que procede ahora, siguiendo la t\u00e9cnica de los f\u00edsicos de hacer las cosas por partes peque\u00f1as para que al final lo tengamos todo (todo lo grande est\u00e1 hecho de cosas peque\u00f1as), es explicar, una por una y con detalle, las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza.<\/p>\n

    Cualquiera de estas cuatro fuerzas, diferentes en su forma de interaccionar, que pueden ocurrir entre los cuerpos y que pueden tener lugar incluso cuando los cuerpos no est\u00e1n en contacto f\u00edsico, juntas pueden explicar todos los fen\u00f3menos que observamos en nuestro universo.<\/p>\n

    La interacci\u00f3n o fuerza gravitacional<\/a><\/span><\/p>\n

    M\u00e1s coloquialmente conocida como fuerza de la gravedad, es unas 1040<\/sup> veces m\u00e1s d\u00e9bil que la interacci\u00f3n electromagn\u00e9tica; en realidad es la m\u00e1s d\u00e9bil de todas. La fuerza que genera act\u00faa entre todos los cuerpos que tienen masa, y la fuerza siempre es atractiva. La interacci\u00f3n puede ser comprendida utilizando un campo cl\u00e1sico en el que la intensidad de la fuerza disminuye con el cuadrado de la distancia entre cuerpos interaccionantes. Gravitaci\u00f3n, en el sentido en el que la ve\u00eda Newton<\/a>, es una fuerza de f\u00f3rmula F = GM1<\/sub>M2<\/sub>\/d2<\/sup><\/em> de donde se sigue que g = GM\/d2<\/sup><\/em>. G<\/em> es la constante gravitacional, M<\/em> es la masa de La Tierra y d<\/em> la distancia del cuerpo al centro. La intensidad de atracci\u00f3n depende de la masa de los cuerpos y de la distancia entre ellos como queda explicado en la formulaci\u00f3n matem\u00e1tica anterior. En la teor\u00eda general de la relatividad<\/a>, la gravitaci\u00f3n se interpreta como una distorsi\u00f3n del espacio. Las fuerzas gravitacionales son importantes s\u00f3lo entre grandes masas como estrellas, planetas y sat\u00e9lites, y es esta fuerza la responsable de mantener unidos los componentes principales del universo. No obstante, a escala at\u00f3mica la fuerza gravitacional<\/a> es, como se ha dicho, 1040<\/sup> veces m\u00e1s d\u00e9bil que la fuerza de atracci\u00f3n electromagn\u00e9tica.<\/p>\n

    El hipot\u00e9tico cuanto de gravitaci\u00f3n<\/em>, el gravit\u00f3n<\/a>, es tambi\u00e9n un concepto \u00fatil en algunos contextos, pero a\u00fan no ha podido ser detectado, toda vez que al ser la fuerza m\u00e1s d\u00e9bil de todas, su bos\u00f3n<\/a> mediador tambi\u00e9n es muy d\u00e9bil de dif\u00edcil de detectar. Y aunque esta fuerza es despreciable en el universo de lo muy peque\u00f1o, el \u00e1mbito at\u00f3mico, en la escala cosmol\u00f3gica, donde las masas son enormes, se deja sentir con claridad y contundencia, y debido a que esta fuerza es de largo alcance, hay una teor\u00eda macrosc\u00f3pica bien definida, que es la antes mencionada relatividad<\/a> general de Einstein<\/a>, que la describe perfectamente, y adem\u00e1s, de ella se extraen consecuencias impensables antes de su formulaci\u00f3n. La fuerza de la gravedad es la que finalmente prevalece en las estrellas al final de sus vidas como tales, y dependiendo de sus masas, la gravedad las convierte en estrellas enanas blancas (caso de nuestro Sol), en estrellas de neutrones<\/a> o en agujeros negros<\/a> (para estrellas m\u00e1s masivas).<\/p>\n

    Por el momento nadie ha sabido encontrar una teor\u00eda cu\u00e1ntica de la interacci\u00f3n gravitatoria que sea satisfactoria. Cuando tratamos de unir la relatividad<\/a> general de Einstein<\/a> con la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica de Max Planck, Heisemberg, Schr\u00f6dinger y otros, parece como un choque de trenes de alta velocidad; el terremoto queda servido y aparecen infinitos y respuestas inexplicables a preguntas bien formuladas. Son, de momento, incompatibles. La teor\u00eda de supercuerdas<\/a> de Witten y otros, al trabajar con dimensiones m\u00e1s altas, parece que tienen la posibilidad de unir las dos teor\u00edas de forma natural.<\/p>\n

    Podr\u00edamos extendernos algo m\u00e1s sobre la teor\u00eda gravitatoria, pero hay que seguir la pauta propuesta de ir paso a paso exponiendo sencilla y b\u00e1sicamente las cuestiones que deseamos plantear, as\u00ed que una vez ha quedado plasma<\/a>da una idea de lo que es la interacci\u00f3n gravitacional, pasaremos a describir la fuerza siguiente.<\/p>\n

    La interacci\u00f3n nuclear d\u00e9bil<\/span><\/p>\n

    Esta fuerza es unas 1010<\/sup> veces menor que la interacci\u00f3n electromagn\u00e9tica. Ocurre entre leptones<\/a>*<\/a> y en la desintegraci\u00f3n de los hadrones<\/a>*<\/a>. Es la responsable de la desintegraci\u00f3n beta<\/a> de las part\u00edculas y n\u00facleos. En el modelo actual, la interacci\u00f3n d\u00e9bil se entiende como una fuerza mediada por el intercambio de part\u00edculas virtuales, llamadas bosones<\/a> vectoriales intermediarios. Las interacciones d\u00e9biles son descritas por la teor\u00eda electrod\u00e9bil, que la unifica con las interacciones electromagn\u00e9ticas.<\/p>\n

    Las part\u00edculas mediadoras, de gran masa, son las W+<\/sup>, W–<\/sup> y Z0<\/sup>. Esta interacci\u00f3n est\u00e1 presente cuando se desintegran de forma natural elementos radiactivos como el uranio.<\/p>\n

    El electromagnetismo<\/span><\/p>\n

    Es la fuerza responsable de controlar la estructura at\u00f3mica, reacciones qu\u00edmicas y todos los fen\u00f3menos relacionados con la electricidad y el magnetismo, que son dos aspectos de una misma cuesti\u00f3n. Puede explicar las fuerzas entre las part\u00edculas cargadas, pero, al contrario que las interacciones gravitacionales, pueden ser tanto atractivas como repulsivas. Las cargas iguales se repelen, mientras que las distintas se atraen. Algunas part\u00edculas neutras se desintegran por interacciones electromagn\u00e9ticas. La interacci\u00f3n se puede interpretar tanto como un campo cl\u00e1sico de fuerza (ley de Coulomb) como por el intercambio de unos fotones<\/a> virtuales. Igual que las interacciones gravitatorias, el hecho de que la interacci\u00f3n electromagn\u00e9tica sea de largo alcance significa que tiene una teor\u00eda cl\u00e1sica bien definida por las ecuaciones de Maxwell. La teor\u00eda cu\u00e1ntica de las interacciones electromagn\u00e9ticas se describe con la electrodin\u00e1mica cu\u00e1ntica, que es una forma sencilla de teor\u00eda gauge<\/a>*<\/a>. El fot\u00f3n<\/a> es la part\u00edcula mediadora.<\/p>\n

    La interacci\u00f3n nuclear fuerte<\/span><\/p>\n

    La m\u00e1s potente de todas las fuerzas fundamentales. Es unas 102<\/sup> veces mayor que la interacci\u00f3n electromagn\u00e9tica. Aparece s\u00f3lo en los hadrones<\/a> y es la responsable de la fuerza entre los nucleones<\/a> que confiere a los n\u00facleos de los \u00e1tomos una gran estabilidad. Act\u00faa a muy corta distancia dentro del n\u00facleo (la regi\u00f3n es R \u2248 hc\/\u039b \u2248 10–<\/sup>13<\/sup> cm) y se puede interpretar como una interacci\u00f3n mediada por el intercambio de mesones<\/a> virtuales, en este caso de 8 gluones<\/a>. Las interacciones fuertes son descritas por una teor\u00eda gauge<\/a> llamada cromodin\u00e1mica cu\u00e1ntica<\/a>.<\/p>\n

    El efecto de esta fuerza es contrario al de las otras interacciones, ya que crece con la distancia. Act\u00faa como un muelle; cuanto m\u00e1s lo estiramos m\u00e1s resistencia opone. No deja que los quarks<\/a> que forman los protones<\/a> y neutrones<\/a> (los nucleones<\/a>) se puedan separar. Es lo que se conoce como el confinamiento de los quarks<\/a> sometidos a moverse en la regi\u00f3n de 10–<\/sup>13<\/sup> cm.<\/p>\n

    Con la descripci\u00f3n de las cuatro fuerzas fundamentales hemos esbozado s\u00f3lo una parte del panorama, pero para completarlo nos queda exponer lo que son las part\u00edculas elementales y explicar las familias que las componen, lo que significan dentro del sistema del Modelo Est\u00e1ndar de la f\u00edsica y c\u00f3mo forman la materia de los planteas, las estrellas, los \u00e1rboles, los mares y oc\u00e9anos, y tambi\u00e9n la de todos los seres vivos.<\/p>\n

    Como el trabajo se alargo mas de lo pensado, lo dejaremos aqui hasta otra oportunidad que seran ampliados los datos y puntos de vista y, de todas las maneras, estaremos a la espera de las buenas nuevas que nos traera el LHC y que, si la prediccion no falla, nos hara entrar en otra revolucion de la Fisica.<\/p>\n

    emilio silvera<\/p>\n

    \u00a0<\/p>\n

    \n

    *<\/a> Teor\u00eda formulada para explicar la radiaci\u00f3n electromagn\u00e9tica y la forma en que interacciona con la materia cargada.<\/p>\n

    *<\/a> Los leptones<\/a> interaccionan por el electromagnetismo.<\/p>\n

    *<\/a> Los hadrones<\/a> comprender a los neutrones<\/a> y protones<\/a>, que se desintegran en bariones<\/a> o al contrario, y est\u00e1n formados por quarks<\/a>.<\/p>\n

    *<\/a> Gauge: cualquiera de las teor\u00edas de campo para explicar las interacciones fundamentales. Requieren un grupo de simetr\u00eda para los campos y los potenciales. En el caso de la electrodin\u00e1mica, el grupo de abeliano.<\/p>\n

    \r\n\t\t\r\n\t\t
    <\/a><\/span><\/a><\/span><\/a><\/span><\/a><\/span><\/a><\/span><\/a><\/span><\/a><\/span><\/a><\/span><\/a><\/span>hotmail correo<\/a><\/span><\/a><\/span><\/a><\/span><\/a><\/span><\/a><\/span><\/a><\/span><\/a><\/span>[?]<\/a><\/span><\/td><\/tr><\/table><\/div>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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