la complejidad de la materia

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LA COMPLEJIDAD DE LA MATERIA UN POCO DE HISTORIA POR NURIA LÓPEZ VARELA , PROFESORA DE FÍSICA Y QUÍMICA DEL I.E.S PROFESOR JULIO PÉREZ, DE RIVAS VACIAMADRID

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Page 1: La complejidad de la materia

LA COMPLEJIDAD DE LA MATERIA

UN POCO DE HISTORIA

POR NURIA LÓPEZ VARELA ,

PROFESORA DE FÍSICA Y QUÍMICA

DEL I.E.S PROFESOR JULIO PÉREZ, DE RIVAS VACIAMADRID

Page 2: La complejidad de la materia

¿Por qué hay tantas sustancias y objetos diversos?

Page 3: La complejidad de la materia

• Conocer cómo está constituida la materia que nos rodea ha sido

siempre uno de los grandes objetivos perseguidos por los hombres de

Ciencia.

• Entre los siglos V y lV a.C., surge la filosofía atomista de la mano de

los filósofos griegos Leucipo y Demócrito . Estos filósofos de la

antigüedad ya imaginaron que la materia era discontinua y estaba

constituida por partículas pequeñas a las que llamaron átomos.

• En el siglo I de nuestra era, el romano Tito Lucrecio Raro escribe un

largo poema didáctico “De Rerum Natura” (Sobre la Naturaleza de las

Cosas) en el que expone que todo está formado por átomos y vacío, y

trata el movimiento de los átomos y sus agrupaciones.

Page 4: La complejidad de la materia

Leucipo Demócrito Tito Lucrecio

Page 5: La complejidad de la materia

Moneda griega de cinco dracmas con la efigie

de Demócrito en la cara.

Page 6: La complejidad de la materia

En 1803, el británico John Dalton

formula la “teoría atómica de la

materia”, retomando el átomo como

constituyente básico de la misma.

Apenas se conocían dos docenas de

elementos (tipos de átomos).

• Esta teoría consigue explicar

satisfactoriamente las leyes de la

combinación química formuladas en el

siglo anterior.

• Según esta teoría los átomos eran unidades materiales indivisibles e inalterables.

Asimismo todos los átomos de un mismo elemento eran idénticos.

Ambas ideas resultaron ser incorrectas.

Page 7: La complejidad de la materia

• En 1869 el químico ruso Dimitri Ivánovich Mendeléiev publica su

Tabla Periódica de elementos. En ella ordena los 63 elementos

conocidos en su época en orden creciente de su masa atómica y los

agrupa según criterios de semejanza de sus propiedades físico-

químicas.

• Medeleiev predice, además, la existencia de algunos elementos aun

no descubiertos. Un año después de su muerte, se conocían ya 86

elementos. La rapidez de los descubrimientos fue posible gracias a

esta tabla periódica, una de las aportaciones más importantes a la

Química.

• La tabla periódica moderna contiene 90 elementos naturales y

alrededor de 21 artificiales.

Page 8: La complejidad de la materia

Con el descubrimiento de los isótopos, en el siglo siguiente, se

puso de manifiesto que las propiedades de los elementos variaban

periódicamente con el número atómico.

Page 9: La complejidad de la materia

La existencia del electrón fue evidenciada principalmente a través

del estudio de tres fenómenos:

• la electrólisis

• las descargas eléctricas en los tubos de gases a baja

presión

• la radiactividad natural.

EL ELECTRÓN

Page 10: La complejidad de la materia

La electrólisis

• En 1833, el británico Michael Faraday relaciona la carga eléctrica

utilizada en una electrólisis y la masa de elemento depositado después en

los electrodos.

• Los resultados obtenidos por Faraday fueron razonados años más tarde

por G. Johnstone Stoney, quien propuso que la electricidad debía estar

formada por pequeñas partículas a las que llamó “electrones” y que los

iones del electrólito cogían o cedían un cierto número de estas partículas

antes de depositarse como elementos en los electrodos. Asimismo pudo

cuantificar la carga del electrón.

Page 11: La complejidad de la materia

CUBA ELECTROLÍTICA

Page 12: La complejidad de la materia

Las descargas eléctricas en los tubos de descarga

• En 1897, el físico inglés Joseph John Thomson confirma

experimentalmente la existencia del electrón estudiando los rayos

catódicos de los tubos de descarga. Asimismo determina la relación entre

su carga y su masa. Posteriormente el físico estadounidense Robert

Millikan midió su carga.

• Dado que los electrones constituyentes de los rayos catódicos procedían

de la materia, y ésta estaba formada por átomos, era fácil concluir que los

electrones formaban parte de los mismos.

Page 13: La complejidad de la materia

Tubos de descarga

Page 14: La complejidad de la materia

Tubo de rayos catódicos

Page 15: La complejidad de la materia

• Asimismo, estudiando los iones positivos que se producen en los

tubos de descarga, Thomson descubre que algunos gases tienen más

de un valor para el cociente carga-masa de los iones, lo que le hace

llegar a la conclusión de que tiene que haber átomos del mismo

elemento químico con distintas masas (los isótopos).

Posteriormente con el invento del espectrómetro de masas se fueron

identificando los isótopos de todos los elementos.

Page 16: La complejidad de la materia

Thomson recibió el

premio Nobel de física en

1906.

Page 17: La complejidad de la materia

Recordemos:

La dinamita fue uno de los productos de la química del siglo XlX.

En 1847 el italiano Sobrero descubrió la nitroglicerina. El explosivo más

potente conocido hasta entonces. Pero su inestabilidad provocó muchos

accidentes mortales. Una de las víctimas fue el hermano del científico

Alfred Nobel (1833-1896), que se dedicó a la idea de “domar” la

nitroglicerina. En 1866 encontró la solución: mezclándola con diatomita,

sólo podía estallar con un detonador. Llamó a esta combinación

dinamita (de la palabra griega dunamis, que significa fuerza).

Page 18: La complejidad de la materia

• Con su invención, Nobel acumuló una gran fortuna, de casi 10

millones de dólares, que a su muerte donó para la institución de los

premios que llevan su nombre.

• La dinamita es un ejemplo excelente de la ambivalencia de

muchas invenciones, pues ha sido un arma mortífera y al

mismo tiempo una de las invenciones que más trabajo y

fatigas han ahorrado al hombre.

Page 19: La complejidad de la materia

Alfred Nobel

Page 21: La complejidad de la materia

La radiactividad natural

• Descubierta por el francés Henry Becquerel en 1896, fue estudiada,

entre otros, por el matrimonio Curie.

• En 1895 el alemán Roëtgen había descubierto los rayos X.

Se puede afirmar que el descubrimiento de los rayos X y el de la

radiactividad inician una segunda revolución en el campo de la Física.

Page 22: La complejidad de la materia

• Los experimentos revelaron que las sustancias radiactivas emitían

tres tipos de radiaciones : la radiación α (núcleos de helio), radiación β

(electrones) y radiación γ (radiación electromagnética de mayor

frecuencia que los rayos X).

Después de la emisión de una partícula α o β, el núcleo queda excitado

y emite el exceso de energía en forma de radiación γ.

Page 23: La complejidad de la materia

En 1903 Becquerel y los esposos Curie recibieron el Premio Nobel de Física.

En 1911, muerto Pierre, Marie Curie recibió el Premio Nobel de Química

por el descubrimiento del radio y del polonio.

Page 24: La complejidad de la materia

El modelo atómico de Thomson

En 1910 J.J.Thomson propone el primer

modelo atómico, según el cual:

• El átomo es una esfera maciza de carga

eléctrica positiva.

• Los electrones están incrustados en esta

esfera maciza en un número suficiente

como para neutralizar la carga eléctrica

positiva de la esfera.

Page 25: La complejidad de la materia

EL PROTÓN

En 1886, Holdstein estudia los rayos anódicos o positivos que se

producen en los tubos de rayos catódicos que contienen gases a baja

presión. Cuando el tubo contiene hidrógeno, las partículas de estos rayos

tienen una carga igual a la del electrón pero de signo contrario, y una

masa similar a la del átomo de hidrógeno.

Hacia 1914 , Enrnest Rutherford, físico neozelandés, llama a esta

partícula “protón” (del griego protos, el primero).

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Page 27: La complejidad de la materia

Ernest Rutherford recibió el Premio Nobel de Química en 1908

por sus estudios sobre la radiactividad natural.

Page 28: La complejidad de la materia

EL NÚCLEO ATÓMICO

En 1911 Rutherford, discípulo de Thomson, postula la existencia

del núcleo atómico, para explicar los experimentos de dispersión de las

partículas, llevados a cabo por sus colaboradores Geiger y Marsden.

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Page 30: La complejidad de la materia
Page 31: La complejidad de la materia

LAS REACCIONES NUCLEARES Y LA RADIACTIVIDAD

ARTIFICIAL

En 1919, Rutherford publica el resultado de lo que se ha denominado la

primera reacción nuclear artificial:

En una reacción nuclear se produce el reagrupamiento de los nucleones

de dos núcleos. Uno de los núcleos de la reacción debe ser un proyectil

con una gran energía cinética inicial.

Page 32: La complejidad de la materia

En 1934, el matrimonio Frédéric Joliot e Irène Curie

consiguen preparar fósforo radiactivo manipulando partículas

procedentes de una muestra de polonio, y haciéndolas pasar a

través de una lámina muy fina de aluminio:

Nace así la radiactividad artificial, la radiactividad que tiene lugar

como consecuencia de una reacción nuclear provocada

previamente.

Page 33: La complejidad de la materia

Irène Curie y su esposo

recibieron el Nobel de Química

en 1935.

Marie Curie murió antes

(aquejada de leucemia) y no

pudo ver a su hija y su yerno

recibir tal honor.

Page 34: La complejidad de la materia

LA ENERGÍA

• La energía, el otro concepto clave, junto al de materia, para entender

las transformaciones que tienen lugar a nuestro alrededor, sufre

importantes cambios a principios del siglo XX.

• A lo largo del siglo XlX, la espectroscopía ya ha puesto de manifiesto

que la materia absorbe y emite radiación, y si ya venía admitiéndose que

la materia estaba cuantizada en forma de átomos, ahora empieza a

considerarse que la energía también lo está.

Page 35: La complejidad de la materia
Page 36: La complejidad de la materia

Dos hechos avalan esta idea: la radiación del cuerpo negro y la

hipótesis de Planck (1900), y los espectros atómicos y la

justificación de Bohr (1913).

Estos hechos manifiestan que las energías de las partículas que

constituyen la materia, no pueden tener cualquier valor. Esto implica

que los cuerpos no emiten o absorben radiación electromagnética de

forma continua, sino discreta.

Así pues, los fenómenos subatómicos son discontinuos. En ellos, las

magnitudes físicas no pueden variar su valor de forma continua.

Page 37: La complejidad de la materia

NATURALEZA DUAL DE LA RADIACIÓN

En 1905, Eisntein explica el efecto fotoeléctrico postulando que la

radiación electromagnética está constituida por “fotones” o paquetes de

energía que son los que interaccionan con los electrones de la materia.

Nace así el carácter corpuscular de la radiación.

Hoy se acepta que la luz puede presentar un doble

comportamiento, ondulatorio y corpuscular, adoptando uno u

otro según el fenómeno considerado.

Page 38: La complejidad de la materia

Albert Einstein

Efecto fotoeléctrico

Page 39: La complejidad de la materia

LA RELATIVIDAD

En 1905 Einstein desarrolla la teoría de la Relatividad Especial que explica

el comportamiento de la materia afectada de velocidades próximas a la luz.

En relación a las partículas materiales, esta teoría concluye:

• La masa de las partículas se incrementan al crecer su velocidad, de manera que

tiende al valor infinito a medida que la velocidad crece acercándose a la velocidad

de la luz.

• Sólo las partículas con masa nula en reposo pueden moverse a la velocidad de

la luz en un sistema inercial. Este es el caso del fotón.

• Si una partícula experimenta un cambio en su energía E, su masa sufre una

variación m, tal que E = m c2 : principio de equivalencia entre la masa y

la energía.

Page 40: La complejidad de la materia

• El intervalo de tiempo entre dos sucesos dura más tiempo cuando

ocurre en un objeto con movimiento relativo a un observador, que

cuando el objeto está en reposo relativo al observador.

Una de las múltiples consecuencias de este hecho es la dilatación de

la vida media de las partículas inestables, en el sistema de referencia

terrestre, cuando se mueven con velocidades próximas a la luz. Esto

ha permitido detectar los muones (una de las partículas elementales

recientemente descubiertas) que se generan en las altas capas de la

atmósfera.

Page 41: La complejidad de la materia

La teoría de la relatividad especial de Einstein dio paso a la teoría de la

Relatividad General (1915).

De pronto incluso los conceptos más firmes, como el espacio y el

tiempo, quedaron descartados y suplantados por un continuo espacio

temporal de muy difícil comprensión.

Page 42: La complejidad de la materia

NATURALEZA DUAL DE LA MATERIA

En 1925, el francés Louis de Broglie postula que el comportamiento dual

de la radiación debe ser igualmente aplicable a las partículas materiales.

Un año después, Davisson y Germer obtienen figuras de difracción de un

haz de electrones, lo que corrobora que los electrones se comportaban

como ondas. Otras experiencias de difracción con protones, neutrones o

átomos de helio fueron confirmando posteriormente la validez de este

postulado.

Page 43: La complejidad de la materia
Page 44: La complejidad de la materia

Louis de Broglie fue Premio

Nobel de física en 1929.

Page 45: La complejidad de la materia

LA MECÁNICA CUÁNTICA

Entre 1925 y 1930, científicos como el alemán Werner Heisemberg,

el austriaco Edwin Schrödinger, Max Born y el inglés Paul Dirac,

entre otros, desarrollan la nueva mecánica del mundo atómico y

subatómico, la mecánica cuántica, que ya tiene en cuenta la

naturaleza ondulatoria de las partículas subatómicas.

Page 46: La complejidad de la materia

En 1927, el alemán Werner Heisemberg enuncia su principio de

incertidumbre o principio de indeterminación, según el cuál la interacción

objeto-observador impide determinar simultáneamente los valores exactos

del impulso de una partícula y de su posición. Lo mismo ocurre con los

valores de la energía de la partícula y el tiempo correspondiente

(magnitudes conjugadas).

• Este principio hace evidente que sólo se pueden predecir

comportamientos probables de las partículas de un sistema cuántico. Así

se sustituyeron las órbitas electrónicas de Bohr por los orbitales

(regiones de alta probabilidad de presencia de los electrones).

Page 47: La complejidad de la materia

Werner Heisenberg, junto con Dirac, fueron Premio Nobel de

Física en 1932

Page 48: La complejidad de la materia

LA GRAN CONTREVERSIA

Einstein nunca aceptó la interpretación probabilística de la Mecánica

Cuántica.

Es famosa la frase que Einstein dirigió a Bohr: ”Tú crees en un Dios

que juega a los dados y yo en la ley y el orden, en un mundo que

existe objetivamente y que intento captar, Dios no juega a los

dados con el Universo”

Hace pocos años, otro científico, el físico y cosmólogo británico Stephen

Hawkins, zanjaba la cuestión, tras medio siglo de experimentos que

avalan la teoría cuántica y sus sorprendentes consecuencias, en otra

sentencia:

”Dios no sólo juega a los dados, sino que a veces los lanza donde

no podemos verlos”.

Page 49: La complejidad de la materia

Max Born, Premio Nobel de Stephen Hawkins

Física en 1954

Page 50: La complejidad de la materia

LA ANTIMATERIA

El físico teórico británico Paul Dirac unifica en 1928 la

relatividad y la mecánica cuántica, y predice la existencia de

antipartículas.

En 1932, el físico estadounidense Carl David Anderson

descubre experimentalmente la antipartícula del electrón.

Page 51: La complejidad de la materia
Page 52: La complejidad de la materia

EL NEUTRÓN

La demostración de la existencia del neutrón llega en 1932, cuando el

inglés James Chadwick interpreta adecuadamente la radiación que se

emite al bombardear una muestra de berilio con rayos alfa.

Premio Nobel de Física en 1935

Page 53: La complejidad de la materia

LA FISIÓN NUCLEAR

• La fisión nuclear es la rotura de un núcleo pesado en otros más ligeros

mediante el bombardeo con una partícula adecuada.

En 1938, el alemán Otto Hahn descubre la fisión del uranio por bombardeo

con neutrones. Dicha reacción nuclear es muy exotérmica y se convierte en

un proceso nuclear muy importante por su doble vertiente, la militar y la

pacífica, para la obtención de energía eléctrica en las centrales nucleares.

• Enrico Fermi es el físico italiano que desarrolla el primer reactor nuclear.

Fue en 1942, en la Universidad de Chicago. Durante la

Segunda Guerra Mundial participó en el desarrollo de la bomba atómica

en los laboratorios de Los Álamos, Nuevo México, dentro del

Proyecto Manhattan. En 1938 Fermi recibe el Premio Nobel de Física.

Page 54: La complejidad de la materia

Las dos bombas atómicas lanzadas sobre Japón en la Segunda guerra

Mundial produjeron la muerte directa de 114 000 personas y secuelas

(directas y a los descendientes) a buena parte de la población.

Enrico Fermi

Page 55: La complejidad de la materia

LA FUSIÓN NUCLEAR

• La fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos

de carga similar se unen para formar un núcleo más pesado. Se

acompaña de la liberación de energía, que permite a la materia entrar en

un estado plasmático.

• La fusión de núcleos ligeros (isótopos de hidrógeno) fue observada por

primera vez por Mark Oliphant en 1932. La investigación sobre la

fusión controlada con fines civiles se inició en la década de 1950, y

continúa hasta este día.

Page 56: La complejidad de la materia

La energía de fusión, ¿la energía del futuro?

En 2008 comenzó a construirse en Francia el primer reactor experimental (tipo

Tokamak), más conocido como el ITER, que pesará lo mismo que todo el edificio

del Empire State en Nueva York.

Page 57: La complejidad de la materia

EL NEUTRINO

En la desintegración de una partícula en dos,

la conservación de la energía y el momento

determinan el proceso. Sin embargo la

desintegración beta de los núcleos radiactivos

parecía no cumplir este principio.

En 1930, Wolfgang Pauli propone la emisión

simultánea de una partícula neutra

extremadamente ligera bautizada un año

después como neutrino por Fermi. Wolfgang Pauli

Page 58: La complejidad de la materia

IceCube es el mayor observatorio de neutrinos del

mundo, situado a 2500 m bajo la Antártida.

Estas diminutas partículas atraviesan nuestro planeta, nosotros

incluidos, por trillones cada segundo, pero por su escasísima masa

(menos de una milmillonésima de la masa de un átomo de

hidrógeno) rara vez colisionan con algún átomo y resultan

prácticamente indetectables. Por eso se construyen instalaciones

gigantescas en lugares apartados de las interferencias.

Page 59: La complejidad de la materia
Page 60: La complejidad de la materia

OTROS OBSERVATORIOS SUBTERRÁNEOS DE NEUTRINOS

Super-Kamiokande, o Super-K, es un observatorio de neutrinos

localizado en Japón. El observatorio fue diseñado para estudiar los

neutrinos solares y atmosféricos. Este observatorio está localizado a

1.000 m bajo tierra en la mina de Mozumi, en la ciudad de Hida. Consta

de 50.000 toneladas de agua pura rodeadas por cerca de 11.000 tubos

fotomultiplicadores (detectores)

La interacción de los neutrinos con los electrones o los núcleos de agua,

puede producir partículas que se mueven más rápidamente que la luz

en el agua, provocando destellos luminosos (efecto Cherenkov). El

patrón característico de este destello provee información sobre los

diferentes tipos de neutrinos.

Page 61: La complejidad de la materia
Page 62: La complejidad de la materia

Por su parte, el laboratorio subterráneo del Gran Sasso, en el centro de

Italia recibe de forma continua neutrinos muónicos desde el CERN de

Ginebra (a 730 km de distancia) para estudiarlos e intentar averiguar la

masa de estas partículas.

Page 63: La complejidad de la materia

En la mina más profunda del hemisferio Norte se ha abierto una

ventana hacia el Sol. Es el observatorio de Sudbury (Canadá), en el

que los científicos detectan el flujo de neutrinos procedentes de la

estrella para estudiar las reacciones que la hacen lucir.

El corazón del detector actual, que empezó a tomar datos en 1999, es

una vasija acrílica que contiene mil toneladas de agua pesada. La

vasija, de 12 metros de diámetro, está sumergida en 7.000 toneladas

de agua ligera contenida en la cavidad de la roca.

Page 64: La complejidad de la materia
Page 65: La complejidad de la materia

En nuestro país tenemos el laboratorio Tunel de Canfranc

A unos 800 metros de profundidad, debajo de las pistas de esquí de

Candanchú, en el antigüo túnel ferroviario, están excavadas unas grandes

salas, convertidas en un laboratorio de astrofísica. Es uno de los cuatro

laboratorios subterráneos europeos y el segundo en dimensión con sus

1.200 metros cuadrados tras la ampliación de 2006. En este laboratorio

trabajan físicos, entre otras cosas, en la investigación de la composición

e interacción de los neutrinos y otras partículas.

Page 66: La complejidad de la materia

Un interesante proyecto para construir una vasta infraestructura que

albergue un observador de neutrinos en el fondo del

mar Mediterráneo está en desarrollo por un consorcio de

40 institutos y universidades de diez países europeos.

El consorcio afirma que el KM3Net, tal como se le conoce, abrirá

una nueva ventana al conocimiento sobre el Universo gracias a su

capacidad para detectar neutrinos de alta energía producidos por

violentos eventos en el espacio exterior como supernovas, colisiones

de estrellas y estallidos de rayos gamma.

Actualmente el mayor observatorio de neutrinos del hemisferio norte

es el observatorio submarino Antares, situado frente a Marsella a

2500 km de profundidad.

Page 67: La complejidad de la materia

Gracias a su escala, el KM3Net será la segunda mayor construcción humana después de la Gran Muralla en China. Junto con el observatorio de neutrinos, KM3Net tendrá un conjunto de equipos para monitorear el ambiente submarino el cual entre otras cosas, será capaz de grabar las comunicaciones acústicas de las ballenas y observar organismos biolumuniscentes.

Page 68: La complejidad de la materia

ELECTRODINÁMICA CUÁNTICA (QED)

• Entre 1934 y 1948, Richard Feynman, Sin- Ichiro Tornonaga y

Julian Schwinger, describen las interacciones electromagnéticas entre los

electrones, positrones y fotones de forma cuántica y relativista

desarrollando una nueva teoría, la Electrodinámica Cuántica.

• Según esta teoría, las cargas eléctricas emiten y absorben

continuamente fotones “virtuales”, que aparecen y desaparecen

rápidamente .

• La electrodinámica cuántica explica los resultados conocidos y permite

el cálculo de nuevos efectos posteriormente comprobados

experimentalmente.

Page 69: La complejidad de la materia

El estadounidense Richard Feymann fue Diagrama de

Premio nobel de Física en 1965 Feyman

Page 70: La complejidad de la materia

LOS QUARKS

A través del estudio de la dispersión electrón-protón, mediante un

experimento análogo al de Rutherford, en 1956, Hofstadter mide el

tamaño del protón y en 1967, Friedmann, Kendall y Taylor descubren

que el protón está compuesto de 3 quarks, partículas subatómicas

desconocidas hasta esa fecha.

Page 71: La complejidad de la materia

LOS PIONES

En 1934 un joven físico japonés Hideki Yukawa propone que los nucleones

interaccionan entre sí intercambiándose unas partículas de masa intermedia

entre las partículas ligeras (los electrones) y las pesadas (los protones), los

mesones.

Había que encontrar dichos mesones; la fuente de búsqueda fueron los rayos

cósmicos. C.D. Anderson encuentra en ellos una partícula similar a la predicha

por Yukawa, pero el comportamiento de dicho mesón no responde a las

predicciones teóricas. Se necesitaron 11 años más para que se descubrieran los

mesones pi o piones predichos por Yukawa. Dos años después en 1949, Yukaba

recibía el premio Nobel de física por haber previsto la existencia de mesones.

Page 72: La complejidad de la materia

Aunque posteriormente se descubrieron nuevos mesones que

hacían inviable su modelo, la teoría de mesones hizo avanzar

notablemente la física de partículas subatómicas, y sigue siendo

utilizada con fines de cálculo aproximado en muchos casos.

Page 73: La complejidad de la materia

LLEGAMOS AL PRESENTE

Tras el descubrimiento del neutrón y hasta el día de hoy, se han

descubierto ya más de 200 partículas elementales; las primeras, en

los rayos cósmicos, y el resto, en las reacciones nucleares producidas

en los aceleradores de partículas.

Page 74: La complejidad de la materia

• La Tierra recibe continuamente radiación que proviene del Sol y los

espacios interestelares: es la radiación cósmica, formada por radiación

electromagnética y por partículas elementales, (protones, electrones,…)

con alta energía. Los rayos cósmicos (un 77% protones), al chocar con

átomos de la atmósfera, pueden producir reacciones nucleares de las que

resultan gran variedad de partículas (positrones, muones, piones …) y

radiaciones secundarias. Estudiando la radiación secundaria el físico

estadounidense Carl David Anderson detectó, por primera vez, la

presencia del positrón, la antipartícula del electrón.

• En el interior de los aceleradores de partículas, éstas chocan a gran

velocidad (Física de las Altas Energías) creándose otras nuevas, la

mayoría inestables.

Page 75: La complejidad de la materia

INTERACCIÓN DE LOS RAYOS CÓSMICOS CON LA ATMÓSFERA

TERRESTRE

Page 76: La complejidad de la materia

• El modelo estándar de la física de partículas es una teoría que

describe las propiedades de las partículas elementales que componen la

materia y las interacciones entre ellas.

• Es una teoría desarrollada ente 1970 y 1973 compatible con la

mecánica cuántica y la relatividad especial. Constituye la frontera

actual de nuestro conocimiento de la materia.

• Este modelo habla de dos tipos de partículas, las partículas “de materia”

y las partículas “mediadoras de las fuerzas”.

EL MODELO ESTÁNDAR

Page 77: La complejidad de la materia
Page 78: La complejidad de la materia

PARTÍCULAS DE MATERIA.

El modelo estándar sugiere que la materia se compone, en última

instancia, de quarks y leptones. Así mismo contempla que cada

partícula de materia (ya se conocen del orden de 300) tiene su

antipartícula (electrón y positrón, neutrino y antineutrino,…) que se

distingue de la primera por poseer alguna característica opuesta de tal

manera que si una partícula se encuentra con su antipartícula, ambas

se aniquilan y se transforman en energía en forma de radiación.

Page 79: La complejidad de la materia
Page 80: La complejidad de la materia

LOS QUARKS

• Hay seis tipos o “sabores” de quarks: por un lado los u (up), los c

(charm) más pesados que los up, y los t (top), aún más pesados, y por

otro, los d (down) , los s (strange) más pesados que los down, y los b

(bottom), aún más pesados.

• Los tres primeros tienen una carga igual a 2/3 la carga del electrón y

los tres últimos tienen 1/3 de la carga del electrón Los antiquarks se

simbolizan con una rayita encima de la letra que designa al

correspondiente quark.

Page 81: La complejidad de la materia

Los quarks siempre están agrupados como componentes de las partículas

denominadas hadrones. Estos, a su vez, pueden ser de dos clases:

• Bariones, constituidos por tres quarks. Son bariones el protón (uud)

y el neutrón (udd).

• Mesones, constituidos por un quark y un antiquark (de un quark

diferente al primero) Son mesones los piones y los kaones.

Los mesones pueden encontrarse aislados aunque son inestables y

se acaban desintegrando.

Page 82: La complejidad de la materia

d u

u

q(u) = +2/3

q(d) = -1/3 q(p) = +1

d u

d q(n) = -1/3 - 1/3 + 2/3= 0

Page 83: La complejidad de la materia

• A los quarks se les asigna una tercera propiedad adicional a la carga

y el espín, denominado color.

• Existen tres variedades de color denominadas rojo, verde y azul.

Así los quarks aparentemente idénticos en el seno de un protón o

neutrón, se diferencian en última instancia por la “carga de color”,

cumpliendo así el principio de exclusión de Pauli.

Page 84: La complejidad de la materia

LOS LEPTONES

Son también seis los leptones conocidos:

- los leptones con carga -1 : el electrón, el muón (con una vida media

de 2 millonésimas de segundo) y el tau (extremadamente inestable).

- los leptones neutros: el neutrino electrónico, el neutrino

muónico y el neutrino del tau.

Las propiedades de los leptones son muy parecidas entre sí, aunque

tienen diferente masa. La del muón es algo más de 200 veces superior a

la del electrón, mientras que el tau es unas 3 500 veces más masivo que

el electrón.

Los neutrinos tienen una masa muy pequeña (sin cuantificar por el

momento).

Page 85: La complejidad de la materia

• Los leptones más pesados (el muón y la partícula tau), no se

encuentran en la materia ordinaria, porque decaen extremadamente

rápido, hacia leptones más livianos y, a veces, hacia pares quark -

antiquark. Los electrones y los neutrinos son los únicos leptones estables.

• Los neutrinos pueden pasar de una familia a otra en un proceso

conocido como oscilación de neutrinos. El corazón solar emite cantidades

ingentes de neutrinos electrónicos pero en el camino hasta la Tierra van

transformándose en neutrinos de otro tipo.

Page 86: La complejidad de la materia

• Las partículas también pueden clasificarse por el spín en fermiones

(spín semientero, como los leptones y los quarks, cuyo spín es ½) y

Bosones (spín entero o nulo como los mesones). Mientras que los

primeros cumplen el Principio de exclusión de Pauli (no pueden existir

dos fermiones en el mismo estado cuántico), los segundos lo

incumplen.

• Para finalizar señalar que a la hora de estudiar el comportamiento de

un conjunto grande de partículas es necesario acudir a la estadística de

Bose-Einstein si las partículas son bosónicas y a la estadística de

Fermi-Dirac si las partículas son fermiónicas.

Page 87: La complejidad de la materia

COCRETANDO

Todas las partículas verdaderamente elementales o fundamentales

caben en el siguiente cuadro:

Page 88: La complejidad de la materia

• Los quarks y los leptones de la primera columna son los denominados

de 1ª generación, los de la segunda columna los denominados de

2ª generación y los de la tercera los denominados de 3ª generación.

Cada generación es más pesada que la generación previa.

• Toda la materia estable en el Universo está formada por partículas de

materia de la primera generación. Las partículas de la segunda y tercera

generaciones son inestables y decaen hacia partículas de la primera

generación

Page 89: La complejidad de la materia

PARTÍCULAS MEDIADORAS DE FUERZAS

La teoría cuántica de campos interpreta tres de las cuatro

interacciones fundamentales entre partículas (fuerzas) mediante el

intercambio de partículas:

Page 90: La complejidad de la materia

Los fotones (de masa en reposo nula) son las partículas

mediadoras de la interacción electromagnética, los bosones

de Gauge (un total de 3) son las partículas mediadoras de la

interacción débil y los gluones (un total de 8) son las partículas

mediadoras de la interacción nuclear fuerte gracias a la cuál los

quarks están fuertemente unidos en los núcleos atómicos.

Page 91: La complejidad de la materia

I. gravitatoria

. .

. . .

.

I. electromagnética

1

Interacción fuerte

10-5

10 -2 10 - 40

10 -5 I. débil

4 interacciones básicas

Page 92: La complejidad de la materia

Tipo de Interacción Partícula Mediadora

Electromagnética γ (fotón)

Fuerte g (gluón)

Débil bosones W, Z

Gravitatoria G (gravitón)

Aún no detectado experimentalmente

Page 93: La complejidad de la materia

• Las partículas que sienten la interacción débil son los quarks y los

leptones (con alguna excepción).

• Sólo los quarks, y todas las partículas constituidas por quarks,

como los protones y los neutrones, sienten la interacción fuerte.

Page 94: La complejidad de la materia

El protón está compuesto por tres quarks que se mantienen unidos

intercambiando constantemente gluones; si además hay un electrón

ligado al protón por el intercambio de fotones, el resultado es un átomo

de hidrógeno. (¡No está a escala!)

Page 95: La complejidad de la materia
Page 96: La complejidad de la materia

LA TEORÍA DE LA GRAN UNIFICACIÓN

Hoy en día, una de las mayores metas de los físicos de partículas, es

unificar las cuatro interacciones en una única teoría, la teoría de la “Gran

Unificación”.

Recientemente se ha logrado unificar el electromagnetismo y la

interacción débil en una interacción llamada electrodébil y se dispone ya

de una idea de cómo se pueda realizar la unificación de la interacción

electrodébil y la fuerte en una interacción llamada electronuclear

fuerte.

Page 97: La complejidad de la materia

• Pero para ello es preciso tener un acelerador de partículas que

suministre energía del orden de 10 veces superior a la disponible

actualmente. Esto será posible con el nuevo acelerador LHC del CERN.

• No obstante, la unificación de las interacciones electrodébil y fuerte

con la gravedad resulta casi imposible. Dicha unificación necesitaría de un

acelerador que proporcionase una energía del orden de la existente

cuando se originó el Universo en el Big Bang, y de momento no es

posible construir dicho acelerador.

Page 98: La complejidad de la materia

EL BOSÓN DE HIGGS.

La partícula de Higgs (a veces llamada “la partícula de Dios”) es una

partícula elemental masiva, de spin nulo, predicha por el modelo

estándar pero aún no detectada por ningún experimento. La existencia

de esta partícula, que debe su nombre a uno de los científicos que

hace 30 años predijo su existencia, se considera indispensable para

explicar por qué las partículas elementales tienen masa y por qué son

tan diferentes entre ellas.

Page 99: La complejidad de la materia

• En el gran colisionador de hadrones LHC del CERN de Ginebra se

precipitan billones de protones hacia las colisiones al 99,9999991% de la

velocidad de la luz. Los quarks y los gluones dentro de los protones chocan

y estallan con suficiente energía como para que surja la esquiva Higgs.

• Probablemente 100 o 200 veces más masiva que un protón, es

inestable. Subsistirá menos de una cuatrillonésima de segundo antes de

desintegrarse en una lluvia de otras partículas. Los indicios de la Higgs

serán las trazas y espirales que las partículas creadas por su desintegración

dejarán en los detectores del LHC.

Page 100: La complejidad de la materia

Cuando los protones choquen en el LHC, a unos niveles energéticos sin

precedentes, los físicos esperan ver partículas extrañas y estados de la

materia que sólo fueron habituales durante los primeros instantes del

universo. Una de las partículas que buscan es el bosón de Higgs

Page 101: La complejidad de la materia

• Dado que el modelo estándar predice la existencia de esta

partícula, puede entenderse el anhelo de los físicos por verificar

experimentalmente su existencia.

• Pronto se podrá ver si la teoría se reafirma, o entra en

dificultades en el rango de las grandes energías.

Page 102: La complejidad de la materia

Si se encuentra el bosón de Higgs, la física podrá

explicarse mediante "una sencilla fórmula"

Page 103: La complejidad de la materia

Otro acelerador de partículas se ha dedicado, en los últimos años a la

búsqueda del bosón de Higgs, el del Laboratorio Fermilab. Se trata de

un laboratorio de física de altas energías (llamado así en honor al físico

Enrico Fermi), que fue pionero, durante mucho tiempo, en física de

partículas. Se encuentra localizado a 50 kilómetros al oeste de Chicago

(Estados Unidos).

En el Fermilab está instalado el segundo acelerador de partículas más

potente del mundo (el primero es el LHC), el Tevatrón.

Page 104: La complejidad de la materia

Dos componentes muy importantes del modelo actual de partículas

fundamentales fueron descubiertos en el Fermilab: el quark fondo

(mayo - junio 1977) y el quark cima (febrero 1995). En julio del 2000,

los investigadores del Fermilab anunciaron la primera observación

directa del neutrino tauónico, la última partícula elemental en ser

observada.

Page 105: La complejidad de la materia

EL LABORATORIO FERMILAB

Page 106: La complejidad de la materia

LLEGADO ESTE MOMENTO ES INVITABLE LA SIGUIENTE

CONCLUSIÓN:

LA HISTORIA DE LA CIENCIA NOS ENSEÑA QUE EL ESTADO

ACTUAL DE NUESTRO CONOCIMIENTO ES SIEMPRE

PROVISIONAL Y QUE DEBEN EXISTIR, MÁS ALLÁ DE LO QUE

ACTUALMENTE SE CONOCE, INMENSAS REGIONES NUEVAS QUE

DESCUBRIR.

Page 107: La complejidad de la materia

El CPAN en el Instituto Actividad divulgativa organizada por el Centro

Nacional de Física de Partículas,

Astropartículas y Nuclear (CPAN).

Page 108: La complejidad de la materia

VISITA AL CERN EN OCTUBRE DEL 2009