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Partículas subatómicas

Partículas subatómicas

Los átomos están en todas partes. De hecho, (casi) todo en el universo conocido está formado por átomos o por espacio vacío. Y son diminutos: un céntimo de cobre de 2,5 g contiene aproximadamente átomos. ¿Pero qué es exactamente un átomo?

De los átomos a los quarks

Un átomo es la unidad más pequeña de un elemento.

El filósofo griego Demócrito fue uno de los primeros en creer en la existencia de los átomos hace más de 2000 años. Creía que los átomos eran indestructibles, no tenían estructura interna y que los átomos de una misma sustancia eran todos idénticos. Incluso la propia palabra átomo proviene del griego atomus (ἀτόμος) que significa indivisible. Sin embargo, ahora sabemos que sólo tenía razón en parte. Los átomos contienen partículas más pequeñas, llamadas protones, neutrones y electrones. Estas partículas se conocen como partículas subatómicas, y la teoría de las partículas subatómicas y su interacción se conoce como Modelo Estándar.

Las partículas fundamentales son partículas que se encuentran dentro de un átomo y que no están formadas por ninguna otra partícula. Esto significa que no pueden dividirse más.

Como se ha mencionado anteriormente, existen tres tipos de partículas subatómicas:

  • Protones
  • Neutrones
  • Electrones

El modelo estándar clasifica las partículas fundamentales que forman estas partículas en dos clases

  • Fermiones, que pueden ser quarks o leptones
  • Bosones

¿Qué son los protones?

Los protones son partículas con carga positiva. Son muy pequeños y tienen un peso minúsculo, por lo que medimos su masa utilizando la escala del carbono-12. En esta escala, todo se compara con 1/12 de la masa de un átomo de carbono-12. Aquí los protones tienen una masa de aproximadamente 1.

Los protones están densamente agrupados en el núcleo, en el centro del átomo. Son bastante importantes, porque una vez que conoces el número de protones de un átomo, sabes en qué lugar de la tabla periódica lo encontrarás y de qué elemento forma parte.

Neutrones

Los neutrones son partículas neutras con una masa relativa de aproximadamente 1. También se encuentran junto a los protones en el núcleo. El número de neutrones puede variar entre los átomos de un mismo elemento sin que cambien sus propiedades químicas.

Los fermiones

Los fermiones son las partículas fundamentales que forman las partículas subatómicas, los electrones, los protones y los neutrones. Las partículas que se encuentran en el núcleo, las protones y los neutrones están compuestos por los quarks, mientras que los electrones son un ejemplo de los leptones, que son partículas con dualidad onda-corpúsculo.

Los Quarks

Los científicos cuánticos consideran que los protones y los neutrones están formados por por partículas subatómicas más pequeñas llamadas quarks, una verdadera partícula fundamental. Un quark es un tipo de fermión.

Un quark es una partícula subatómica con una carga eléctrica fraccionada.

Hay dos tipos de quarks que componen los neutrones y los protones.

  • Quark up: tiene una carga eléctrica de +2/3.
  • Quark down: tiene una carga eléctrica de -1/3.

Un protón está formado por dos quarks up y un quark down. Por lo tanto, el protón tiene una carga eléctrica positiva igual a +1. El neutrón está formado por dos quarks down y un quark up. Por lo tanto, el neutrón tiene una carga eléctrica nula.

Dato curioso: Los quarks son las partículas más antiguas. Aparecieron por primera vez durante el nacimiento del Universo, lo que se conoce como el Big Bang, hace unos 14.000 millones de años, ¡muy pocos momentos antes de la formación de protones y neutrones!

Leptones

El ejemplo más conocido de los leptones, son los electrones.

Los electrones son partículas negativas. Son aún más pequeños que los protones: los electrones tienen una masa real de 9,1094 x 10-28g o una masa relativa de 1/1840 de la masa de un protón. No se encuentran en el núcleo del átomo con los protones y los neutrones. En su lugar, los electrones pasan su tiempo en niveles de energía, también conocidos como capas, orbitando alrededor del núcleo. Los niveles de energía aumentan a medida que se alejan del núcleo, y los electrones siempre intentan estar en el nivel de energía más bajo posible

A diferencia de los protones y los neutrones, los electrones son partículas negativas. Son atraídos hacia el núcleo positivo por una fuerza llamada atracción electrostática. Sin embargo, ésta es mucho más débil que la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos a protones y neutrones.

El número de electrones de un átomo determina sus propiedades químicas y su reacción.

Los átomos no tienen carga global, lo que significa que contienen el mismo número de electrones que de protones. Si un átomo gana o pierde un electrón para convertirse en una partícula cargada, forma un ion.

Un ion es un átomo que ha ganado o perdido un electrón para formar una partícula cargada.

Se considera hoy en día que el electrón es una partícula subatómica fundamental, del grupo de los leptones.

La siguiente tabla muestra las masas y cargas relativas de las tres partículas subatómicas:

Partícula
Masa (g)
Masa (amu)
Carga
Protones
1,6726 x 10-24
1,0073
+1
Neutrones
1,6749 x 10-24
1,0087
0
Electrones
9,1094 x 10-28
5,4858 x 10-4
-1

Tabla 1. Una tabla que compara protones, neutrones y electrones. Fuente: StudySmarter Originals

amu significa unidad de masa atómica. Equivale exactamente a una duodécima parte de la masa del átomo de carbono-12. El valor de una duodécima parte de la masa del átomo de carbono-12, y una unidad atómica, es 1.660538921 x 10-27 kg.

Bosones

El Bosón de Higgs fue descubierto el 4 de Julio, 2021 en el CERN, Suiza por Peter Higgs. Este descubrimiento, que ganó un premio Nobel en 2013, permitió completar el modelo estándar de la física subatómica.

Los bosones son partículas fundamentales que no cumplen el principio de exclusión de Pauli, a diferencia de los electrones. Los bosones ceden masa a las otras partículas fundamentales, permitiéndoles actuar tanto como una onda y una partícula.

Para más información, dirígete al artículo del Bosón de Higgs

El núcleo

Los protones y los neutrones se encuentran densamente agrupados en el núcleo, en el centro del átomo. Como los protones tienen carga positiva, los neutrones son neutros, el núcleo también esté cargado positivamente. Sin embargo, a las partículas con la misma carga no les gusta mucho estar juntas: tienden a repelerse. Una fuerza extremadamente poderosa, llamada fuerza nuclear fuerte, mantiene unidos a los protones y neutrones en una masa imposiblemente pequeña y densa.

Capas de electrones

A diferencia de los protones y los neutrones, los electrones se encuentran en capas que orbitan alrededor del núcleo. Estas capas también se conocen como niveles de energía, y se organizan en subcapas y orbitales. Lo importante de las capas es lo siguiente

  • Las capas de los electrones se dividen en subcapas que pueden contener diferentes números de orbitales y electrones.
  • Las capas aumentan su energía a medida que se alejan del núcleo.

Los electrones son bastante exigentes y les gusta estar en el estado de energía más bajo posible. En lo que respecta a las capas, siempre se llenarán de dentro a fuera si se les da la opción, es decir, desde el nivel de energía más bajo hasta el más alto. Del mismo modo, a los átomos les gusta tener las capas externas llenas de electrones. Esto significa que a menudo ganan o pierden electrones para completar su capa externa.

Las capas no nos dicen dónde se encuentra un electrón; de hecho, es imposible saber tanto la ubicación exacta de un electrón como hacia dónde se dirige. En cambio, las capas nos dan una aproximación de dónde estará el electrón la mayor parte del tiempo.

Importancia de las partículas subatómicas

Diferentes cantidades de protones, neutrones y electrones dan lugar a diferentes átomos, que se clasifican en una tabla que debes conocer: la tabla periódica de los elementos. Este sistema de clasificación fue ideado en 1869 por el científico ruso Dimitri Mendeléyev: los elementos se ordenan por número atómico creciente (dado por el número de protones en el núcleo). Hoy se conocen 118, pero es un número destinado a crecer.

Debes recordar que, aunque pueda parecer caótico en un átomo, con todos los electrones corriendo alrededor del núcleo extremadamente denso y altamente cargado, la gran mayoría del átomo es en realidad espacio vacío. Tomemos un átomo de hidrógeno, por ejemplo. Contiene un solo protón en su núcleo y está orbitado por un electrón. Si todo el átomo de hidrógeno tuviera el tamaño de la Tierra, el protón sólo tendría 200 metros de diámetro. O, dicho de otro modo, si expandieramos un átomo hasta alcanzar el tamaño de un estadio de fútbol, su núcleo apenas sería visible: tendría el tamaño de una canica.

¿Cómo influyen las partículas fundamentales de un átomo en sus propiedades?

¿Qué hace que el hidrógeno reaccione de forma tan diferente al helio? ¿Qué es lo que hace que el sodio burbujee violentamente si se coloca en el agua, mientras que mojar el carbono no parece hacer nada? Las tres partículas fundamentales estudiadas anteriormente determinan las características de un átomo, las reacciones que experimentará y el elemento del que forma parte:

El número de protones determina a qué elemento pertenece el átomo y su posición en la tabla periódica. Por ejemplo, cada átomo de carbono tiene exactamente seis protones. Si perdiera un protón, se convertiría en boro. El número combinado de protones y neutrones influye poco en las propiedades químicas del átomo, pero aumenta su masa y, por tanto, modifica sus propiedades físicas.

El número de electrones presentes cambia drásticamente las propiedades químicas de un átomo al cambiar su configuración electrónica. Recuerda que los átomos prefieren tener las capas exteriores llenas de electrones, y su reactividad depende de lo cerca que estén sus capas exteriores de estar llenas. El argón es un gas noble con la capa exterior llena, por lo que es relativamente poco reactivo, mientras que los metales como el sodio, el litio y el potasio deben almacenarse en aceite para que no reaccionen con el aire.

Número atómico y másico

Como todo átomo debe ser eléctricamente neutro, el número de protones, llamado número atómico e indicado con la letra Z, es igual al número de electrones.

En cambio, la suma de protones y neutrones se indica con la letra A y se conoce como número másico. La diferencia entre el número másico y el número atómico determina el número de neutrones presentes en el núcleo atómico. La masa de los electrones, al ser muy pequeña comparada con la de los protones y neutrones, puede despreciarse.

También hay casos en los que los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número atómico (Z) pero diferente número de masa (A), es decir, a pesar de tener el mismo número de protones, tienen un número diferente de neutrones. Estos átomos se denominan isótopos.

La unidad de medida de longitud del átomo es el Ångström (¡siempre lo recuerdo porque me recuerda a Asgard, donde vive Thor!

Partículas Subatómicas - Puntos Claves

  • Los átomos están formados por tres partículas subatómicas llamadas protones, neutrones y electrones.
  • Hay dos tipos de partículas fundamentales, los fermiones y los bosones
  • Los protones y los neutrones están formados por quarks mientras que el electrón es una partículas fundamental, clasificado como un lepton.
  • Los protones y los neutrones se encuentran en el núcleo, en el centro del átomo, mientras que los electrones se encuentran en las capas que orbitan alrededor del núcleo.
  • Los átomos son neutros y contienen el mismo número de protones que de electrones.

Preguntas frecuentes sobre Partículas subatómicas

El electrón tiene una carga negativa, el protón está cargado positivamente, mientras que el neutrón no tiene carga.

El atómo está fomrado por los tres tipos de partículas subatómicas:

 

  • Protones.
  • Neutrones.
  • Electrones.


El modelo estándar clasifica las partículas fundamentales que forman estas partículas en dos clases


  • Fermiones, que pueden ser quarks o leptones
  • Bosones

Los fermiones pueden ser leptones (un ejemplo es el electrón) o quarks que componen el protón y neutrón.

Los bosones son partículas fundamentales que no cumplen el principio de exclusión de Pauli, a diferencia de los electrones. Los bosones ceden masa a las otras partículas fundamentales, permitiéndoles actuar tanto como una onda y una partícula.  

El quark es una partícula elemental o fundamental por lo que es indivisible.  Pero sí que forma partículas subatómicas como el protón y el neutrón.

Cuestionario final de Partículas subatómicas

Pregunta

¿Qué es un campo eléctrico?

Mostrar respuesta

Answer

El campo eléctrico es una región alrededor de una partícula cargada en la que otras partículas cargadas experimentan una fuerza.

Show question

Pregunta

Si hay una sola carga puntual positiva, ¿dónde se originan y donde terminan las líneas de campo eléctrico?

Mostrar respuesta

Answer

Las líneas de campo eléctrico saldrán de la carga puntual y terminarán en el infinito.

Show question

Pregunta

El punto A tiene un campo eléctrico más intenso que el punto B. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es cierta?

Mostrar respuesta

Answer

Las líneas de campo eléctrico en A son más densas que en B.

Show question

Pregunta

Hay una superficie plana cargada positivamente con el vector superficie apuntando hacia arriba. ¿Cuál es la dirección de las líneas de campo eléctrico?

Mostrar respuesta

Answer

Hacia arriba.

Show question

Pregunta

¿Cómo se puede crear un campo eléctrico entre la superficie A y la superficie B?

Mostrar respuesta

Answer

Creando una diferencia de potencial eléctrico entre las dos superficies.

Show question

Pregunta

¿Cuál es la dirección del campo eléctrico en el punto A debido a una carga puntual de -2C mantenida a 100m de él?

Mostrar respuesta

Answer

Hacia la carga.

Show question

Pregunta

q1 = 1C. q2 = -1C. distancia entre ellas (r) = 1m. ¿Cuál es la fuerza sobre q2 debida a q1, y en qué dirección está la fuerza?

Mostrar respuesta

Answer

F = 9·109 N ; la fuerza está hacía q1.

Show question

Pregunta

Selecciona la afirmación verdadera:

Mostrar respuesta

Answer

Las líneas de campo eléctrico nos indican el tipo de carga.


Show question

Pregunta

El átomo es indivisible

Mostrar respuesta

Answer

Falso

Show question

Pregunta

¿Qué partícula subatómica cede masa a las partículas?

Mostrar respuesta

Answer

Bosones

Show question

Pregunta

¿Qué partícula subatómica tiene carga positiva?

Mostrar respuesta

Answer

Protón

Show question

Pregunta

¿Qué son las partículas fundamentales?

Mostrar respuesta

Answer

Las partículas fundamentales son partículas que se encuentran dentro de un átomo y que no están formadas por ninguna otra partícula. Esto significa que no pueden dividirse más.

Show question

Pregunta

Qué dos tipos de partículas fundamentales hay según el modelo estándar?


Mostrar respuesta

Answer

Fermiones y bosones

Show question

Pregunta

¿Cuáles son las tres partículas subatómicas del atómo?

Mostrar respuesta

Answer

Electrón,  protón y neutrón

Show question

Pregunta

¿Dónde se encuentra los protones?

Mostrar respuesta

Answer

En el núcleo

Show question

Pregunta

¿Cuántos quarks forman un protón o un neutrón?

Mostrar respuesta

Answer

3

Show question

Pregunta

¿Cuál es más pequeño?

Mostrar respuesta

Answer

Electrón

Show question

Pregunta

¿Qué es un quark?

Mostrar respuesta

Answer

Un quark es una partícula subatómica con una carga eléctrica fraccionada.

Show question

Pregunta

Las líneas de campo eléctrico se pueden cruzar entre sí. En tal caso, algún punto del espacio tendría un campo eléctrico en dos direcciones simultáneamente.

Mostrar respuesta

Answer

Falso.

Show question

Pregunta

Los campos eléctricos son siempre ______ a la superficie cargada.


Mostrar respuesta

Answer

Perpendiculares.

Show question

Pregunta

Las líneas de campo eléctrico se originan en la carga _____ y terminan en una carga _____. 


Mostrar respuesta

Answer

Positiva; Negativa.

Show question

Pregunta

La ley de Coulomb nos dice que las cargas diferentes se repelen y las cargas similares se atraen.

Mostrar respuesta

Answer

Falso.

Show question

Pregunta

¿Qué tipo de magnitud es un campo eléctrico?

Mostrar respuesta

Answer

Es una magnitud vectorial porque tiene tanto una cantidad (valor medible) como una dirección.

Show question

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