La Física cuántica… ¡El misterio!

“Adentrarse en el universo de las partículas que componen los elementos de la tabla periódica, y en definitiva, la materia conocida, es verdaderamente fantástico”.

Tan pronto como los Joliot-Curie crearon el primer isótopo radiactivo artificial, los físicos se lanzaron en tropel a producir tribus enteras de ellas. En realidad, las variedades radiactivas de cada elemento en la tabla periódica son producto de laboratorio. En la moderna tabla periódica, cada elemento es una familia con miembros estables e inestables, algunos procedentes de la naturaleza, otros sólo del laboratorio. Por ejemplo, el hidrógeno presenta tres variedades: en primer lugar, el corriente, que tienen un solo protón. En 1932, el químico Harold Urey logró aislar el segundo. Lo consiguió sometiendo a lenta evaporación una gran cantidad de agua, de acuerdo con la teoría de que los residuos representarían una concentración de la forma más pesada del hidrógeno que se conocía, y, en efecto, cuando se examinaron al espectroscopio las últimas gotas de agua no evaporadas, se descubrió en el espectro una leve línea cuya posición matemática revelaba la presencia de hidrógeno pesado.

Cada día se avanza más en el conocimiento de los elemetos, y, el último descubierto ha sido el “Copernicium”, Este  nuevo  elemento   de  la  tabla  periódica,  que  clasifica  los elementos en función de sus propiedades químicas, es 277 veces más pesado que el hidrógeno. De hecho,  es el elemento más pesado oficialmente reconocido por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC)”, según  el  Centro  de  investigación  de  iones  pesados  (GSI)  de Darmstadt (Alemania), que lo fabricó.

Pero sigamos: El núcleo de hidrógeno pesado está constituido por un protón y un neutrón. Como tiene un número másico de 2, el isótopo es hidrógeno. Urey llamó a este átomo deuterio (de la voz griega deutoros, “segundo”), y el núcleo deuterón. Una molécula de agua que contenga deuterio se denomina agua pesada, que tiene puntos de ebullición y congelación superiores al agua ordinaria, ya que la masa del deuterio es dos veces mayor que la del hidrógeno corriente. Mientras que ésta hierve a 100º C y se congela a 0º C, el agua pesada hierve a 101’42º C y se congela a 3’79º C. El punto de ebullición del deuterio es de -23’7º K, frente a los 20’4º K del hidrógeno corriente. El deuterio se presenta en la naturaleza en la proporción de una parte por cada 6.000 partes de hidrógeno corriente. En 1934 se otorgó a Urey el premio Nobel de Química por su descubrimiento del deuterio.El deuterio resultó ser una partícula muy valiosa para bombardear los núcleos. En 1934, el físico australiano Marcus Lawrence Edwin Oliphant y el austriaco P. Harteck atacaron el deuterio con deuterones y produjeron una tercera forma de hidrógeno, constituido por un protón y dos neutrones. La reacción se planteó así:

Los tres isótopos del hidrógeno. El protio y el deuterio son estables, pero el tritio no: uno de sus neutrones emite pronto una partícula beta y se convierte en un protón, dando lugar al helio-3 (2 protones, 1 neutrón). El hidrógeno-4, aunque existe, es en extremo inestable y pierde rápidamente su tercer neutrón para convertirse de nuevo en tritio.

hidrógeno 2 + hidrógeno 2 = hidrógeno 3 + hidrógeno 1

Este nuevo hidrógeno superpesado se denominó tritio (del griego tritos, “tercero”); su ebullición a 25º K y su fusión  a 20’5º K.

Todo gira en el Universo, desde las partículas hasta los mundos, las estrellas y las galaxias que forman supercúmulos que también giran. El Universo es dinámico, todo en él tiene un movimiento un ritmo que está marcado por las leyes fundamentales de la naturaleza.

Como es mi costumbre, me desvío del tema y sin poderlo evitar, mis ideas (que parecen tener vida propia), cogen los caminos más diversos. Basta con que se cruce en el camino del trabajo que realizo un fugaz recuerdo; lo sigo y me lleva a destinos distintos de los que me propuse al comenzar. Así, en este caso, me pasé a la química, que también me gusta mucho y está directamente relacionada con la física; de hecho son hermanas: la madre, las matemáticas, la única que finalmente lo podrá explicar todo.

            Fotografía del espín atómico por primera vez conseguido

Estamos hablando de las partículas y no podemos dejar a un lado el tema del movimiento rotatorio de las mismas. Usualmente se ve cómo la partícula gira sobre su eje, a semejanza de un trompo, o como la Tierra o el Sol, o nuestra galaxia o, si se me permite decirlo, como el propio universo. En 1925, los físicos holandeses George Eugene Uhlenbeck y Samuel Abraham Goudsmit aludieron por primera vez a esa rotación de las partículas. Éstas, al girar, generan un minúsculo campo electromagnético; tales campos han sido objeto de medidas y exploraciones, principalmente por parte del físico alemán Otto Stern y el físico norteamericano Isaac Rabi, quienes recibieron los premios Nobel de Física en 1943 y 1944 respectivamente, por sus trabajos sobre dicho fenómeno.

Los fermiones se dividen en dos grupos:

– quarks, que forman las partículas del núcleo atómico, y que son capaces de experimentar la interacción nuclear fuerte.
– leptones, entre los que se encuentran los electrones, que interactúan básicamente mediante la interacción electrodébil.

La materia ordinaria está formada básicamente por fermiones y a ellos debe prácticamente toda su masa.

El núcleo de un átomo está formado por quarks, los cuales a su vez se agrupan en protones y neutrones.

Por otra parte, alrededor del núcleo orbitan los electrones clasificados como leptones.

Esas partículas (al igual que el protón, el neutrón y el electrón), que poseen espines que pueden medirse en números mitad, se consideran según un sistema de reglas elaboradas independientemente, en 1926, por Fermi y Dirac; por ello, se las llama y conoce como estadísticas Fermi-dirac. Las partículas que obedecen a las mismas se denominan fermiones, por lo cual el protón, el electrón y el neutrón son todos fermiones.

Estadística Bose-Einstein para los Bosones

Hay también partículas cuya rotación, al duplicarse, resulta igual a un número par. Para manipular sus energías hay otra serie de reglas, ideadas por Einstein y el físico indio S. N. Bose. Las partículas que se adaptan a la estadística Bose-Einstein son bosones, como por ejemplo la partícula alfa.

Las reglas de la mecánica cuántica tienen que ser aplicadas si queremos describir estadísticamente un sistema de partículas que obedece a reglas de esta teoría en vez de los de la mecánica clásica. En estadística cuántica, los estados de energía se considera que están cuantizados. La estadística de Bose-Einstein se aplica si cualquier número de partículas puede ocupar un estado cuántico dado. Dichas partículas (como dije antes) son bosones, que tienden a juntarse.

Los bosones tienen un momento angular nh/2π, donde n es cero o un entero, y h es la constante de Planck. Para bosones idénticos, la función de ondas es siempre simétrica. Si sólo una partícula puede ocupar un estado cuántico, tenemos que aplicar la estadística Fermi-Dirac y las partículas (como también antes dije) son los fermiones que tienen momento angular (n + ½)h / 2π y cualquier función de ondas de fermiones idénticos es siempre antisimétrica. La relación entre el espín y la estadística de las partículas está demostrada por el teorema espín-estadística.

En un espacio de dos dimensiones es posible que haya partículas (o cuasipartículas) con estadística intermedia entre bosones y fermiones. Estas partículas se conocen con el nombre de aniones; para aniones idénticos, la función de ondas no es simétrica (un cambio de fase de +1) o antisimétrica (un cambio de fase de -1), sino que interpola continuamente entre +1 y -1. Los aniones pueden ser importantes en el análisis del efecto Hall cuántico fraccional y han sido sugeridos como un mecanismo para la superconductividad de alta temperatura.

Debido al principio de exclusión de Pauli, es imposible que dos fermiones ocupen el mismo estado cuántico (al contrario de lo que ocurre con los bosones). La condensación Bose-Einstein es de importancia fundamental para explicar el fenómeno de la superfluidez. A temperaturas muy bajas (del orden de 2×10^-7 K) se puede formar un condensado de Bose-Einstein, en el que varios miles de átomos dorman una única entidad (un superátomo). Este efecto ha sido observado con átomos de rubidio y litio. Como ha habréis podido suponer, la condensación Bose-Einstein es llamada así en honor al físico Satyendra Nath Bose (1894 – 1974) y a Albert Einstein. Así que, el principio de exclusión de Pauli tiene aplicación no sólo a los electrones, sino también a los fermiones; pero no a los bosones.

Si nos fijamos en todo lo que estamos hablando aquí, es fácil comprender cómo forma  un campo magnético la partícula cargada que gira, pero ya no resulta tan fácil saber por qué ha de hacer lo mismo un neutrón descargado. Lo cierto es que cuando un rayo de neutrones incide sobre un hierro magnetizado, no se comporta de la misma forma que lo haría si el hierro no estuviese magnetizado. El magnetismo del neutrón sigue siendo un misterio; los físicos sospechan que contiene cargas positivas y negativas equivalente a cero, aunque por alguna razón desconocida, logran crear un campo magnético cuando gira la partícula.

Particularmente creo que, si el neutrón tiene masa, si la masa es energía (E = mc²), y si la energía es electricidad y magnetismo (según Maxwell), el magnetismo del neutrón no es tan extraño, sino que es un aspecto de lo que en realidad es materia. La materia es la luz, la energía, el magnetismo, en  definitiva, la fuerza que reina en el universo y que está presente de una u otra forma en todas partes (aunque no podamos verla).

Así, los fermiones están asociados con la idea que tenemos de materia. Obedecen la estadística de Fermi-Dirac. Cumplen el principio de exclusión de Pauli (dos fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico a la vez). Tienen espín semientero. Cada fermión posee su propio anti-fermión. Hay 12 fermiones diferentes: 6 son quarks y 6 son leptones. Los fermiones se agrupan en tres familias o tres generaciones: cada uno consistente en una pareja de quarks y una pareja de leptones.

Tres quarks forman un protón, que es un nucleón y también un fermión. Los quarks son portadores de carga de color y por ello interaccionan con la llamada fuerza fuerte. También poseen carga eléctrica e isospín débil, por lo que también interaccionan con la fuerza electromagnética y la fuerza débil. Hay 6 tipos de quarks llamados up, down, charm, strange, top and bottom (o beauty).

La fuerza fuerte les confina de forma que se encuentran siempre agrupados formando compuestos sin carga de color: los hadrones. Éstos pueden estar constituidos por 3 quarks (y se llaman entonces bariones) o por una pareja de quark y antiquark (los mesones, que en realidad son bosones). Nuestros bien conocidos protones y neutrones son un tipo de bariones, y están por tanto compuestos por 3 quarks.

        Familias de quarks,  leptones y partíuclas de fuerza (bosones) que rigen el universo de la materia.

Los leptones no tienen carga de color, por lo que no interaccionan con la fuerza fuerte. A este grupo pertenecen el electrón, el muón y el tau, además de los neutrinos que cada uno lleva asociado, el neutrino electrónico, el muónico y el tauónico.

El electrón, el muón y el tau tienen carga eléctrica e interaccionan con la fuerza electromagnética y la fuerza débil. Los neutrinos no tienen carga eléctrica, por lo que sólo interaccionan con la fuerza débil, una de las razones por las que son difíciles de detectar.

Entre los bosones gauge encontramos a los fotones (portadores de la fuerza electromagnética), los gluones (portadores de la fuerza fuerte) y los bosones W+, W- y Z (portadores de la fuerza débil).

                 El Bosón de Higgs no sabemos… todavía, que pelaje tendrá

Además está teorizada la existencia del bosón de Higgs (de espín cero), que es una partícula elemental que explicaría el origen de la masa de las partículas elementales. Es la única partícula del Modelo Estándar de la que no hay todavía evidencia experimental. El gran colisionador de hadrones (LHC) del CERN espera descubrir pronto a este escurridizo bosón.

Hadrón, leptón, muón, barión, fermión …. ¡Vaya lío!. No te desanimes con tan variada fauna, sólo quería presentarte a sus principales componentes, así podrás identificarlos en sus grupos cuando oigas hablar de ellos y hacerte una idea de sus propiedades y de cómo interaccionan. Escucharás muchos más nombres raros llamados con letras griegas (lambda, sigma, delta …), no te alarmes, muy probablemente serán tipos de hadrones.

Quédate con esto:

“Por lo que conocemos hasta ahora, los ladrillos fundamentales de nuestro universo son los quarks, los leptones y los bosones portadores de fuerza.”

Puede que, con las explicaciones aquí dadas, alguien haya podido alcanzar una mejor comprensiòn de todo este fantástico mundillo de las partículas subatómicas que, como se dice más arriba, son los componentes más fundamentales del Universo y de lo que todo, lo que conocemos, está hecho. También nosotros.

Pensándolo bienn… ¡Qué imaginación tiene la Naturaleza!

emilio silvera