QUE HAY DE LAS PARTICULAS DESPUES DEL ATOMO

Introducción:

Las partículas subatómicas principales de la materia son: Protones, Neutrones y Electrones y estas son las partículas que conforman al átomo, El nombre átomo proviene del latín atomum, y este del griego ἄτομον sin porciones, indivisible'; también, se deriva de a- ('no') y tómo (divisible). El concepto de átomo como bloque básico e indivisible que compone la materia del universo fue postulado por la escuela atomista en la Antigua Grecia. Sin embargo, no fueron considerados seriamente por los científicos hasta el siglo XIX, cuando fueron introducidos para explicar ciertas leyes químicas. Con el desarrollo de la física nuclear en el siglo XX se comprobó que el átomo puede subdividirse en partículas más pequeñas.

Los átomos son objetos muy pequeños con masas igualmente minúsculas: su diámetro y masa son del orden de la billonésima parte de un metro y cuatrillonésima parte de un gramo. Solo pueden ser observados mediante instrumentos especiales tales como un microscopio de efecto túnel. Más de un 99,94% de la masa del átomo está concentrada en su núcleo, en general repartida de manera aproximadamente equitativa entre protones y neutrones. El núcleo de un átomo puede ser inestable y sufrir una transmutación mediante desintegración radioactiva. Los electrones en la nube del átomo están repartidos en distintos niveles de energía u orbitales, y determinan las propiedades químicas del mismo. Las transiciones entre los distintos niveles dan lugar a la emisión o absorción de radiación electromagnética en forma de fotones, y son la base de la espectroscopia.

Estructura atómica

Partículas subatómicas

A pesar de que átomo significa ‘indivisible’, en realidad está formado por varias partículas subatómicas. El átomo contiene protones, neutrones y electrones, con la excepción del hidrógeno-1, que no contiene neutrones, y del catión hidrógeno o hidrón, que no contiene electrones. Los protones y neutrones del átomo se denominan nucleones, por formar parte del núcleo atómico.

El electrón es la partícula más ligera de cuantas componen el átomo, con una masa de 9,11 · 10−31 kg. Tiene una carga eléctrica negativa, cuya magnitud se define como la carga eléctrica elemental, y se ignora si posee subestructura, por lo que se lo considera una partícula elemental. Los protones tienen una masa de 1,67 · 10−27 kg,

1836 veces la del electrón, y una carga positiva opuesta a la de este. Los neutrones tienen un masa de 1,69 · 10−27 kg, 1839 veces la del electrón, y no poseen carga eléctrica. Las masas de ambos nucleones son ligeramente inferiores dentro del núcleo, debido a la energía potencial del mismo; y sus tamaños son similares, con un radio del orden de 8 · 10-16 m o 0,8 femtómetros (fm).

El protón y el neutrón no son partículas elementales, sino que constituyen un estado ligado de quarks u y d, partículas fundamentales recogidas en el modelo estándar de la física de partículas, con cargas eléctricas iguales a +2/3 y −1/3 respectivamente, respecto de la carga elemental. Un protón contiene dos quarks u y un quark d, mientras que el neutrón contiene dos d y un u, en consonancia con la carga de ambos. Los quarks se mantienen unidos mediante la fuerza nuclear fuerte, mediada por gluones del mismo modo que la fuerza electromagnética está mediada por fotones. Además de estas, existen otras partículas subatómicas en el modelo estándar: más tipos de quarks, leptones cargados (similares al electrón), etc.

El núcleo atómico

Los protones y neutrones de un átomo se encuentran ligados en el núcleo atómico, la parte central del mismo. El volumen del núcleo es aproximadamente proporcional al número total de nucleones, el número másico A, lo cual es mucho menor que el tamaño del átomo, cuyo radio es del orden de 105 fm o 1 ångström (Å). Los nucleones se mantienen unidos mediante la fuerza nuclear, que es mucho más intensa que la fuerza electromagnética a distancias cortas, lo cual permite vencer la repulsión eléctrica entre los protones.

Los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número de protones, que se denomina número atómico y se representa por Z. Los átomos de un elemento dado pueden tener distinto número de neutrones: se dice entonces que son isótopos. Ambos números conjuntamente determinan el núclido.

El núcleo atómico puede verse alterado por procesos muy energéticos en comparación con las reacciones químicas. Los núcleos inestables sufren desintegraciones que pueden cambiar su número de protones y neutrones emitiendo radiación. Un núcleo pesado puede fisionarse en otros más ligeros en una reacción nuclear o espontáneamente. Mediante una cantidad suficiente de energía, dos o más núcleos pueden fusionarse en otro más pesado.

En átomos con número atómico bajo, los núcleos con una cantidad distinta de protones y neutrones tienden a desintegrarse en núcleos con proporciones más

parejas, más estables. Sin embargo, para valores mayores del número atómico, la repulsión mutua de los protones requiere una proporción mayor de neutrones para estabilizar el núcleo.

Nube de electrones

Los electrones en el átomo son atraídos por los protones a través de la fuerza electromagnética. Esta fuerza los atrapa en un pozo de potencial electrostático alrededor del núcleo, lo que hace necesaria una fuente de energía externa para liberarlos. Cuanto más cerca está un electrón del núcleo, mayor es la fuerza atractiva, y mayor por tanto la energía necesaria para que escape.

Los electrones, como otras partículas, presentan simultáneamente propiedades de partícula puntual y de onda, y tienden a formar un cierto tipo de onda estacionaria alrededor del núcleo, en reposo respecto de este. Cada una de estas ondas está caracterizada por un orbital atómico, una función matemática que describe la probabilidad de encontrar al electrón en cada punto del espacio. El conjunto de estos orbitales es discreto, es decir, puede enumerarse, como es propio en todo sistema cuántico. La nube de electrones es la región ocupada por estas ondas, visualizada como una densidad de carga negativa alrededor del núcleo.

Cada orbital corresponde a un posible valor de energía para los electrones, que se reparten entre ellos. El principio de exclusión de Pauli prohíbe que más de dos electrones se encuentren en el mismo orbital. Pueden ocurrir transiciones entre los distintos niveles de energía: si un electrón absorbe un fotón con energía suficiente, puede saltar a un nivel superior; también desde un nivel más alto puede acabar en un nivel inferior, radiando el resto de la energía en un fotón. Las energías dadas por las diferencias entre los valores de estos niveles son las que se observan en las líneas espectrales del átomo.

Partícula subatómica

Una partícula subatómica es una partícula más pequeña que el átomo. Puede ser una partícula elemental o una compuesta, a su vez, por otras partículas subatómicas, como son los quarks, que componen los protones y neutrones. No obstante, existen otras partículas subatómicas, tanto compuestas como elementales, que no son parte del átomo, como es el caso de los neutrinos y bosones.

La mayoría de las partículas elementales que se han descubierto y estudiado no pueden encontrarse en condiciones normales en la Tierra, generalmente porque son

inestables (se descomponen en partículas ya conocidas), o bien, son difíciles de producir de todas maneras. Estas partículas, tanto estables como inestables, se producen al azar por la acción de los rayos cósmicos al chocar con átomos de la atmósfera, y en los procesos que se dan en los aceleradores de partículas, los cuales imitan un proceso similar al primero, pero en condiciones controladas. De esta manera, se han descubierto docenas de partículas subatómicas, y se teorizan cientos de otras más. Ejemplos de partícula teórica es el gravitón; sin embargo, esta y muchas otras no han sido observadas en aceleradores de partículas modernos, ni en condiciones naturales en la atmósfera (por la acción de rayos cósmicos).

Como partículas subatómicas, se clasifican también las partículas virtuales, que son partículas que representan un paso intermedio en la desintegración de una partícula inestable, y por tanto, duran muy poco tiempo.

Los primeros modelos atómicos consideraban básicamente tres tipos de partículas subatómicas: protones, electrones y neutrones. Más adelante el descubrimiento de la estructura interna de protones y neutrones, reveló que estas eran partículas compuestas. Además el tratamiento cuántico usual de las interacciones entre las partículas comporta que la cohesión del átomo requiere otras partículas bosónicas como los piones, gluones o fotones.

Los protones y neutrones por su parte están constituidos por quarks. Así un protón está formado por dos quarks arriba y un quark abajo. Los quarks se unen mediante partículas llamadas gluones. Existen seis tipos diferentes de quarks (Arriba, Abajo, Fondo, Cima, Extraño y Encanto). Los protones se mantienen unidos a los neutrones por el efecto de los piones, que son mesones compuestos formados por parejas de quark y antiquark (a su vez unidos por gluones). Existen también otras partículas elementales que son responsables de las fuerzas electromagnéticas (los fotones) y débil (los neutrinos y los bosones W y Z).

Los electrones, que están cargados negativamente, tienen una masa 1/1836 de la del átomo de hidrógeno, proviniendo el resto de su masa del protón. El número atómico de un elemento es el número de protones (o el de electrones si el elemento es neutro). Los neutrones por su parte son partículas neutras con una masa muy similar a la del protón. Los distintos isótopos de un mismo elemento contienen el mismo número de protones pero distinto número de neutrones. El número másico de un elemento es el número total de protones más neutrones que posee en su núcleo.

Las propiedades más interesantes de las 3 partículas constituyentes de la materia existente en el universo son:

PROTÓN

Se encuentra en el núcleo. Su masa es de 1,6×10-27 kg.1 Tiene carga positiva igual en magnitud a la carga del electrón. El número atómico de un elemento indica el número de protones que tiene en el núcleo. Por ejemplo el núcleo del átomo de hidrógeno contiene un único protón, por lo que su número atómico (Z) es 1.

En física, el protón (del griego πρῶτον, prōton ['primero']) es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental positiva 1 (1,6 × 10-19 C). Igual en valor absoluto y de signo contrario a la del electrón, y una masa 1836 veces superior a la de un electrón. Experimentalmente, se observa el protón como estable, con un límite inferior en su vida media de unos 1035 años, aunque algunas teorías predicen que el protón puede desintegrarse en otras partículas.

El protón y el neutrón, en conjunto, se conocen como nucleones, ya que conforman el núcleo de los átomos. En un átomo, el número de protones en el núcleo determina las propiedades químicas del átomo y qué elemento químico es. El núcleo del isótopo más común del átomo de hidrógeno (también el átomo estable más simple posible) está formado por un único protón. Al tener igual carga, los protones se repelen entre sí. Sin embargo, pueden estar agrupados por la acción de la fuerza nuclear fuerte, que a ciertas distancias es superior a la repulsión de la fuerza electromagnética. No obstante, cuando el átomo es grande (como los átomos de Uranio), la repulsión electromagnética puede desintegrarlo progresivamente.

Historia

Generalmente se le acredita a Ernest Rutherford el descubrimiento del protón. En el año 1918 Rutherford descubrió que cuando se disparan partículas alfa contra un gas de nitrógeno, sus detectores de centelleo muestran los signos de núcleos de hidrógeno. Rutherford determinó que el único sitio del cual podían provenir estos núcleos era del nitrógeno y que por tanto el nitrógeno debía contener núcleos de hidrógeno. Por estas razones Rutherford sugirió que el núcleo de hidrógeno, que en la época se sabía que su número atómico era 1, debía ser una partícula fundamental.

Antes que Rutherford, Eugene Goldstein había observado rayos catódicos compuestos de iones cargados positivamente en 1886. Luego del descubrimiento del electrón por J.J. Thomson, Goldstein sugirió que puesto que el átomo era eléctricamente neutro, el mismo debía contener partículas cargadas positivamente. Goldstein usó los rayos canales y pudo calcular la razón carga/masa. Encontró que dichas razones cambiaban cuando variaban los gases que usaba en el tubo de rayos

catódicos. Lo que Goldstein creía que eran protones resultaron ser iones positivos. Sin embargo, sus trabajos fueron largamente ignorados por la comunidad de físicos.

Los protones en física de partículas

Radio del protón

Las últimas observaciones experimentales, ponen el radio del protón en 8,4184(67) × 10-16 m.[1][2]

Radio del protón = 2 h / Pi C Pm = 8,41235641483227 × 10-16 m

Radio del protón = 2 Pcw / Pi = 8,41235641483233 × 10-16 m

h es la constante de Planck. [3]

Pi es 3,14159265358979

C es la velocidad de la luz. [4]

Pm es la masa del protón. [5]

Pcw es la longitud de onda Compton del protón. [6]

Descripción

Los protones no se consideran partículas elementales, sino partículas compuestas por tres partículas elementales de espín 1/2:2 dos quarks arriba y un quark abajo, las cuales también están unidos por la fuerza nuclear fuerte mediada por gluones. La masa de estos tres quarks sólo supone un 5% de la masa del protón. El resto proviene del cómputo de la energía de enlace al considerar el mar de gluones y los pares quark-antiquark que los rodean.3

En cuanto a su clasificación, los protones son partículas de espín 1/2, por lo tanto fermiones (partículas de espín semientero). Al experimentar la interacción nuclear fuerte decimos que son hadrones, y dentro del conjunto de hadrones, bariones, que es como se designa a los hadrones que a su vez son fermiones.

Estabilidad

Al ser los protones los bariones más ligeros, la conservación del número bariónico nos llevaría a conjeturar su estabilidad. De hecho, la desintegración espontánea de los protones libres nunca ha sido observada. Sin embargo, algunas teorías que no

conservan el número bariónico, entre las que se encuentran las teorías de la gran unificación, predicen procesos del tipo:

p → e+ + π0

p → μ + π0

Donde un protón se desintegraría, hipotéticamente, en un positrón y en un pión neutro; o en un muon y un pión neutro.

Distintos montajes experimentales buscaron estas hipotéticas desintegraciones sin éxito en enormes cámaras subterráneas llenas de agua. El detector de partículas Super-Kamiokande en Japón, aunque no encontró ninguna de estos sucesos, estableció experimentalmente límites inferiores a la vida media de un protón del orden de 1033 años.4

Antiprotón

El antiprotón es la antipartícula del protón. Se conoce también como protón negativo. Se diferencia del protón en que su carga es negativa y en que no forma parte de los núcleos atómicos. El antiprotón es estable en el vacío y no se desintegra espontáneamente. Sin embargo, cuando un antiprotón colisiona con un protón, ambas partículas se transforman en mesones, cuya vida media es extremadamente breve (véase Radiactividad). Si bien la existencia de esta partícula elemental se postuló por primera vez en la década de 1930, el antiprotón no se identificó hasta 1955, en el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California, por Emilio Segre y Owen Chamberlain, razón por la cual les fue concedido el Premio Nobel de Física en 1959.

Los protones en química

Número atómico

En química, el número de protones en el núcleo de un átomo se conoce como número atómico ( Z ), y determina el elemento químico al que pertenece el átomo. Por ejemplo, el número atómico del cloro es 17, de modo que todo átomo de cloro tiene 17 protones y todos los átomos con 17 protones son átomos de cloro. Las propiedades químicas de cada átomo se determinan por el número de electrones, lo que para los átomos neutros es igual a la cantidad de protones para que la carga total sea cero. Por ejemplo, un átomo de cloro neutro tiene 17 protones y 17 electrones, mientras que un ion de cloro Cl - tiene 17 protones y 18 electrones, por lo que

resulta una carga total de -1. Todos los átomos de un elemento dado no son necesariamente idénticos, ya que el número de neutrones puede variar para formar los diferentes isótopos, y los niveles de energía pueden variar en la formación de diferentes isómeros nucleares.

Catión hidrógeno

En física y química, el término protón puede referirse al catión de hidrógeno (H+). En este contexto, un emisor de protones es un ácido, y un receptor de protones una base. Esta especie, H+, es inestable en disolución, por lo que siempre se encuentra unida a otros átomos. En soluciones acuosas forma el ion hidronio u oxonio (H3O+), donde el protón está unido de forma covalente a una molécula de agua. En este caso se dice que se encuentra hidratado, pero también pueden existir especies de hidratación superior.

Aplicaciones tecnológicas

Los protones tienen un espín intrínseco. Esta propiedad se aprovecha en la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN). En esta técnica, a una sustancia se le aplica un campo magnético para detectar la corteza alrededor de los protones en los núcleos de esta sustancia, que proporcionan las nubes de electrones colindantes. Puede usarse posteriormente esta información para reconstruir la estructura molecular de una molécula bajo estudio; éste sigue siendo llamado un protón en cualquier tipo de enlace que se quiera establecer.

ELECTRON

Se encuentra en la corteza. Su masa aproximadamente es de 9,1×10-31 kg. Tiene carga eléctrica negativa (-1.602×10-19 C).

El electrón (del griego clásico ἤλεκτρον, ámbar), comúnmente representado por el símbolo: e−, es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental negativa. Un electrón no tiene componentes o subestructura conocidos, en otras palabras, generalmente se define como una partícula elemental. En la Teoría de cuerdas se dice que un electrón esta formada por una subestructura (cuerdas). Tiene una masa que es aproximadamente 1836 veces menor con respecto a la del protón. El momento angular (espín) intrínseco del electrón es un valor semientero en unidades de ħ, lo que significa que es un fermión. Su antipartícula es denominada positrón: es idéntica excepto por el hecho de que tiene cargas entre ellas, la eléctrica de signo

opuesto. Cuando un electrón colisiona con un positrón, las dos partículas pueden resultar totalmente aniquiladas y producir fotones de rayos gamma.

Los electrones, que pertenecen a la primera generación de la familia de partículas de los leptones, participan en las interacciones fundamentales, tales como la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil. Como toda la materia, posee propiedades mecánico-cuánticas tanto de partículas como de ondas, de tal manera que pueden colisionar con otras partículas y pueden ser difractadas como la luz. Esta dualidad se demuestra de una mejor manera en experimentos con electrones a causa de su ínfima masa. Como los electrones son fermiones, dos de ellos no pueden ocupar el mismo estado cuántico, según el principio de exclusión de Pauli.

El concepto de una cantidad indivisible de carga eléctrica fue teorizado para explicar las propiedades químicas de los átomos, el primero en trabajarlo fue el filósofo naturalista británico Richard Laming en 1838. El nombre electrón para esta carga fue introducido el 1894 por el físico irlandés George Johnstone Stoney. Sin embargo, el electrón no fue identificado como una partícula hasta 1897 por Joseph John Thomson y su equipo de físicos británicos.

En muchos fenómenos físicos tales como la electricidad, el magnetismo o la conductividad térmica los electrones tienen un papel esencial. Un electrón que se mueve en relación a un observador genera un campo eléctrico y es desviado por campos magnéticos externos. Cuando se acelera un electrón, puede absorber o radiar energía en forma de fotones. Los electrones, junto con núcleos atómicos formados de protones y neutrones, conforman los átomos, sin embargo, los electrones contribuyen con menos de un 0,06% a la masa total de los mismos. La misma fuerza de Coulomb, que causa la atracción entre protones y electrones, también hace que los electrones queden enlazados. El intercambio o compartición de electrones entre dos o más átomos es la causa principal del enlace químico. Los electrones pueden ser creados mediante la desintegración beta de isótopos radiactivos y en colisiones de alta energía como, por ejemplo, la entrada de un rayo cósmico en la atmósfera. Por otra parte, pueden ser destruidos por aniquilación con positrones, y pueden ser absorbidos durante la nucleosíntesis estelar. Existen instrumentos de laboratorio capaces de contener y observar electrones individuales así como plasma de electrones, además, algunos telescopios pueden detectar plasma de electrones en el espacio exterior. Los electrones tienen muchas aplicaciones, entre ellas la electrónica, la soldadura, los tubos de rayos catódicos, los microscopios electrónicos, la radioterapia, los láseres, los detectores de ionización gaseosa y los aceleradores de partículas.

Historia

Los griegos antiguos se dieron cuenta de que el ámbar atraía pequeños objetos cuando se le frotaba contra el pelaje. Junto con el rayo, este fenómeno es una de las primeras experiencias conocidas de los humanos con la electricidad. En su tratado de 1600, De Magnete, el científico inglés William Gilbert definió el término neolatín «electricus» para referirse a la propiedad de un objeto de atraer pequeños objetos después de ser frotado. Tanto las palabras eléctrico como electricidad derivan del latín «electrum», que a su vez proviene de la palabra griega «ήλεκτρον» («elektron»), que significa ámbar.

A principios de los años 1700, Francis Hauksbee y Charles François de Cisternay du Fay descubrieron, cada uno por su lado, lo que creían que eran dos tipos de electricidad friccional: uno generado por el rozamiento con vidrio, y el otro por el rozamiento con resina. A partir de esto, Du Fay teorizó que la electricidad consistía en dos fluidos eléctricos, el «vítreo» y el «resinoso», que estaban separados por la fricción y que se neutralizaban el uno al otro cuando eran combinados. Una década más tarde, Benjamin Franklin propuso que la electricidad no provenía de dos tipos diferentes de fluido eléctrico sino de un mismo fluido a presiones diferentes; les dio la nomenclatura moderna de carga «positiva» y «negativa», respectivamente. Franklin pensaba que el portador de carga era positivo, pero no identificó correctamente qué situación reflejaba un excedente del portador de carga y en qué caso era un déficit.

Entre 1838 y el 1851, el filósofo naturalista británico Richard Laming desarrolló la idea de que un átomo estaba compuesto de un núcleo de materia rodeado por partículas subatómicas con carga eléctrica. A partir de 1846, el físico alemán Wilhelm Eduard Weber teorizó que la electricidad estaba compuesta de fluidos cargados positivamente y negativamente, y que su interacción estaba gobernada por la ley del inverso del cuadrado. Más tarde, tras estudiar el fenómeno de la electrólisis, el físico irlandés George Johnstone Stoney sugirió que existía una «única cantidad definida de electricidad», la carga de un ion monovalente; siendo capaz de estimar el valor de esta carga elemental mediante las leyes de Faraday de la electrólisis. Sin embargo, Stoney creía que estas cargas estaban ligadas permanentemente a átomos y que no podían ser removidas. En 1881, el físico alemán Hermann von Helmholtz argumentó que tanto las cargas positiva como

negativa estaban divididas en partes elementales, cada una de las cuales se comportaba como «átomos de electricidad».

En 1894, Stoney estableció el término inglés «electron» para describir estos cambios elementales: « se hizo una estimación de la cantidad real de esta unidad de electricidad fundamental, que es la más destacable, por lo que me he aventurado a sugerir el nombre 'electron'». Dicha palabra «electrón», que deriva del inglés, es una combinación de la palabra «electricidad» y del sufijo griego «patrón» ('el medio por el cual se hace').

Descubrimiento

El físico alemán Johann Wilhelm Hittorf emprendió el estudio de la conductividad eléctrica de gases enrarecidos. En 1869, descubrió un brillo emitido desde el cátodo que aumentaba de tamaño cuando el gas disminuía de presión. En 1876, el también físico alemán Eugen Goldstein mostró que los rayos de ese brillo proyectaban una sombra, y los denominó «rayos catódicos». Durante la década de 1870, el químico y físico inglés Sir William Crookes desarrolló el primer tubo de rayos catódicos con un vacío elevado (vacío con presión en el rango de 100 mPa a 100 nPa). Entonces mostró que los rayos luminiscentes que aparecían dentro del tubo llevaban energía y que iban del cátodo al ánodo. Además, aplicando un campo magnético, Crookes fue capaz de desviar los rayos, con lo cual demostró que el haz se comportaba como si estuviera cargado negativamente. En 1879 propuso que estas propiedades se podían explicar con lo que él denominó «materia radiante». Sugirió que se trataba del cuarto estado de la materia, que consistía en moléculas cargadas negativamente que eran proyectadas a alta velocidad desde el cátodo.

El físico británico nacido en Alemania, Arthur Schuster, continuó los experimentos iniciados por Crookes colocando placas de metal paralelas a los rayos catódicos y aplicando un potencial eléctrico entre ellas. El campo desviaba los rayos hacia la placa cargada positivamente, lo que evidenciaba aún más que los rayos llevaban una carga negativa. Al medir la cantidad de desviación causada por un cierto nivel de corriente eléctrica, en 1890, Schuster fue capaz de determinar la proporción masa-carga de los componentes de los rayos. Sin embargo, logró un valor que era más de mil veces lo esperado, por lo que, en aquella época, no se dio mucho crédito a sus cálculos.

En 1896, el físico británico Joseph John Thomson, junto con sus colegas John Sealy Townsend y Harold Albert Wilson, llevó a cabo experimentos que indicaron que los rayos catódicos eran realmente partículas únicas y no ondas, átomos o moléculas, tal

como se creía anteriormente. Thomson hizo buenas estimaciones tanto de la carga como de la masa, y encontró que las partículas de los rayos catódicos a las cuales llamaba «corpúsculos» tenían quizás una milésima parte de la masa del ion menos masivo conocido, el ion hidrógeno. Asimismo, demostró que su proporción carga-masa (e/m) era independiente del material del cátodo. Más tarde demostró que las partículas cargadas negativamente producidas por materiales radiactivos, por materiales calentados y por materiales iluminados eran universales. El nombre de «electrón» para estas partículas fue propuesto de nuevo por el físico irlandés George Francis Fitz Gerald y, desde entonces, la palabra consiguió una aceptación por partes.

Teoría atómica

Tres círculos concéntricos alrededor de un núcleo, con un electrón que se mueve desde la segunda hasta el primer círculo y la liberación de un fotón

El modelo de Bohr del átomo, muestra estados de electrón con energía cuantificado por el número n. Una caída de electrones a una órbita más baja emite un fotón igual a la diferencia de energía entre las órbitas.

En 1914, los experimentos llevados a cabo hasta ese momento por los físicos Ernest Rutherford, Henry Moseley, James Franck y Gustav Hertz ya habían establecido en gran medida la estructura del átomo como un núcleo denso de carga positiva rodeado por electrones de masa reducida. En 1913, el físico danés Niels Bohr postuló que los electrones residían en estados de energía cuantificados; según él, esta energía estaba determinada por el momento angular de las órbitas del electrón alrededor del núcleo. Los electrones se podían mover entre estos estados u órbitas mediante la emisión o absorción de fotones a frecuencias específicas. Por medio de estas órbitas cuantificadas, Bohr explicó las líneas espectrales del átomo de hidrógeno. Sin embargo, el modelo de Bohr fallaba en la justificación de las intensidades relativas de las líneas espectrales, y tampoco tuvo éxito para explicar los espectros de átomos más complejos.

Mecánica cuántica

En mecánica cuántica, el comportamiento de un electrón en un átomo se describe por un orbital, que es una distribución de probabilidad más que una órbita. En la figura, el sombreado indica la probabilidad relativa de «encontrar» el electrón en este punto cuando se tiene la energía correspondiente a los números cuánticos dados.

Aceleradores de partículas

Con el desarrollo del acelerador de partículas durante la primera mitad del siglo XX, los físicos empezaron a entrar más a fondo en las propiedades de las partículas subatómicas.62 El primer intento con éxito de acelerar electrones utilizando la inducción electromagnética fue llevado a cabo en 1942 por Donald Kerst. Su betatrón inicial alcanzaba energías de 2,3 MeV, mientras que los betatrones posteriores podían llegar hasta 300 MeV. En 1947 se descubrió la radiación de sincrotrón gracias a un sincrotrón de electrones de 70 MeV de General Electric; esta radiación era causada por la aceleración de los electrones a través de un campo magnético moviéndose cerca de la velocidad de la luz.63

Confinamiento de electrones individuales

Actualmente se pueden confinar electrones individuales en transistores CMOS ultrapequeños (L= 20 nm, W= 20 nm) que operan a temperaturas criogénicas (del rango de 4 K a 15 K).68 La función de onda del electrón se extiende en una retícula semiconductora e interacciona de manera despreciable con la banda de valencia de los electrones, de tal manera que se puede tratar dentro del formalismo de partícula simplemente reemplazando su masa con el tensor de masa efectiva.

Características

El Modelo Estándar de partículas elementales: 12 fermiones fundamentales y 4 bosones fundamentales. Por favor, nótese que las masas de algunas partículas son sujetas a evaluaciones periódicas por la comunidad científica. Los valores actuales reflejados en este gráfico son de 2008 y puede que no hayan sido ajustadas desde ese momento. Para el último consenso, por favor visitar el Particle Data Group.

Clasificación

En el modelo estándar de física de partículas, los electrones pertenecen al grupo de partículas subatómicas llamado leptones, que se cree que son las partículas elementales fundamentales. Los electrones tienen la masa más pequeña de cualquier leptón con carga (y también de cualquier partícula cargada de cualquier tipo) y pertenecen a la primera generación de partículas fundamentales. La segunda y tercera generaciones contienen leptones cargados el muon y el tau que son idénticos

al electrón en cuanto a la carga, el espín y las interacciones, pero tienen más masa. Los leptones difieren de los otros constituyentes básicos de la materia, los quarks, por su falta de interacción fuerte. Todos los miembros del grupo de los leptones son fermiones, porque todos ellos tienen un espín semientero; puesto que el electrón tiene un espín de 1/2.70

Propiedades fundamentales

La masa invariante de un electrón es aproximadamente de 9.109 × 10-31 kg o,71 equivalentemente, de 5.489 × 10-4 uma. Según el principio de equivalencia masa-energía de Einstein, esta masa corresponde a una energía en reposo de 0,511 MeV. El electrón tiene una carga eléctrica de -1,602 × 10-19 coulomb;71 esta carga se utiliza como unidad estándar de carga de las partículas subatómicas. Dentro de los límites de la precisión experimental, la carga del electrón es idéntica a la del protón pero con el signo opuesto.74 Como el símbolo 'e' se utiliza para la carga elemental, el electrón se suele simbolizar por e- (el símbolo - indica la carga negativa). El positrón se simboliza por e+ porque tiene las mismas propiedades que el electrón pero carga positiva.70 71

El espín (momento angular intrínseco) del electrón es de 1/2.71 Esta propiedad se suele indicar, refiriéndose al electrón, como una partícula espín -1/2.70 Para este tipo de partículas, la magnitud de espín es √3/2 ħ,nota 3 y el resultado de la medida de la proyección del espín sobre cualquier eje sólo puede ser ±ħ/2. De forma adicional al espín, el electrón tiene un momento magnético a lo largo de su eje71 75 nota 4 que es aproximadamente un magnetón de Bohr, el cual es una constante física que equivale a 9,27400915 (23) × 10-24 joules por tesla.71 La orientación del espín respecto al momento del electrón define la propiedad de las partículas elementales conocida como helicidad.76

Propiedades cuánticas

Como todas las partículas, los electrones pueden actuar como ondas: esto se llama dualidad onda-partícula, y se puede demostrar utilizando el experimento de la doble rendija. La naturaleza similar a la de una onda del electrón le permite pasar a través de dos rendijas paralelas de manera simultánea y no sólo a través de una, como sería el caso de una partícula clásica. En mecánica cuántica, la propiedad similar a la onda de una partícula puede describirse matemáticamente como una función compleja, la función de onda, que se suele denotar por la letra griega psi (ψ). Cuando el valor absoluto de esta función se eleva al cuadrado se obtiene la probabilidad de que una partícula sea observada cerca de una localización (densidad de probabilidad).

Partículas virtuales

Los físicos creen que el espacio vacío podría estar creando de manera continua pares de partículas virtuales —tales como un positrón y un electrón— que se aniquilan rápidamente la una con la otra.82 La combinación de la variación de energía necesaria para crear estas partículas y el tiempo durante el cual existen caen dentro del límite de detectabilidad que expresa el principio de incertidumbre de Heisenberg, ΔE · Δt ≥ ħ: la energía que se necesita para crear estas partículas virtuales (ΔE) se puede «sacar» del vacío durante un periodo de tiempo (Δt) de tal manera que su producto no sea más elevado que la constante de Planck reducida (ħ ≈ 6,6 × 10-16 eV·s). De ello se extrae, pues, que por un electrón virtual Δt es como máximo 1,3 × 10-21 s.

La interacción con partículas virtuales también explica la pequeña desviación (de aproximadamente el 0,1%) del momento magnético intrínseco del electrón respecto al magnetón de Bohr (el momento dipolar magnético anómalo).75 88 La coincidencia extraordinariamente precisa entre esta diferencia predicha y el valor determinado experimentalmente se considera uno de los grandes éxitos de la electrodinámica cuántica.89

En física clásica, el momento angular y el momento magnético de un objeto dependen de sus dimensiones físicas. Es por ello que el concepto de un electrón sin dimensiones que tenga estas propiedades puede parecer inconsistente. Esta aparente paradoja se puede explicar por la formación de fotones virtuales en el campo eléctrico general para el electrón: estos fotones hacen que el electrón haga un movimiento de vibración ultrarrápido (lo que se conoce como «zitterbewegung»),90 que tiene resultado un movimiento circular limpio con precesión. Este movimiento es el que produce el espín y el momento magnético del electrón.14 91 En los átomos, esta creación de fotones virtuales explica el desplazamiento de Lamb que se observa en las líneas espectrales.

Interacción

Animación que muestra dos átomos de oxígeno fusionándose para formar una molécula de O2 en su estado cuántico fundamental. Las nubes de color representan los orbitales atómicos. Los orbitales 2s y 2p de cada átomo se combinan para formar los orbitales σ y π de la molécula, que la mantienen unida. Los orbitales 1s, más interiores, no se combinan y permiten distinguir a cada núcleo.

NEUTRON

Se encuentra en el núcleo. Su masa es casi igual que la del protón. No posee carga eléctrica.

El concepto de partícula elemental es hoy algo más oscuro debido a la existencia de cuasi partículas que si bien no pueden ser detectadas por un detector constituyen estados cuánticos cuya descripción fenomenológica es muy similar a la de una partícula real.

El neutrón es una partícula subatómica, un nucleón, sin carga neta, presente en el núcleo atómico de prácticamente todos los átomos, excepto el protio. Aunque se dice que el neutrón no tiene carga, en realidad está compuesto por tres partículas fundamentales cargadas llamadas quarks, cuyas cargas sumadas son cero. Por tanto, el neutrón es un barión neutro compuesto por dos quarks de tipo abajo, y un quark de tipo arriba.

Fuera del núcleo atómico, los neutrones son inestables, teniendo una vida media de 15 minutos (885,7 ± 0,8 s);2 cada neutrón libre se descompone en un electrón, un antineutrino y un protón. Su masa es muy similar a la del protón, aunque ligeramente mayor.

El neutrón es necesario para la estabilidad de casi todos los núcleos atómicos, a excepción del isótopo hidrógeno-1. La interacción nuclear fuerte es responsable de mantenerlos estables en los núcleos atómicos.

Historia

Fue descubierto por James Chadwick en el año de 1932. Se localiza en el núcleo del átomo. Antes de ser descubierto el neutrón, se creía que un núcleo de número de masa A (es decir, de masa casi A veces la del protón) y carga Z veces la del protón, estaba formada por A protones y A-Z electrones. Pero existen varias razones por las que un núcleo no puede contener electrones. Un electrón solamente podría encerrarse en un espacio de las dimensiones de un núcleo atómico (10-12 cm) si fuese atraído por el núcleo mediante una fuerza electromagnética muy fuerte e intensa; sin embargo, un campo electromagnético tan potente no puede existir en el núcleo porque llevaría a la producción espontánea de pares de electrones negativos y positivos (positrones). Por otra parte, existe incompatibilidad entre los valores del espin de los núcleos encontrados experimentalmente y los que podrían deducirse de una teoría que los supusiera formados por electrones y protones; en cambio, los

datos experimentales están en perfecto acuerdo con las previsiones teóricas deducidas de la hipótesis de que el núcleo consta sólo de neutrones y protones.

Ernest Rutherford propuso por primera vez la existencia del neutrón en 1920, para tratar de explicar que los núcleos no se desintegrasen por la repulsión electromagnética de los protones.

En el año 1909, en Alemania, Walther Bothe y H. Becker descubrieron que si las partículas alfa del polonio, dotadas de una gran energía, caían sobre materiales livianos, específicamente berilio, boro o litio, se producía una radiación particularmente penetrante. En un primer momento se pensó que eran rayos gamma, aunque éstos eran más penetrantes que todos los rayos gammas hasta ese entonces conocidos, y los detalles de los resultados experimentales eran difíciles de interpretar sobre estas bases.

En 1924, fue presentada la existencia de un elemento neutro por el físico Louis de Broglie, en la Academia de Ciencias de París.

Ese mismo año, el peruano Santiago Antúnez de Mayolo durante el III Congreso Científico Panamericano presenta la ponencia Hipótesis sobre la constitución de la materia, en la que predijo la existencia de un elemento neutro dentro del átomo. Cabe resaltar al respecto, que en la actualidad en ninguna obra especializada sobre el neutrón se menciona la predicción de Antúnez de Mayolo, ni siquiera en Historia del Neutrón de Donald J. Hughes.

En 1930, Viktor Ambartsumian y Dmitri Ivanenko en la URSS encontró que, contrariamente a la opinión dominante de la época, el núcleo no puede consistir en protones y electrones. Se comprobó que algunas partículas neutras deben estar presentes además de los protones.

En 1932, en París, Irène Joliot-Curie y Frédéric Joliot mostraron que esta radiación desconocida, al golpear parafina u otros compuestos que contenían hidrógeno, producía protones a una alta energía. Eso no era inconsistente con la suposición de que eran rayos gammas de la radiación, pero un detallado análisis cuantitativo de los datos hizo difícil conciliar la ya mencionada hipótesis.

Finalmente (a finales de 1932) el físico inglés James Chadwick, en Inglaterra, realizó una serie de experimentos de los que obtuvo unos resultados que no concordaban con los que predecían las fórmulas físicas: la energía producida por la radiación era muy superior y en los choques no se conservaba el momento. Para

explicar tales resultados, era necesario optar por una de las siguientes hipótesis: o bien se aceptaba la no conservación del momento en las colisiones o se afirmaba la naturaleza corpuscular de la radiación. Como la primera hipótesis contradecía las leyes de la física, se prefirió la segunda. Con ésta, los resultados obtenidos quedaban explicados pero era necesario aceptar que las partículas que formaban la radiación no tenían carga eléctrica. Tales partículas tenían una masa muy semejante a la del protón, pero sin carga eléctrica, por lo que se pensó que eran el resultado de la unión de un protón y un electrón formando una especie de dipolo eléctrico. Posteriores experimentos descartaron la idea del dipolo y se conoció la naturaleza de los neutrones.

Propiedades

El neutrón es una partícula eléctricamente neutra, de masa 1.838,4 veces mayor que la del electrón y 1,00137 veces la del protón; juntamente con los protones, los neutrones son los constitutivos fundamentales del núcleo atómico y se les considera como dos formas de una misma partícula: el nucleón.

El número de neutrones en un núcleo estable es constante, pero un neutrón libre, es decir, fuera del núcleo, se desintegra con una vida media de unos 1000 segundos, dando lugar a un protón, un electrón y un antineutrino. En un núcleo estable, por el contrario, el electrón emitido no tiene la energía suficiente para vencer la atracción coulombiana del núcleo y los neutrones no se desintegran. La fuente de neutrones de mayor intensidad disponible hoy día es el reactor nuclear. El neutrón tiene carga neutra.

Fisión nuclear

El proceso fundamental que conduce a la producción de energía nuclear es la fisión de un núcleo de uranio originado por un neutrón: en la fisión el núcleo se escinde en dos partes y alrededor de tres neutrones por término medio (neutrones rápidos); los fragmentos resultantes de la escisión emiten, además otros neutrones.

Conclusión:

xc