Instituto Superior de Formación Docente Nº 163. 57 nº 2646 (7630) Necochea. Profesorado de Biología. Física y Elementos de Astronomía y Laboratorio II. Física y Elementos de Astronomía y Laboratorio II “Dios es capaz de crear partículas de materia de distintos tamaños y formas … y quizás de densidades y fuerzas distintas, y de este modo variar las leyes de la naturaleza, y hacer mundos de tipos diferentes en partes diferentes del Universo. Yo por lo menos no veo en esto nada de contradictorio.” Isaac Newton Estructura de la Materia Introducción Consideremos un trozo de materia cualquiera, por ejemplo, un terrón de azúcar. También, pensemos que poseemos un conjunto de herramientas capaces de producir fraccionamientos cada vez más pequeños del azúcar. Si tomamos el terrón entre nuestros dedos y aplicamos una cierta presión, este se desmenuzará, formándose porciones más pequeñas y visibles a simple vista. Y si las llevamos a nuestra boca notaremos que siguen conservando el mismo dulce sabor tan característico del azúcar. Sus propiedades fundamentales no han variado. Pero ¿podemos considerar a estas pequeñas fracciones de azúcar como el límite de divisibilidad de la materia? Obviamente no. Cada fracción de azúcar estará formada por millones de moléculas, y cada una de ellas poseerá aún todas las propiedades del azúcar común. Sin embargo, las moléculas no pueden dividirse sin que se alteren esas propiedades, por lo que consideramos que la molécula es el límite de división de la materia que puede existir libremente y conservar sus propiedades originales. Si dividimos las moléculas el azúcar pierde sus características originales, y se convierte en otro tipo de sustancia, más sencilla. Decimos que las moléculas están formadas por átomos. Y estos, a su vez, estarán formados por partículas aún más pequeñas. Puede parecer sorprendente, pero algunos libros incluyen el estudio de las partículas fundamentales y la estructura del Universo dentro de un mismo capítulo. Si bien se encuentran en los extremos opuestos en la escala de observaciones, la física de partículas y la cosmología van de la mano para proporcionarnos un mejor entendimiento de la estructura de la materia, y por lo tanto de todo aquello que nos rodea. Atomo En la antigüedad se aceptaba que la materia estaba compuesta de diminutas partículas indivisibles e indestructibles, llamadas átomos. Pero este tipo de manifestaciones arcaicas relacionadas con el atomismo eran filosóficas y no científicas. La palabra átomo deriva del idioma griego, y significa indivisible, lo cual recuerda la creencia antigua, hoy desechada, de que el átomo es la partícula última y fundamental, y que no se puede dividir. Página 1 Instituto Superior de Formación Docente Nº 163. 57 nº 2646 (7630) Necochea. Profesorado de Biología. Física y Elementos de Astronomía y Laboratorio II. En los primeros años del siglo XX no se sabía demasiado acerca de la estructura de los átomos, más allá de que contenían electrones. Esta partícula fue descubierta por J.J. Thomson recién en 1897. Los átomos son eléctricamente neutros, así que si contenían electrones, cuya carga eléctrica es negativa, debían contener un número similar de partículas pero con carga positiva. Pero en aquel tiempo nadie sabía que forma tomaban esas cargas positivas, ni como se movían los electrones dentro del átomo. Mucho menos, no se conocía la existencia del núcleo atómico. Hoy sabemos que los átomos se componen de un núcleo y tres pequeñas partículas básicas: electrones, protones y neutrones. La primera de ellas, los electrones, podemos considerarla una partícula fundamental, es decir que en su interior no existen otras partículas más pequeñas. Sin embargo los protones y neutrones no son partículas fundamentales, pues en su interior se dan cita otras partículas: los quarks. Un Viaje al Interior del Atomo Los electrones son partículas muy livianas en comparación con los protones y neutrones, y poseen carga eléctrica negativa. Los protones son mucho más pesados y están provistos de una carga eléctrica de igual magnitud pero positiva. Los neutrones son ligeramente más pesados que los protones, pero sin carga eléctrica alguna. Son neutros, tal como lo indica su nombre. Los valores de sus masas y cargas eléctricas son los siguientes: Partícula Masa (kg) Carga Eléctrica (C) Electrón 9,109 . 10-31 - 1,6 .10-19 Protón 1,6726 . 10-27 1,6 .10-19 Neutrón 1,6749 . 10-27 0 Tabla 1: masa y carga eléctrica de las partículas. Las masas las medimos en kilogramos (kg) y la carga eléctrica en Coulombios o Coulombs (C). Página 2 Instituto Superior de Formación Docente Nº 163. 57 nº 2646 (7630) Necochea. Profesorado de Biología. Física y Elementos de Astronomía y Laboratorio II. La estructura del átomo es con un núcleo muy pequeño y muy pesado, compuesto de protones (positivos) y neutrones, y los electrones girando en torno al núcleo, formando una nube, la nube electrónica con carga negativa. El núcleo se encuentra dentro, muy profundo en el interior del átomo, oculto muy por debajo de la nube electrónica. Si miramos nuevamente la tabla nº 1, y comparamos las masas de las partículas, vemos que prácticamente la masa del átomo se halla concentrada en su núcleo. En comparación, la aportación másica de los electrones es insignificante, girando allá a lo lejos, distantes del núcleo. Y entre ellos, electrones y núcleo, ocupando el inmenso y vasto espacio interatómico no hay nada. ¡El átomo es en su mayor parte espacio vacío! Radios Nucleares Una unidad conveniente para medir distancias a escalas tan pequeñas es el femtómetro, abreviado fm, y donde: 1 fm = 10-15 m = 0,000000000000001 m A continuación veremos una lista de varios submúltiplos del metro, y que forman parte del Sistema Internacional de unidades (S.I.): Factor de Multiplicación Prefijo Símbolo 10-3 mili m 10-6 micro µ 10-9 nano n 10-12 pico p 10-15 femto f 10-18 atto a Tabla 2: prefijos Otra unidad utilizada es el angstrom, abreviada Å, y que equivale a 10-10 m. Las dimensiones del núcleo son 10000 veces menores que el diámetro de un átomo. El núcleo no tiene una superficie bien definida. Sin embargo tiene un radio medio R característico. La densidad δ (delta) de nucleones por unidad de volumen tiene un valor constante en el interior del núcleo y cae a cero en una zona superficial difusa. El átomo y su núcleo. Página 3 Instituto Superior de Formación Docente Nº 163. 57 nº 2646 (7630) Necochea. Profesorado de Biología. Física y Elementos de Astronomía y Laboratorio II. De acuerdo con los experimentos realizados, R aumenta con su número másico A de acuerdo a la siguiente fórmula: R = 1,2 fm . A1/3 Por ejemplo, para el 63Cu, será: R = 1,2 fm . 631/3 = 4,3 fm = 4,3 . 10-15 m La variación de la densidad nucleónica responde al siguiente gráfico: δ R Variación de densidad nucleónica. Naturalmente el radio varía según el número de protones y neutrones, siendo los núcleos más pesados y con más partículas algo más grandes. La Naturaleza de las Cosas Yo estoy hecho de átomos. La mesa sobre la que trabajo está hecha de átomos, al igual que las estrellas, los seres humanos, animales y plantas. Todas están constituidas por átomos, formando un gigantesco y complejo rompecabezas atómico. Pero, si dijimos que la mayor parte del átomo está vacío ¿por qué me sostiene la mesa? ¿A qué se debe que la mesa no se desintegre bajo el peso que se ejerce sobre ella, esparciendo todos sus átomos por doquier? El suelo, a su vez, ¿por qué permanece unido bajo nuestros pies? ¿Y nuestro planeta? ¿Y las estrellas? Todo permanece firmemente unido a pesar de que cualquier objeto en este universo, desde el más insignificante hasta el más complejo, es simplemente un conjunto de átomos. La respuesta se debe a las fuerzas existentes dentro del átomo. Sin estas fuerzas nuestro Universo sería un conjunto de nubes difusas de electrones, protones y neutrones flotando en el espacio interestelar. Las Fuerzas Nucleares Los protones tienen una cierta carga eléctrica positiva, tal como dijimos en un párrafo anterior. También, sabemos que esta carga positiva se encuentra concentrada en el núcleo. De acuerdo a la ley de Coulomb, que veremos más adelante, cargas del mismo signo se repelen como el caso de los protones en el núcleo, y cargas de diferente signo se atraen como sucede entre electrones y protones. A pesar de que la fuerza de repulsión entre protones es muy intensa, estos permanecen juntos, sin separarse unos de otros. Es evidente que debe existir una fuerza que equilibre a la repulsión entre protones. Esta fuerza recibe el nombre de fuerza fuerte o fuerza nuclear fuerte. Página 4 Instituto Superior de Formación Docente Nº 163. 57 nº 2646 (7630) Necochea. Profesorado de Biología. Física y Elementos de Astronomía y Laboratorio II. Todas las fuerzas conocidas en el Universo pueden agruparse en cuatro tipos básicos: la gravitación, la fuerza débil, la fuerza electromagnética, y la mencionada fuerza fuerte. Esta es la más intensa de todas. Para conocer su origen debemos analizar la constitución interna de protones y neutrones. Quarks Como ya vimos, los protones y neutrones no se consideran partículas fundamentales. Dentro de ellos existe otro tipo de partículas, llamados quarks, los cuales aparecen en grupos de tres. Hasta el momento se conocen cinco quarks: arriba, abajo, encanto, extraño y fondo. Un sexto quark, llamado cima, hasta la fecha no se lo ha encontrado, pero los físicos están seguros de su existencia. Los protones y neutrones tienen en su interior quarks arriba y abajo. A veces, al quark arriba se lo llama up (arriba) y al quark abajo se lo denomina down (abajo). Estos quarks están dotados de movilidad, y se mueven libremente dentro de los nucleones: La fuerza fuerte tiene su origen en el intercambio de partículas llamadas gluones. Los gluones proporcionan el amarre o pegamento. Recuerden: la palabra glue en inglés significa pegamento. Esta fuerza fuerte tiene dos aspectos fundamentales: es muy intensa pero su alcance es extremadamente corto, aproximadamente 1 fm. Por ello, solo pueden estar amarrados protones vecinos, pues para distancias mayores a 1 fm la fuerza fuerte decae a cero. Las diminutas partículas conocidas como quarks y gluones son los bloques constituyentes para partículas mayores como protones y neutrones, los cuales a su vez forman átomos. El electrón, partícula fundamental, posee una carga eléctrica. Más adelante veremos que la carga eléctrica se mide en una unidad llamada Coulombio (C). La carga eléctrica del electrón es de -1,6. 10-19 C, y durante mucho tiempo se pensó que era la carga eléctrica fundamental. Sin embargo, con el descubrimiento de los quarks se comprobó la existencia de cargas eléctricas fraccionarias y más pequeñas que las del electrón. Así, si simbolizamos con e la carga del electrón, el quark arriba tiene una carga eléctrica de 2/3 e y el quark abajo – 1/3 e. Si vemos los quarks que se encuentran dentro de cada nucleón, y sumamos y restamos las cargas de sus respectivos quarks, nos daremos cuenta que el protón tiene una carga igual a e y el neutrón no posee carga eléctrica. Página 5