¿Qué es lo más pequeño que conoces?: ¿un átomo?, ¿una molécula?, ¿un granito de arena? Todas esas cosas son muy pequeñas, pero todas, así como cada objeto en el universo, está formado por partículas. Las partículas son la unidad más básica que forma nuestro universo. Constituyen la materia; como a los átomos, y las moléculas. Existen diferentes tipos de partículas, tales como los bosones de norma, que son las los permiten el intercambio de energía entre otras partículas. Un ejemplo de bosón de norma es el fotón.
Partículas elementales
Las partículas son objetos minúsculos que tienen propiedades físicas como masa, carga, volumen, densidad y energía. Las partículas que componen la materia se pueden dividir en familias, tales como los hadrones, leptones y bosones. Todas estas partículas componen a los elementos y a sus isotopos.
Las partículas son objetos minúsculos que, generalmente, tienen propiedades físicas como masa, carga, volumen y densidad. También, pueden transportar energía.
Tipos de partículas
En el primer cuarto del siglo XX, solo se conocían unas pocas partículas atómicas clásicas, pero los descubrimientos ya preveían electrones con carga positiva. Estas predicciones, realizadas por el científico británico Paul Dirac, fueron confirmadas por el físico estadounidense Carl Anderson, tras estudiar los rayos cósmicos. El electrón con carga positiva, también conocido como positrón, fue la primera prueba de la antimateria.
Los nuevos descubrimientos condujeron a una clasificación de las partículas en grandes grupos de familias conocidas como fermiones y bosones.
Fermiones
Los fermiones se pueden dividir en dos grupos: los quarks y los leptones. A escala subatómica, ahora conocemos otras dos fuerzas, además de la gravitatoria y la electromagnética. La primera de estas fuerzas, que actúa a escala atómica, es la fuerza nuclear fuerte; responsable de mantener unidas las partículas y experimentada por los quarks. La segunda fuerza adicional es la fuerza nuclear débil, experimentada por los leptones.
Los leptones —que incluyen a los electrones, los neutrinos, los taus y los muones— no se ven afectados por la fuerza nuclear fuerte, mientras que los quarks — que comprenden a los protones, los neutrones y los mesones— sí se ven afectados por ella.
Bosones
Los bosones son responsables de tres de las cuatro fuerzas fundamentales del universo: el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. La partícula responsable de la gravedad no se ha encontrado y solo existe en teoría (gravitón). En la familia de los bosones, encontramos el fotón, el gluon, el bosón Z, el bosón W y el bosón de Higgs. La unión de estas partículas elementales forma otro tipo de partículas llamados hadrones.
Partículas subatómicas
En la teoría atómica clásica, los átomos están compuestos por tres partículas subatómicas: electrones, protones y neutrones. Las dos primeras tienen carga eléctrica, mientras que los neutrones no (son neutros). Los protones y neutrones se clasifican como hadrones porque están formados de quarks.
La teoría clásica también afirma que existe otra partícula: el fotón. Este no tiene masa y es responsable de las ondas electromagnéticas, como la luz. El fotón se clasifica como bosón.
En resumen, tenemos:
Electrones, que se mueven alrededor del núcleo del átomo y tienen carga negativa.
Protones, hadrones que están presentes en el núcleo del átomo y tienen carga positiva.
Neutrones, hadrones que, al igual que los protones, están presentes en el núcleo del átomo y no tienen carga.
Fotones, bosones responsables de transportar la energía en el espectro electromagnético, incluyendo las ondas de radio, los rayos gamma, la luz ultravioleta, la luz visible, etc.
Fig. 1: Lo que percibimos como luz solar es, en realidad, partículas llamadas fotones.
Átomos
Consideremos cada vez una unidad de materia más grande. La primera fue las partículas elementales, después las partículas subatómicas y el siguiente es el átomo. Un átomo está compuesto de partículas subatómicas como protones, neutrones, y electrones.
Los átomos son los bloques básicos de la química, ya que son las unidades más pequeñas de la materia que pueden tener una carga neutra. Los átomos de los distintos elementos químicos tienen diferente número de neutrones, protones y electrones, lo que les confiere distintas propiedades.
Los protones y los neutrones son las partículas que se encuentran en el núcleo del átomo. Los electrones se mueven alrededor del núcleo.
Fig. 2: Un átomo, con los protones y neutrones en verde y los electrones en órbita en rojo.
Los átomos se clasifican por su número atómico. Este número atómico identifica el número de protones que se encuentran en el núcleo. Los distintos elementos tienen diferentes números de protones.
Los siguientes son ejemplos de átomos, pertenecientes a diferentes elementos, incluyendo sus símbolos y números atómicos:
- Hidrógeno, H: con un número atómico de 1, es el elemento más abundante del universo.
- Carbono, C: con un número atómico de 6, es el bloque de construcción de todas las reacciones conocidas que hacen posible la vida.
- Cobre, Cu: con un número atómico de 29, es una de las columnas vertebrales de la tecnología moderna, por sus propiedades como conductor eléctrico.
- Silicio, Si: con un número atómico de 14, constituye el 30 % de la corteza terrestre y se utiliza para fabricar chips de ordenador y materiales de construcción, entre otros.
Moléculas
Ya vimos que existen partículas subatómicas que están formadas por partículas elementales como los fermiones y los bosones. Y que los átomos están compuestos por partículas subatómicas. El siguiente nivel en la materia son las moléculas.
Las moléculas son partículas formadas por cadenas de átomos. La constitución de las moléculas puede variar, ya que estas pueden tener estructuras muy complejas. Las moléculas no tienen carga eléctrica.
Algunos ejemplos de moléculas son:
- El agua, H₂O: que está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.
- El oxígeno (que respiramos todos los días), O2: está formado por dos átomos de oxígeno.
- El metano (que se emplea como combustible), CH4: está formado por cuatro átomos de hidrógeno y un átomo de carbono.
Isótopos
Cuando un elemento tiene un número diferente de neutrones y protones, se denomina isótopo. Los isótopos se encuentran en la naturaleza, pero también se pueden producir en los laboratorios.
El hidrógeno tiene tres isótopos naturales:
- Protio, que tiene un electrón y un protón.
- Deuterio, que tiene un electrón, un protón y un neutrón.
- Tritio, que tiene un electrón, un protón y dos neutrones.
Fig. 3: Los isótopos de protio, deuterio y tritio (de izquierda a derecha).
Partículas resultantes de procesos radiactivos
Hay partículas que se crean como parte de la desintegración radiactiva, en la que un átomo emite partículas al romperse. Estas partículas incluyen las partículas alfa y las partículas beta:
Partículas alfa: compuestas por dos neutrones y dos protones, forman el núcleo del helio.
Partículas beta: compuestas por electrones de alta velocidad, pueden ser positivas o negativas, positrones (antimateria).
Partículas - Puntos clave
- Las partículas son objetos localizados que, generalmente, tienen propiedades físicas como masa, carga, volumen y densidad. Pueden transportar energía.
- Las partículas tienen diferentes tamaños, desde grandes moléculas formadas por muchos átomos unidos entre sí hasta átomos y partículas subatómicas más pequeñas. Estas partículas subatómicas, que componen el átomo, pueden dividirse en fermiones y bosones.
- Las partículas subatómicas clásicas son los protones, neutrones, electrones y fotones.
- Los bosones son las partículas elementales responsables del intercambio de tres de las cuatro fuerzas fundamentales del universo: la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil.
- Las partículas pueden ser emitidas como parte de procesos radiactivos, como la desintegración radiactiva. Ejemplos de partículas liberadas de ese modo son las partículas alfa y beta.
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