¿A qué campo pertenecen las partículas subatómicas?

Los átomos son omnipresentes, pues (prácticamente) cualquier elemento en el universo que se conoce está compuesto por ellos o por espacio vacío. A pesar de su diminuto tamaño, un centavo de cobre de 2,5 g alberga alrededor de 3 · 1022 (3 seguido de 22 ceros) átomos de cobre. Entonces, ¿cómo se podría definir un átomo?

La Influencia de las Partículas Constituyentes del Átomo en sus Características

¡A menudo nos surge la pregunta de por qué algunos elementos reaccionan de manera tan diferente entre sí!

¿Qué es lo que hace que el hidrógeno se comporte de forma distinta al helio? ¿Por qué el sodio genera violentas burbujas al ser sumergido en agua, mientras que mojar el carbono parece no tener efecto?

Las tres partículas fundamentales estudiadas anteriormente determinan las características de un átomo, sus reacciones y a qué elemento pertenece:

El número combinado de protones y neutrones tiene un pequeño impacto en las propiedades químicas del átomo, sin embargo, influye en su masa y, por ende, en sus propiedades físicas. En cambio, el número de electrones presente modifica drásticamente las propiedades químicas de un átomo al alterar su configuración electrónica.

Es importante recordar que los átomos prefieren tener sus capas exteriores completas de electrones, y su reactividad depende de qué tan cercanas estén estas capas a estar llenas.

Con frecuencia nos hacemos la pregunta de por qué algunos elementos reaccionan tan diferente entre sí. ¡Pero ahora comprendemos que todo se debe a las diferencias en su número de electrones y su deseo de tener un exterior completo!

La descripción de las partículas a nivel subatómico

La estructura de la materia es un tema fascinante para el ser humano, que ha dedicado siglos a estudiar sus partículas subatómicas, las cuales son más pequeñas que el átomo y determinan sus propiedades. Estas partículas pueden ser de tipo compuesto o elemental, y han sido objeto de diversas teorías a lo largo de la historia, desde la antigüedad hasta la contemporaneidad. Los modelos atómicos han evolucionado con el avance de la ciencia, y alcanzaron su forma definitiva en la actualidad gracias al desarrollo de disciplinas como la teoría cuántica, la electroquímica y la física nuclear. A través de estas ramas del conocimiento, se han podido comprender mejor la composición y funcionamiento de las partículas subatómicas y su importancia en la materia que nos rodea.

Tipos de partículas subatómicas

Existen diversas formas de clasificar las partículas subatómicas. Por ejemplo, las tres más conocidas y estables son: electrones, protones y neutrones. Estas partículas se diferencian por su carga eléctrica (negativa, positiva y neutra respectivamente) y su masa. Además, los electrones son considerados partículas elementales e indivisibles, mientras que los protones y neutrones son compuestos. Es importante destacar que los electrones orbitan alrededor del núcleo, mientras que los protones y neutrones forman parte de él.

Por otro lado, los protones y neutrones, al ser compuestos, están formados por partículas aún más pequeñas llamadas quarks. Estos están unidos por otra clase de partículas conocidas como gluones. Tanto los quarks como los gluones son considerados partículas elementales e indivisibles. En total, existen seis tipos de quarks: up (arriba), down (abajo), charm (encanto), strange (extrañeza), top (superior) y bottom (inferior).

Además de los mencionados anteriormente, también encontramos otros tipos de partículas subatómicas como los fotones, responsables de la interacción electromagnética, y los neutrinos y bosones de gauge, encargados de las fuerzas nucleares débiles. Por último, no podemos dejar de mencionar el descubrimiento en 2012 del bosón de Higgs, considerado la pieza fundamental que otorga masa a todas las partículas elementales del universo. Realmente, ¡todo está conectado en el mundo subatómico!

Explorando desde los componentes más pequeños hasta las partículas fundamentales

Demócrito, filósofo griego, fue uno de los principales defensores de la existencia de átomos hace más de dos mil años. Él sostenía que estos eran indestructibles y no tenían estructura interna. Además, consideraba que todos los átomos de una misma sustancia eran idénticos. De hecho, la raíz de la palabra átomo proviene del griego “atomus” (ἀτόμος), que significa indivisible.

No obstante, con el avance de la ciencia, ahora sabemos que solamente tenía razón en parte. Los átomos, en realidad, contienen pequeñas partículas como los neutrones, protones y electrones. Estas partículas son conocidas como partículas subatómicas. A su vez, la teoría que estudia estas partículas y su interacción se conoce como Modelo Estándar.

Partículas fundamentales son aquellas que se encuentran en el interior de un átomo y no pueden ser divididas en partículas más pequeñas. Esto implica que su tamaño es el más pequeño posible.

Qué son los protones

La relevancia de los protones reside en que su número determina la posición de un átomo en la tabla periódica y su identidad como elemento. Estas partículas, que son extremadamente pequeñas, se miden en comparación con el peso del carbono-12, utilizando una escala en la que se toma como referencia 1/12 de la masa de un átomo de carbono-12. En términos de peso, los protones tienen una masa aproximada de 1.

Qué son los fermiones

La estructura fundamental de la materia

Dentro del núcleo, se encuentran partículas denominadas quarks, mientras que los leptones, como los electrones, son otros ejemplos de partículas con dualidad onda-corpúsculo.

La teoría cuántica de la física

Los investigadores de la física cuántica plantean que los protones y los neutrones están conformados por partículas aún más pequeñas, a las que se les llama quarks: estas son consideradas como verdaderas partículas fundamentales.

La composición de los núcleos atómicos

El protón, que tiene una carga positiva de +1, está compuesto por dos quarks up y un quark down, mientras que el neutrón, que no posee carga eléctrica, está compuesto por dos quarks down y un quark up. De esta manera, su estructura básica está determinada por la cantidad y combinación de quarks que la conforman.

La relevancia de las partículas subatómicas Explorando el mundo microscópico

Diferentes cantidades de protones, neutrones y electrones dan lugar a elementos diferentes, que se clasifican en la tabla periódica de los elementos —este sistema de clasificación fue ideado en 1869 por el científico ruso Dimitri Mendeléyev—. En la tabla, los elementos se ordenan por número atómico creciente, dado por el número de protones en el núcleo. Actualmente se conocen 118, pero este número continúa creciendo.

Es importante 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.

Materias de estudio

El estudio de las partículas subatómicas (partículas que componen el átomo y sus propiedades) se centra en su estructura y sus interacciones. Esta rama de la física abarca áreas como la mecánica cuántica y la física de partículas. Sin embargo, debido a su naturaleza volátil, estas partículas solo pueden ser observadas en condiciones extremas como en los rayos cósmicos o en aceleradores de partículas. Por esta razón, se la conoce como física de altas energías.

Por otro lado, la teoría cuántica de campos (TCC) aborda el tratamiento de las partículas de manera distinta. A diferencia de la mecánica cuántica, en TCC las partículas no son consideradas como entidades básicas, sino más bien como estados posibles de los campos en el espacio-tiempo. Es decir, un campo se define como un observable asociado a una región del espacio-tiempo y a partir de él, se puede calcular un operador número que representa la cantidad de partículas observables en esa región...

Capas de electrones

A diferencia de los protones y neutrones, los electrones se encuentran en capas que orbitan alrededor del núcleo. Estas capas, también conocidas como niveles de energía, se organizan en subcapas y orbitales. La importancia de estas capas radica en lo siguiente:

Los electrones tienen una preferencia por mantenerse en el estado de energía más bajo posible. En cuanto a las capas, siempre serán llenadas de dentro hacia fuera, si se les da la oportunidad, es decir, del nivel de energía más bajo al más alto. De manera similar, los átomos prefieren tener las capas externas con todos los electrones. Esto significa que muchas veces ganan o pierden electrones para completar su capa externa.

Las capas no nos indican dónde exactamente se encuentra un electrón, ya que resulta imposible saber tanto su ubicación exacta como su dirección. Sin embargo, sí nos ofrecen una aproximación de su posición más común.

Investigando las Partículas Subatómicas Conceptos Esenciales

Existen unas partículas fundamentales llamadas bosones que poseen una característica única, y es que no siguen el principio de exclusión de Pauli, a diferencia de los electrones. Estas partículas tienen la capacidad de otorgar masa a otras partículas fundamentales, lo que les permite comportarse tanto como ondas como partículas.

Otra partícula elemental es el quark, que se considera indivisible. No obstante, puede combinarse con otras partículas subatómicas, como el protón y el neutrón, para formar estructuras más complejas y estables. Es gracias a la unión de distintas partículas elementales que se generan las diferentes formas de materia en el universo.

El núcleo

Dentro de un átomo, en su núcleo, se encuentran agrupados densamente los protones y neutrones. Mientras los primeros poseen carga positiva, los segundos son neutros, haciendo que el núcleo tenga una carga positiva. Sin embargo, las partículas con cargas iguales se repelen entre sí. Aunque, una fuerte fuerza nuclear, conocida como fuerza nuclear fuerte, logra mantener unidos a los protones y neutrones en una masa increíblemente pequeña y densa.

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