Como hemos visto, el átomo está formado por partículas: protones, neutrones y electrones.
| En el modelo planetario del átomo, el núcleo está formado por protones y neutrones, y en la corteza, orbitan los electrones. |
Pero… ¿estas partículas son indivisibles?
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En la década de 1960 Murray Gell-Mann y George Zweig, estudiaron el resultado que se producía al hacer colisionar partículas a grandes velocidades. Estos resultados les llevaban a pensar que ni siquiera estas partículas eran indivisibles. |
Si pudiéramos aumentar el tamaño de un protón a nuestro gusto, veríamos que a su vez está formado por otro tipo de partículas. Estas partículas se llaman quarks. Aunque existen en total seis tipos de estas partículas, vamos a hablar solamente el quark up y el quark down, que, combinándose, forman el protón y el neutrón.
Lo mismo ocurriría con el neutrón. La diferencia es que la proporción entre quarks up y down es la inversa.
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| El protón está formado por dos quarks up (u) y un quark down (d). | El neutrón está formado por dos quarks down d) y un quark up (u). |
Estas partículas reciben el nombre de partículas elementales, ya que no están compuestas por otras.
Por otro lado, el electrón no está formado por otras partículas. Es por tanto también una partícula elemental.
En la siguiente animación podemos hacernos una idea de las dimensiones de estas partículas de las que estamos hablando:
¿Alguna vez te has preguntado: qué es lo que mantiene unidas a estas partículas?
Todas estas partículas interaccionan entre sí de distintas formas.
Seguramente nos resultan familiares la fuerza gravitatoria y la fuerza electromagnética, pero cuando hablamos de átomos y partículas subatómicas, existen interacciones más importantes: la interacción nuclear fuerte y la interacción nuclear débil.
La que, sin duda, nos resulta más familiar, es la interacción gravitatoria. Estamos acostumbrados a que las cosas se caigan al suelo, y tenemos mucho cuidado con no tropezarnos, ¡sabemos qué ocurriría a continuación!
Partamos de este hecho tan cotidiano para reflexionar acerca de las interacciones.
La imagen siguiente también nos resulta familiar. La manzana cayéndose debido a la atracción de la Tierra, siguiendo lo que nosotros diríamos que es una línea recta, y, si no tuviera impedimentos, llegaría hasta el centro de la Tierra.
Cuenta la leyenda, que una tarde de verano, Newton reflexionaba acerca de gravedad, bajo la sombra de un árbol, tal y como hace la protagonista de nuestra imagen. Una manzana que cayó del árbol en ese momento le devolvió a la realidad, y encendió la chispa que le llevó a formular la ley de la gravitación universal. |
La interacción gravitatoria es siempre atractiva, y se manifiesta a grandes distancias.
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¿Cómo se realiza esta acción "a distancia"? La Tierra no está en contacto con la Luna, sin embargo la interacción es evidente. Podríamos pensar que la Tierra, debido a su masa, crea en el espacio una región de influencia, que se llama campo gravitatorio. Todos los cuerpos que están sobre la Tierra, sienten la influencia de este campo. También la Luna y los satélites que orbitan nuestro planeta. Aunque, a medida que nos alejamos de la Tierra, este efecto se hace menos perceptible. |
| Otro modelo para visualizar la interacción gravitatoria, consiste en imaginarse el espacio como si fuera una superficie flexible, como la superficie de una cama elástica, de forma que al colocar sobre ésta una gran masa, se hundiría, haciendo que los cuerpos próximos rodasen hacia ella. |  |
Una masa mayor, como la del Sol, ejercerá una influencia que se percibe a mayor distancia todavía, y es este campo gravitatorio el responsable de la gran cantidad de cuerpos celestes atrapados en órbitas alrededor de nuestra estrella.
Otro modelo para representar esta interacción a distancia, es suponer que, asociado a un campo, hay una partícula o cuanto que se intercambia continuamente entre los cuerpos que están interaccionando.
En el caso del campo gravitatorio, esta partícula recibe el nombre de gravitón (aunque todavía no ha sido descubierta).
La interacción electromagnética también nos resultará muy familiar, ya que es la que se produce entre cargas o entre imanes. Podríamos razonar de igual forma que en el caso de la interacción gravitatoria y sacar conclusiones similares.
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| El efecto que produce un imán o una carga en el espacio, se representa mediante líneas de campo. |
| La luz es una onda electromagnética, que se puede visualizar como el resultado de la oscilación de dos cargas eléctricas de igual magnitud y de signo contrario. |
La interacción electromagnética se produce mediante el intercambio de partículas llamadas fotones.
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| Diagrama de Feynman mostrando la fuerza electromagnética entre dos electrones por medio del intercambio de un fotón virtual. |
Lo que más nos interesa en este contexto de las interacciones gravitatoria y electromagnética, es sobre todo que tengamos una idea intuitiva de interacción, campo y partícula asociada a ese campo.
Recordad que el objetivo final es comprender qué es el campo de Higgs y la partícula asociada a dicho campo: el bosón de Higgs.
Pero, ¿qué fuerza es la responsable de mantener unidos a los protones y neutrones formando un átomo?
Se trata de la interacción nuclear fuerte. Ésta es la responsable de mantener estable el núcleo atómico. Es más intensa, pero de menor alcance que la interacción electromagnética. De ahí que, a pesar de la repulsión entre protones, el núcleo se mantiene estable.
Las partículas asociadas a esta interacción reciben el nombre de gluónes (glue: pegamento).
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Los gluónes actúan como auténtico "pegamento", manteniendo la integridad del átomo. Estas partículas se intercambian contínuamente entre los quarks que forman los protones y neutrones, pero también con los que forman otros. |
La interacción nuclear débil, de muy corto alcance, es la responsable de mantener, entre otras cosas, unidas las partículas que forman los neutrones y los protones. Esta interacción se produce mediante el intercambio de partículas llamadas bosones W y Z.
El ejemplo más ilustrativo es el de la llamada desintegración beta, en la que un neutrón se convierte en un protón:
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En el diagrama adyacente, vemos el mecanismo de desintegración beta, mediante el cual, un neutrón da como resultado un protón, un electrón y un antineutrino. En realidad se produce un proceso intermedio, en el que por brevísimo tiempo entra en escena el bosón W-, que se transforma en un electrón y un antineutrino. Observemos en la imagen que el cambio de neutrón a protón implica el cambio en uno de los quarks que los componen. |
Ideas fundamentales:
- Las interacciones se pueden visualizar como un campo, y asociado a éste nos encontramos una partícula, que representa la cuantización de ese campo.
- Las interacciones se realizan mediante un contínuo intercambio de partículas.