Estructura atómica. Partículas subatómicas

1.1 El átomo y sus partículas subatómicas

Es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos químicos. Desde el punto de vista moderno, el átomo es un sistema de energía en equilibrio, debido a que presentan igual número de protones y electrones. Por ésta razón, es neutro. Con el desarrollo de la física nuclear en el siglo XX se comprobó que el átomo puede subdividirse en partículas más pequeñas.

Estructura atómica. El átomo se compone de un núcleo de carga positiva formado por protones y neutrones, en conjunto conocidos como nucleones, alrededor del cual se encuentra una nube de electrones de carga negativa.

Partículas subatómicas. Es una partícula más pequeña que el átomo.

Protón

Descubierta por Rutherford en el 1911. Son partículas de carga eléctrica positiva (+) algunas teorías predicen que el protón puede desintegrarse

El protón y el neutrón, en conjunto, se conocen como nucleones, ya que conforman el núcleo de los átomos. Límite inferior en su vida media de unos 1035 años. Los protones se componen de dos quarks arriba y un quark abajo

Neutrón

Son partículas que no tienen carga eléctrica Y Fueron descubiertas por Chadwick en 1932. Fuera del núcleo atómico es inestable y tiene una vida media de unos 15 minutos El neutrón es necesario para la estabilidad de casi todos los núcleos atómicos la única excepción es el hidrógeno. Un neutrón es un barión neutro formado por dos quarks abajo y un quark arriba.

Electrón

Son partículas de carga eléctrica negativa (-).Se encuentran alrededor del núcleo atómico, Descubierta por J.J. Thompson en el 1897. En un átomo los electrones rodean el núcleo. Los electrones tienen una masa pequeña respecto al protón, y su movimiento genera corriente eléctrica.

Estas partículas desempeñan un papel primordial en la química ya que definen las atracciones con otros átomos. La descarga de un rayo consiste principalmente en un flujo de electrones.

También se encuentran los corpúsculos materiales de dimensiones muy pequeñas que constituyen a los átomos o que son originados por la transformación de las partículas constitutivas de los mismos. Incluso puede decirse que ha excepción del protón, el electrón y sus antipartículas antiprotón y antielectrón, todas las demás partículas elementales son inestables y se desintegran en partículas más ligeras que ellas.

Leptones y Quarks

El modelo estandard es el modelo teórico que describe todas las partículas elementales que forman la materia conocida y las interacciones entre ellas, salvo la gravitatoria, que no está incluida en este modelo.

Leptones: Electrón, muón, partícula tau, y tres neutrinos asociados (neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tau).

Quarks: Existen seis tipos de quarks: u, d, c, s, t, b, donde las letras denotan up, down, charm, strange, top y bottom (en castellano arriba, abajo, encantado, extraño, cima yfondo).

Todas estas partículas tienen una propiedad intrínseca llamada espín (momento angular intrínseco de rotación) que tiene el valor 1/2. Las partículas elementales o compuestas que tienen un espín semientero (es decir, 1/2, 3/2, etc.) se denominan fermiones.

Salvo los tres neutrinos, que tienen carga eléctrica nula, las restantes 9 partículas tienen carga eléctrica. El electrón, muón y partícula tau tienen la misma carga eléctrica. Tomando a esta carga como patrón y de signo negativo, la carga eléctrica de los quarks u, c, t es positiva e igual a 2/3 de la carga del electrón, mientras que los quarks d, s, b tienen carga eléctrica negativa e igual a 1/3 de la carga electrónica. Sólo las partículas con carga eléctrica no nula son sensibles a las fuerzas de origen electromagnético.

¿En que se diferencian los leptones de los quarks?

Fundamentalmente en que los quarks son sensibles a las fuerzas provocadas por la denominada interacción fuerte (véase modelo estándar), teniendo "cargas de color" no nulas (roja, verde o azul). Los leptones son insensibles a este tipo de fuerzas y tienen cargas de color nulas.

Tanto los leptones como los quarks son además sensibles a las fuerzas derivadas de la denominada interacción débil, teniendo diferentes cargas asociadas (denominadas "cargas de sabor").

Las partículas elementales poseen diferentes masas. Tomaremos como referencia la masa del electrón, que es muy pequeña en comparación con la de los objetos macroscópicos a los que estamos acostumbrados. Su masa es de 0,000000000000000000000000000911 gramos (27 ceros despues de la coma). La masa del muón es 206 veces la masa del electrón, mientras que la de la partícula tau, 3477 veces la masa del electrón. En cambio, los neutrinos poseen masas muy pequeñas en comparación con la del leptón asociado. Durante mucho tiempo se pensó que los neutrinos no tenían masa, pero actualmente se sabe que poseen masas no nulas aunque pequeñas, no conocidas aún con certeza.

Los quarks no han sido detectados en forma libre, por el denominado efecto de confinamiento. Se los encuentra usualmente formando pares o trios, de color total neutro. La noción de masa para los quarks es en consecuencia más compleja. Damos a continuación valores muy aproximados para la masa "corriente" del quark. La masa del quark u es 6 veces la masa del electrón, la del quark d 12 veces, las de los quark c y s 2500 y 200 veces, respectivamente, la del quark b 8400 veces mientras que la del quark t es 334000 veces la masa del electrón, es decir, del mismo orden que la de un núcleo atómico de oro.

Cada una de estas 12 partículas tiene también una anti-partícula asociada, la cual posee la misma masa que la partícula original aunque su carga eléctrica es opuesta (cuando es no nula). Los neutrinos tienen también antipartículas asociadas.

Hadrones

Las partículas subatómicas compuestas por quarks se denominan en general hadrones. Se dividen pues en dos grandes grupos: bariones (formados por tres quarks) y mesones (formados esencialmente por un par quark-antiquark).

Bariones: Las partículas formadas por tres quarks se denominan bariones. Comprenden los nucleones, es decir, los protones y neutrones, y también los denominados bariones Delta, Lambda, Sigma, Xi y Omega. Este último está compuesto por tres quarks s y su descubrimiento fue un triunfo de la teoría, que predijo correctamente su existencia y masa. Los bariones tienen espín semi-entero y son por lo tanto fermiones.

Un protón está formado por dos quarks up y un quark down. Un neutrón está formado

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