14 Ago
Partículas Elementales: Composición de la Materia
Los atomistas de la antigua Grecia intuyeron que el universo estaba compuesto de elementos indivisibles que llamaron “átomos”. En el siglo XIX, la teoría atómica permitió explicar las reacciones químicas y el comportamiento de los gases con un modelo de átomo indivisible. Más tarde se demostró que el átomo está formado por protones y neutrones en el núcleo, y electrones en la corteza. Pero esta estructura atómica no podía explicar fenómenos como la desintegración radiactiva, de manera que se fueron proponiendo y descubriendo otras partículas hasta llegar a la teoría actual, llamada “Modelo Estándar”.
El Modelo Estándar de la Física de Partículas
Según el Modelo Estándar de la física de partículas, la materia está formada por 12 partículas elementales (no compuestas de otras más simples), que se clasifican en dos grupos:
- Leptones: electrón (e−), muón (μ−), partícula tau (τ−) y tres neutrinos asociados (neutrino electrónico (νe), neutrino muónico (νμ) y neutrino tau (ντ)).
- Quarks: u, d, c, s, t y b, donde las letras denotan up, down, charm, strange, top y bottom.
Las partículas elementales se caracterizan por tres magnitudes: carga eléctrica, masa y “espín” (momento angular intrínseco). Los neutrinos no tienen carga, mientras que el electrón, el muón y la tau tienen carga negativa −e. Los quarks pueden tener carga −1/3 e o +2/3 e.
Existen tres generaciones de partículas. Cada generación es similar a la anterior, pero con partículas cada vez más masivas.
Los átomos están formados por partículas de la primera generación. El electrón es en sí mismo una partícula elemental. El protón y el neutrón están formados por tres quarks: el protón es la unión de dos quarks u y un quark d, mientras que el neutrón es la unión de dos quarks d y uno de tipo u.
Cada partícula tiene su correspondiente antipartícula con carga opuesta. Por ejemplo, la antipartícula del electrón es el positrón (e+). Las antipartículas forman la antimateria.
Las partículas elementales que forman la materia (leptones y quarks) se llaman fermiones. Además, existen otras partículas elementales que son mediadoras en las interacciones, por ejemplo, los fotones y los bosones. Los quarks no existen aislados; se combinan para formar los llamados hadrones, como el protón, el neutrón y los piones.
Naturaleza de la Luz: Onda y Corpúsculo
La cuestión sobre cuál es la naturaleza de la luz ha supuesto un problema desde la antigüedad hasta el siglo XX. A lo largo de la historia, se han desarrollado principalmente dos teorías contrapuestas:
- La teoría corpuscular, que considera que la luz está compuesta de partículas o corpúsculos, y cuyo principal representante fue Newton; y
- La teoría ondulatoria, que defiende que la luz se comporta como una onda.
Las dos teorías explicaban los fenómenos de reflexión y refracción. Sin embargo, solo la teoría ondulatoria pudo explicar satisfactoriamente los fenómenos de interferencia y difracción y el hecho de que la velocidad de la luz es mayor en los medios menos densos. Esto, junto al desarrollo del electromagnetismo por Maxwell, consolidó la teoría ondulatoria como válida. En el siglo XIX, la cuestión quedó zanjada y se admitió que la luz era una onda electromagnética.
Sin embargo, a principios del siglo XX, Einstein tuvo que recurrir de nuevo a la naturaleza corpuscular de la luz para explicar ciertos fenómenos de emisión y absorción de luz por la materia, como el efecto fotoeléctrico. A partir de entonces, se introdujo en Física la dualidad onda-corpúsculo de la luz, que significa que la luz tiene las dos naturalezas: en unos fenómenos se comporta como una onda electromagnética de una cierta frecuencia, y en otros se comporta como un flujo de partículas llamadas fotones con una determinada energía.
Interacciones Fundamentales: Las Fuerzas del Universo
Todas las fuerzas de la naturaleza se reducen a cuatro interacciones fundamentales:
- Nuclear Fuerte: Es la más intensa. Es de muy corto alcance (no se aprecia fuera del núcleo atómico). Mantiene unidos a los protones y neutrones que componen el núcleo de los átomos. Los núcleos no serían estables si no existiera esta fuerza, que es más intensa que la repulsión electrostática entre los protones que lo componen.
- Electromagnética: Es la segunda en intensidad. Es de largo alcance. Actúa sobre partículas cargadas eléctricamente y puede ser atractiva o repulsiva. Es la responsable de que los átomos y moléculas de la materia estén ligados.
- Nuclear Débil: Es la tercera en intensidad. Como la nuclear fuerte, es de muy corto alcance. Es la causante de algunas reacciones nucleares como la desintegración beta.
- Gravitatoria: Es la más débil de todas. Se produce entre todos los cuerpos. Es siempre atractiva y de largo alcance. Es responsable del movimiento de los astros, de que los cuerpos caigan, de las mareas, etc.
Aplicaciones de la Física: Tecnología y Sociedad
La física, tanto como disciplina científica básica como por sus aplicaciones, es el paradigma de lo que hoy llamamos ciencia y uno de los pilares de la tecnología. Sus aportaciones han revolucionado nuestra comprensión de la realidad y nuestro modo de vida. A modo de ejemplo, mencionamos a continuación una lista no exhaustiva de aplicaciones de gran repercusión social:
Ramas de la Física y sus Impactos
- La mecánica nos enseña cómo se mueven los cuerpos y dicta las leyes de la aeronáutica y la estática que permiten diseñar naves y construcciones. También explica cómo se comporta el sonido, lo que ha llevado a avances técnicos como el sónar y la ecografía.
- Gracias a la termodinámica, que trata con la energía y el calor, sabemos por ejemplo hacer frigoríficos y motores de combustión.
- El electromagnetismo establece los fundamentos de los motores eléctricos y los generadores de electricidad. Esta rama de la física es también fundamental para la exploración y desarrollo de fuentes renovables de energía eléctrica. Por otra parte, el conocimiento de las ondas electromagnéticas ha permitido un desarrollo vertiginoso de las telecomunicaciones.
- La óptica nos permite manipular la luz y construir instrumentos ópticos, por ejemplo: dispositivos para diagnosticar y tratar problemas de visión; sistemas de registro y visualización de imágenes como cámaras y pantallas; aparatos de uso en medicina como endoscopios y sistemas de cirugía láser, entre otros. Además, el láser forma parte ya de nuestra vida cotidiana al estar presente en los sistemas de reproducción de CD y DVD.
- La teoría de la relatividad establece la equivalencia entre masa y energía, que llevó tristemente a la bomba atómica, pero también a la energía nuclear, necesaria hoy día para buena parte del suministro eléctrico.
- La física cuántica ofrece, junto a la óptica, el fundamento para el láser y las células fotoeléctricas.
- La física de la materia condensada estudia nuevos materiales con propiedades increíbles y está detrás del desarrollo de la nanotecnología con aplicaciones, por ejemplo, en la industria y la informática.
- Por su parte, la física de partículas y la astrofísica han cambiado nuestra visión de la naturaleza, desde la descripción de la composición de la materia a una escala pequeñísima hasta las teorías sobre el origen del universo. También se han derivado aplicaciones de gran utilidad para la sociedad como el uso médico de la radiactividad.
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