La física de partículas y las interacciones fundamentales

El hombre se ha preguntado durante largo tiempo, “¿de qué está hecho el mundo?” Demócrito de Abdera nos hablaba del “átomo” y Empédocles de “elemenmtos”, otros, se referían a la sustancia cósmica a la que llamaban Ylem, aquella “semilla” primera que daría lugar a la venida de la materia. ¿No será el Ylem, lo que hoy llaman materia oscura?

Ahora sabemos que, no sólo nuestro mundo, sino todo el inmenso Universo, está hecho de pequeños objetos infinitesimales a las que hemos denominado partículas sub-atómicas y que forman varias familias. Unas son más elementales que otras y según, a qué familia pertenezcan, atienden o se rigen por una u otra fuerza elemental.

“Esquema de principios de siglo XX para un átomo de helio, mostrando dos protones (en rojo), dos neutrones (en verde) y dos electrones.”

Son los constituyentes fundamentales de toda la materia del Universo (por lo menos de toda la materia conocida y que podemos detectar formando estrellas y mundos, galaxias o seres vivos). Hemos podido llegar a saber que, de esas briznas de materia se forman los núcleos que, rodeados de electrones conforman los átomos de la materia.

Los grupos de  átomos conforman las moléculas que son las unidades fundamentales de los compuestos químicos pero, comencemos por los núcleos atómicos:

Muchas son las veces que aquí mismo he podido explicar, que los quarks u y d se hallan en el interior de los nucleones y, por tanto, su habitat está en los núcleos atómicos donde se encuentran confinados y, en realidad, no intervienen directamente  en las propiedades de los núcleos. Sin embargo, no podemos olvidar que la fuerza nuclear fuerte está ahí reteniendo a los Quarks por medio de losGgluones y, eso hace que, el núcleo sea estable.

Los núcleos atómicos constituyen un tipo de materia que, aisladamente, de forma individual (si exceptuamos el protón), siempre están en ambientes muy energéticos, por ejemplo, en el interior de las estrellas. En nuestro entorno terráqueo, es raro encontrar núcleos aislados, sino parcial o totalmente confinados dentro de los átomos.

Sabemos que el número de especímenes atómicos es limitado, existiendo ciertas razones para suponer que hacia el número atómico 173 los correspondientes núcleos serían inestables, no por razones intrínsecas de inestabilidad “radiactiva” nuclear, sino por razones relativistas. Ya señalé en otros escritos que, el número de especies atómicas, naturales y artificiales, es de unos pocos miles, en cambio, el número de moléculas conocidas hasta ahora comprenden unos pocos millones de especímenes, aumentando continuamente el número de ellas gracias a la síntesis que se lleva a cabo en numerosos laboratorios repartidos por todo el mundo.

Una molécula es una estructura, con individualidad propia, constituida por un conjunto de núcleos y sus  electrones. La molécula más sencilla es la de Hidrógeno que tiene dos electrones, hasta las más complejas como las de las proteínas, con muchos miles de ellos, existen toda una gama de varios millones. Esta extraordinaria variedad de especies moleculares contrasta con la de las especies nucleares e incluso atómicas.

                       Molécula de Agua

Silicio

Desde el punto de vista de la información, las especies moleculares la poseen en mucho mayor grado que las nucleares o atómicas. Dejando aparte los núcleos, la información que soportan los átomos se podría atribuir a la distribución de su carga eléctrica, y en particular a los electrones más débilmente ligados. Concretando un poco más, se podría admitir que la citada información la aportan los orbitales atómicos, pues son precisamente estos orbitales los que introducen diferencias “geométricas” entre los diferentes electrones “corticales”.

Las partículas forman átomos, los átomos moléculas y las moléculas sustancias y cuerpos que están hechos por la diversa variedad de elementos que conforma la materia conocida y que, en definitiva, sólo son Quarks y Leptones-

“Durante el paso del tiempo una de las mayores incógnitas de la humanidad es saber de qué estamos hechos. Muchas filosofías antiguas creían eran un conjunto de elementos como el agua, el aire, el fuego y la tierra por mencionar algunos. Hoy en día los físicos creen que estamos formados por doce partículas fundamentales los quarks y leptones.”

Con los Quarks formados en tripletes se forman los protones y neutrones que son los nucleones situados en el núcleo de los átomos (Hadrones de la rama barionica), otros hadrones llamados mesones están hechos de un Quarks y un antiquark y sus funciones son otras.

Los quarks y leptones como partículas fundamentales (se cree)  no tienen infraestructura y no se puede descomponer en partículas más pequeñas. Estos interactúan a través de cuatro fuerzas para formar así el universo que lo conocemos hoy en día.

               Partículas mediadoras de la fuerza nuclear débil

La primera imagen que se logró de la partícula de luz: El Fotón, la partícula mediadora de todas las interacciones electromagnéticas del Universo.

Los Quarks están confinados dentro de los nucleones (Protones y Neutrones= retenidos por la partícula mediadora llamada Gluón (en la segunda imagen se ve la muestra).

El esquivo Gravitón (si existe), no ha podido ser encontrado, se cree que al ser la Gravedad la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales  su partícula mediadora el Gravitón es de escala infinitesimal y difícil de detectar.

Estas doce partículas elementales a su vez están mediadas por los intercambios de otro tipo de partículas que pueden referirse como mediadores de fuerza, de estos se conocen cuatro tipos: el “gluón”, “fotón”, “gravitón” y “bosones débiles”. Aunque en realidad, el gravitón aún no ha sido confirmado experimentalmente , pero muchos físicos asumen que existe este mediador.

Como un núcleo y un electrón que se atraen entre sí debido a sus cargas eléctricas, los quarks se combinan entre sí por sus cargas de color . La fuerza que la mayoría de los físicos creen que los quarks son los bloques de construcción fundamentales que componen el universo, no se ha observado un quark aislado por sí mismo. Esto es debido a la naturaleza a fuerte es una fuerza que actúa entre cargas de color. Al igual que hay dos tipos de cargas eléctricas, hay tres tipos de cargas de color “rojo”, “azul” y “verde”, análogos a los colores primarios de la luz.

Ahora bien si conoces la teoría de los colores elementales de la luz , se puede recordar que la superposición de los tres colores elementales termina con el blanco. Esta es la razón por la cual un protón y un neutrón están formados por tres quarks. En un protón y un neutrón, un quark tiene un color rojo, otro tiene un color azul y la tercera uno tiene unie ha tenido éxito en aislar un quark, a este fenómeno se llama el confinamiento quark.

“La tabla periódica de los elementos es una disposición de los elementos químicos en forma de tabla, ordenados por su número atómico (número de protones),²​ por su configuración de electrones y sus propiedades químicas. Este ordenamiento muestra tendencias periódicas, como elementos con comportamiento similar en la misma columna.

Dmitri Mendeléyev publicó en 1869 la primera versión de tabla periódica que fue ampliamente reconocida. La desarrolló para ilustrar tendencias periódicas en las propiedades de los elementos entonces conocidos, al ordenar los elementos basándose en sus propiedades químicas,⁷​ si bien Julius Lothar Meyer, trabajando por separado, llevó a cabo un ordenamiento a partir de las propiedades físicas de los átomos.⁸​ Mendeléyev también pronosticó algunas propiedades de elementos entonces desconocidos que anticipó que ocuparían los lugares vacíos en su tabla. Posteriormente se demostró que la mayoría de sus predicciones eran correctas cuando se descubrieron los elementos en cuestión.”

“De los elementos con número atómico entre 1 hasta 92, todos a excepción de cuatro (₄₃Tc, ₆₁Pm, ₈₅At, y ₈₇Fr) se pueden detectar fácilmente en ciertas cantidades en la Tierra, teniendo una vida estable, o unos isótopos de vida media relativamente larga, o se generan como subproductos del uranio. Todos los elementos con gran número atómico tienen una probabilidad alta de haber sido generados de forma artificial, otros son extremadamente raros y por lo tanto han sido descubiertos mediante investigaciones científicas, y otros por el contrario no han existido anteriormente, como el plutonio y el neptunio, de los cuales ninguno tiene existencia natural sobre la tierra.

Todos ellos son radiactivos, con una vida media más corta que la edad de la Tierra, de esta forma es posible que estos elementos, estuvieran presentes en la formación de la tierra. Las trazas de neptunio y plutonio aparecen solo durante las pruebas de las bombas atómicas explotadas en la atmósfera. Tanto el Np como el Pu generados proceden de captura de neutrones en el uranio con dos reacciones posteriores de decaimiento beta.”

“La mayoría de los elementos generados de forma artificial se pueden obtener como elemento sintético vía reacciones nucleares o acelerador de partículas. La vida media de estos elementos suele decrecer con el número atómico.

“Algunos isótopos de los elementos níquel (Ni), cobre (Cu) y zinc (Zn). Como en la mayoría de las tablas de isótopos, los elementos se organizan de abajo hacia arriba según su número atómico creciente, y los isótopos de izquierda a derecha según su masa creciente. Color negro: isótopos estables; azul: isótopos emisores de partículas beta; rojo: isótopos emisores de partículas beta.”

Existen, no obstante excepciones, que incluyen el dubnio y algunos isótopos del curio. El químico Glenn T. Seaborg (Premio Nobel de Química) llegó a crear leyes empíricas capaces de predecir estas anomalías. Todas ellas se categorizan en lo que viene a denominarse como “isla de estabilidad”. Los elementos transuránicos no descubiertos todavía, o que no han sido denominados de forma oficial, emplearán la nomenclatura indicada por la IUPAC. A pesar de ello la denominación de algunos elementos transuránicos en el pasado y hoy en día son fuentes de controversia.·

Lista de los elementos transuránicos

• 93 neptunio Np
• 94 plutonio Pu
• 95 americio Am
• 96 curio Cm
• 97 berkelio Bk
• 98 californio Cf
• 99 einstenio Es
• 100 fermio Fm
• 101 mendelevio Md
• 102 nobelio No
• 103 lawrencio Lr
• elementos transactínidos
• 104 rutherfordio Rf
• 105 dubnio Db
• 106 seaborgio Sg
• 107 bohrio Bh
• 108 hassio Hs
• 109 meitnerio Mt
• 110 darmstadtio Ds
• 111 roentgenio Rg
• 112 copernicio Cn
• 113 nihonio Nh
• 114 flerovio Fl
• 115 moscovio Mc
• 116 livermorio Lv
• 117 teneso Ts
• 118 oganesón Og
• Podemos finalizar para decir que, la materia, esconde muchos secretos que aún, debemos desvelar.

Emilio silvera

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