|
1. Un poco de Historia 2. El descubrimiento del electron como particula elemental 3. La revolucion cuantica de Max planck 4. La Fisica Nuclear 5. El descubrimiento del nucleo Atomico 6. La Espectroscopia de los Atomos 7. La antigua teoria Cuantica de Niels Bohr 8. La nueva Teoria Cuantica de Schrodinger y de Broglie 9. El Spin de las particulas 10. El Principio de Incertidumbre 11. La Fisica Cuantica Relativista y la Anti-Materia 12. El Neutrino 13. El Neutron 14. Las 4 fuerzas que existen en la Naturaleza 15. Particulas propagadoras de las fuerzas 16. Las ecuaciones que rigen a cada interaccion 17. El Principio Variacional o Principio de la Minima Accion 18. Los Diagramas de Feynman 19. 4 niveles en la estructura del mundo microscopico 20. El Meson, propagador de la fuerza nuclear 21. Clasificacion de las particulas elementales 22. La Electrodinamica Cuantica 23. Los Principios de Invariancia y las Leyes de Conservacion 24. Las Resonancias 25. Las Particulas Extrañas 26. La teoria de los Quarks 27. Bosones y Fermiones 28. Las Simetrias y las Leyes de Invariancia 29. La Ruptura de una Simetria 30. La Cromodinamica Cuantica 31. Las Teorias Normadas 32. Las Teorias Unificadas de las Fuerzas de la Naturaleza 33. La Particula-Campo de Higgs 34. El Modelo Estandar, que unifica a 3 Fuerzas 35. Herramientas Experimentales 36. Mas alla del Modelo Estandar 37. Las Teorias de Kaluza y de Klein 38. La SuperSimetria y la Supergravedad 39. Los Aceleradores de Particulas 40. Tipos de Aceleradores 41. La Teoria de la Gravitacion, debida a Albert Einstein 42. Conexión con la Astrofisica y con la Cosmologia 43. El Principio Antropico 44. La Teoria de las Supercuerdas 45. Interrogantes y tendencias futuras
Apendices 1. El principio de la Minima Accion en la Naturaleza 2. Aplicaciones Tecnologicas de la Fisica de Particulas
"Es sorprendente que a pesar de la complejidad del mundo, podemos descubrir en sus fenomenos determinada regularidad": Erwin Schrodinger
La busqueda de las componentes ultimas de la materia
<<Entre las muchas maneras de ver y de valorar al mundo, destacan 2 grandes visiones: una considera la unidad de todas las cosas, la cohesion ultima del universo... la otra divide, fracciona, subdivide: percibe la variedad, la multiplicidad de aquello que los filosofos llaman "los entes" En la amplia realidad, la primera vision advierte, sin olvidar las diferencias, la coherencia del universo, su consistencia profunda y recia, y acaso por eso mismo descubre un sentido en todo lo existente. La otra vision discierne en lo que hay, sin descuidar las relaciones y las interdependencias, lo diverso del Cosmos y sus manifestaciones.>> La
busqueda de los componentes finales de la materia
UN POCO DE HISTORIA El concepto de particula elemental se remonta al concepto de atomo, desarrollado por algunos filosofos griegos, y tiene que ver con la preguntas: ¿de que esta hecho el mundo ?, ¿que lo mantiene unido ? ¿cual es la naturaleza ultima de la materia ? ¿ tiene un limite su divisibilidad ? y este concepto esta relacionado con la naturaleza del espacio, de la masa y con la naturaleza del tiempo y del movimiento, todos estos temas los resuelve, hasta cierto grado, la Fisica de las Particulas Elementales, (siglas F P E), que se desarrollo a partir de la Fisica Nuclear, y que indaga en lo mas profundo de la materia, y en los experimentos ha empleado las energias mas grandes que se pueden obtener en los modernos laboratorios de Fisica. A la Fisica de las Particulas Elementales se la llama con frecuencia: Fisica de Altas Energias, Veremos brevemente el desarrollo historico que ha conducido a la misma: Con el surgimiento de la Ciencia Moderna, a partir de Kepler, Galileo, Newton y otros, se fueron Desarrollando los descubrimientos cientificos que son la base de la Ciencia actual. La hipotesis atomica de Prout y Dalton, el descubrimiento del electron y de la radiactividad, el descubrimiento del nucleo de los atomos, la Fisica Cuantica que es el estudio de la estructura del atomo y sus espectros opticos, los aceleradores de particulas y la fisica nuclear el nacimiento de la FPE como continuacion de la fisica nuclear empleando energias mas grandes para estudiar distancias mas pequeñas que los atomos, y las moleculas. Es muy importante el concepto del campo electrico, desarrollado por Miguel Faraday, en sus Investigaciones sobre el electro-magnetismo. Se habla de un Campo porque como en la Teoria del Campo Electromagnetico, que describe la conducta de los fenomenos Electricos y Magneticos, la Teoria Cuantica o Mecanica Cuantica, tambien describe la conducta de los electrones en los atomos, por medio de "funciones de onda". No insistiremos en el aspecto matematico en la presente monografia. Una definicion de lo que es una particula elemental seria, segun el fisico Eugen Wigner: "Una particula es un objeto puntual (sin dimensiones) que se mueve en el espacio-tiempo" La palabra "particula" fue introducida en la Mecanica Newtoniana del siglo 17. Vino una epoca cuando los cientificos comenzaron a creer en los atomos. Las leyes de las combinaciones quimicas surgen de la hipotesis atomica. Una Teoria del Calor que tuvo exito fue establecida por Daniel Bernoulli en 1730; donde reestablecia el concepto de particula como basica en su teoria cinetica de los gases; a pesar de esto, muchos fisicos no creian en la existencia del atomo hasta principios de este siglo XX, hasta que fue evidente analizando el fenomeno del movimiento Browniano: particulas de polen puestas en la superficie de un liquido ejecutaban un movimiento al azar, que fue explicado diciendo que las moleculas del liquido golpean a los granos del polen y le originan ese movimiento. El quimico Prout, en 1813, vio la tendencia de los pesos atomicos a ser casi multiplos enteros del Hidrogeno. Y sugirio que todos los atomos estaban construidos con atomos de hidrogeno. Ahora sabemos que esto es esencialmente correcto, pero su hipotesis tenia sus pros y sus contras. La simplicidad subyaciente que Prout observo, estaba ahi, pero tomo mas de un siglo en tomar raices profundas, hasta 1926 con la Fisica Atomica Cuantica, que veremos adelante. En el terreno de la Quimica, el concepto de atomo se fue precisando para explicar los fenomenos de las reacciones quimicas. La tabla periodica de los elementos quimicos que dio el quimico ruso Mendeleiev era correcta, predecia la existencia de los elementos Escandio, Galio y el Germanio. Los quimicos vieron que las propiedades de los atomos varian sistematica y periodicamente. ¿ no implica estructura el orden ? refiriendonos al orden implicito en la tabla periodica. Esta estructura fue dada por la Fisica Atomica y Nuclear, que se desarrollaron a partir del analisis teorico y experimental de los espectros opticos de los elementos y de la llamada "radiacion del cuerpo negro", que es una cavidad calentada a muy altas temperaturas. El gran descubrimiento fue la explicacion que dio Max Planck a este fenomeno: la radiacion electromagnetica proveniente de dicho "cuerpo negro", es emitida en "paquetes discretos" llamados "Cuantos de Energia", asi nace la Fisica Cuantica, en 1900. Este concepto, en la moderna teoria Cuantica, debe ser precisado: se habla de una dualidad particula-onda: la materia, segun el experimento que se considere, exhibe propiedades de particula o de onda. Una onda seria, por ejemplo, el movimiento de arrastre en la superficie del agua, luego de perturbarla tirando una piedra. La materia no se comporta de la misma manera en el mundo microscopico (cuantico), que en nuestro mundo macroscopico (clasico), algunos fenomenos como cuando una particula atravieza una barrera de potencial, sin tener la energia para hacer ese cruce, o el paso de un electron a traves de una rejilla con dos aberturas, escapan a una visualizacion "clasica". Y todavia son objeto de polemica entre los fisicos y tambien entre los filosofos. Historicamente, lo que se consideraba una particula como un atomo, posteriormente se encontro que tenia una estructura espacial y componentes: protones, electrones, neutrones. asi, lo que ahora se considera una particula, en el futuro, con mayor desarrollo experimental, podria tener una estructura, no ser ya elemental. La teoria mas exitosa en explicar los datos experimentales de las particulas elementales, es la teoria unificada de las 3 fuerzas fisicas, y su derivado: el Modelo Estandar. Este modelo es tan fundamental para la Fisica, como la Tabla Periodica de los Elementos es para la Quimica. El Modelo explica cientos de particulas sub-atomicas y sus propiedades al postular 6 constituyentes basicos llamados Quarks y otras 6 llamadas Leptones, de las cuales toda la materia esta hecha. Sin embargo a pesar de su exito, este Modelo no responde a todas las preguntas, como: ¿ que valores numericos tienen las masas de quarks y de leptones ? y a preguntas mas dificiles como: ¿se debe unificar tambien la fuerza gravitacional ? ¿cual es el origen de las cargas electricas ? ¿ esta cuantizado el espacio y el tiempo ?. ¿ es la Naturaleza solo una coincidencia fortuita de atomos ? Del modelo Estandar se derivan las fuerzas nucleares y la fuerza electromagnetica, se clasifican todas las particulas conocidas, en familias o "multipletes". Mas adelante detallaremos este modelo, que fue establecido hasta el año de 1974. Existe una conexion de esta rama de la Fisica, con la Astrofisica y con la Cosmologia: En la teoria de la Gran Explosion: esta la propuso el abate Lemaitre luego que los astronomos encontraron que el Universo se esta expandiendo, extrapolando la expansion al pasado, Lemaitre llego a la conclusion que nuestro universo partio de un atomo primordial, que ocupaba una region pequeñisima del espacio y que por razones que desconocemos aun, este "atomo" exploto y se expandio. La materia despedida a altisima temperatura, se fue enfriando y se fue formando la materia nuclear: nucleos y electrones, y por atraccion gravitacional se formaron las estrellas y las galaxias. Esta teoria es bautizada con el nombre de la Teoria de la Gran Explosion. (Theory of the Big Bang, en ingles) Sin embargo esta teoria tiene sus criticos que le encuentran fallas experimentales. Historicamente, los filosofos griegos anteriores a Socrates, ya especulaban sobre la estructura de la materia y del espacio y el tiempo. Segun el filosofo griego Aristoteles, el espacio esta lleno continuamente: no hay atomos discretos, separados por distancias. en contraste, los atomistas griegos como Democrito, afirmaban la estructura discreta de la materia: atomos no divisibles en componentes menores. Atomo quiere decir en español, que no tiene partes. Rival de Aristoteles en el campo de las Ideas, el filosofo griego Platon tenia ideas mas abstractas. Las ideas de Platon son mas dificiles de interpretar, en cuanto a sus hipotesis, Heisenberg las revalora en la epoca actual, de hecho, este se hizo Fisico por su influencia, en su juventud, Werner Heisenberg, quien fue uno de los principales creadores de la Fisica Cuantica, leyo la obra de Platon titulada El Timeo. Uno de los primeros filosofos atomistas griegos, Leucipo, creia en la continuidad y en la infinita divisibilidad de la materia, no creia en el concepto del atomo como algo sin partes, indivisible Leucipo vivio del año 460 al 370 antes de nuestra era (a.C). Tito Lucrecio Caro, filosofo romano ( 95 - 52 a.C) escribio un libro: De Rerum Natura, donde ampliamente defiende la teoria de que la materia esta hecha de Atomos, este famoso libro influyo mucho en los defensores posteriores de la teoria Atomica, y tiene ideas que son valiosas aun en nuestra epoca del siglo 20. En los siglos 17 y 18, los fisicos atomistas fueron: Newton, Boscovich, y Euler, cuyas ideas estaban en oposicion a las de Rene Descartes y su teoria de los vortices continuos. En 1730, el Suizo John Bernoulli, utilizo la hipotesis atomica para explicar la teoria de los gases: la llamada teoria cinetica de la materia, que James Maxwell y Ludwig Boltzman llevaron a su culminacion a finales del siglo 19. En el campo de la Quimica, los partidarios de la hipotesis atomica fueron John Dalton y William Prout. Despues de Dalton, los atomos eran considerados como solidos rigidos e impenetrables, pocos cientificos consideraban al atomo como siendo elastico, que tuviera movimiento relativo entre sus partes, esta hipotesis fue rechazada como muy complicada y ademas, en choques habria perdidas de nergia por colision, una manera de evitar las consecuencias de la elasticidad, era postular, como lo hizo Boscovich (1711-1787) que los atomos eran meros centros de fuerzas atractivas y repulsivas actuando instantaneamente y que no habia choques entre atomos. Asi los consideraron en epoca posterior, Ampere, Faraday y Cauchy. Pero esta hipotesis de que el atomo era puntual, sin extension pero si tenia masa y era influenciado por varias fuerzas, era inimaginable y complicada. Otro intento para resolver esta dificultad fue la hipotesis de que la particula mas elemental o pequeña era un grupo de atomos llamado Molecula. Habia una confusion al respecto incluso entre los quimicos Avogadro, Regnault y Liebig hasta 1868 el quimico Henry Roscoe dio la definicion: "una molecula es un grupo de atomos que forman la porcion mas pequeña de una substancia quimica, simple o compuesta, que puede ser aislada...una molecula de agua H2O contiene 2 atomos de hidrogeno". El fisico Clerk Maxwell ya uso esta definicion de elementalidad y distinguio los movimientos internos de las moleculas: rotacion y vibracion. La Fisica Nuclear, en el siglo 20, vino a demostrar que los atomos no son elementales, Lord Kelvin, en 1867, con su hipotesis del Atomo-Vortice, imagino un atomo estructurado como un anillo vortical en un fluido, el cual estaba en movimiento rotacional permanente y era indestructible, esta teoria es incorrecta, pero se anticipo al concepto del electron como ondas de materia que giran alrededor del nucleo. En 1897 entre los cientificos se polarizo una polemica respecto a los atomos: lo atomistas que recuperaban las ideas del filosofo griego Democrito respecto los atomos y el vacio, como Ludwig Boltzman y los energeticistas como Wilhelm Ostwald, quien idolizo el Principio de Conservacion de la Energia y consideraba a esta, la Energia, como la realidad ultima. La polemica sobre la existencia de los atomos se resolvio experimentalmente hasta que el fenomeno del Movimiento Browniano, descubierto por el biologo Robert Brown, solo podia ser explicado por medio del movimiento de los atomos. Este fenomeno consiste en el movimiento caotico, al azar, de granos de polen en la superficie de un liquido. Se pudo "fotografiar" a los atomos usando las nuevas tecnicas de los Rayos-X en 1920. Estas fotos mostraban la estructura geometrica de las redes de atomos en los cristales. Y cuando se descubrio a la particula elemental de la electricidad: el Electron, de resolvio el enigma de ¿que es la electricidad?, esta es el movimiento de millones de electrones al traves de los conductores metalicos, impulsados por fuerzas electricas.
EL DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRON COMO PARTICULA ELEMENTAL El establecimiento de la Teoria de la Electricidad y el Magnetismo desde Faraday hasta Maxwell, vino a ser seguido por el descubrimiento del electron. En 1897 John Joseph Thomson descubre el Electron como particula elemental de la electricidad, y midio el cociente (carga electrica / masa mecanica) su experimento consistio en descargas electricas o rayos dentro de tubos de vidrio al vacio. el haz de rayos era desviado por medio de campos electricos y chocaba en una pantalla este rayo era un chorro de electrones acelerados por campos electricos. Thomson noto que el electron debe ser un constituyente del atomo, y que este debe estar unido por fuerzas electricas. Pero, ¿donde residian la masa y la carga electrica?. las respuestas a estas preguntas la dio el fisico Neozelandes Ernest Rutherford. En 1901, el holandes Anton Lorentz amplio la Teoria Electromagnetica de Maxwell-Hertz para acomodar en esta, al electron, la cual es una particula discreta, en contraposicion a los campos elctricos y magneticos, que si son continuos. Es el problema Particula-Campo, sin resolver aun. (discreta en el sentido que la electricidad no es un flujo continuo, como el agua de un rio) Lorentz tambien intento estudiar la estructura del electron, pero su intento resulto infructuoso, y aun hoy, este problema esta sin resolver en forma completa. Se da por hecho que el electron es una particula puntual, sin dimensiones, pero experimentos futuros usando aceleradores mas energeticos, podrian implicar que tiene alguna estructura. En 1895, Konrad Roentgen descubrio la radiacion bautizada como rayos-X, y cuya naturaleza era un enigma, luego identificada a ser radiacion electromagnetica de alta energia (tiene mayor energia que la luz visible que tambien es radiacion) en 1896 el frances Henri Becquerel descubrio que los compuestos del elemento quimico Uranio, emitian radiaciones similares,en algunos aspectos, a las descubiertas por Roentgen, podian atravezar placas de aluminio y carton pero podian ser refractados y polarizados, como la luz visible. en 1900, Maria Sklodowska y Pierre Curie, Rutherford, William Crookes, Frederic Soddy trabajaban en este problema de las radiaciones, y mostraron que varios elementos quimicos son radiactivos, entre ellos el Uranio, y descubrieron otros como el Polonio, el Thorio, etc. en 1903 Rutherford y Soddy establecieron la hipotesis de la teoria de la transformacion segun la cual atomos de ciertos elementos, ejecutan transformaciones espontaneas con la subsequente emision de radiaciones, y demostraron que las energias de estas, son mucho mas grandes que las energias caracteristicas de las reacciones quimicas. Esto demostro que los atomos ya no eran particulas elementales. Rutherford mostro que las radiaciones eran de 3 tipos, llamandolas, alfa, beta y gamma las particulas alfa, tenian carga electrica positiva, 2 veces la carga del electron y eran iones del elemento Helio (un ion es un atomo el cual ha perdido uno, o varios electrones) las particulas beta, eran electrones con alta velocidad, y los rayos gamma, eran rayos X de mucha mayor energia, y menor longitud de onda. Entonces, los Fisicos y Quimicos se plantearon la pregunta: ¿ porque radian algunos atomos de los elementos quimicos ? La respuesta es que debe existir otra fuerza en la naturaleza, que ocasiona que los componentes del nucleo de un atomo, se mantengan unidos, esta fuerza debia de ser de atraccion entre los nucleones (o componentes del nucleo), tal que los mantiene fuertemente amarrados para estructurar a los nucleos. Y esta fuerza de amarre debe ser tal que venza la repulsion electrica entre particulas, protones, que constituyen los nucleos y que tienen la misma carga electrica (positiva). LA REVOLUCION CUANTICA DE MAX PLANCK Los descubrimientos anteriores causaron una crisis conceptual en la Fisica del siglo XIX: la Fisica, llamada "Clasica": Mecanica Newtoniana, Electromagnetismo, Fisica Estadistica, no explicaba los nuevos hechos experimentales de las radiaciones recien descubiertas, entre las que estaba la ley de la radiacion del ¨"cuerpo negro". Y de donde venia la enorme energia de los rayos-X y de las radiaciones. Einstein en su famoso trabajo sobre la Relatividad Especial, de 1905, menciono en un parrafo, que la formula E = mc2, podria explicar la energia de tales radiaciones. En 1900, el fisico aleman Max Planck explico el fenomeno de la radiacion del "cuerpo negro" con su teoria del Quantum de Accion, en la cual la emision o absorcion de radiacion por los atomos ocurre en cantidades discretas llamadas Cuantos (del latin Quanta) o Cuantos de energia. Planck postulo la ecuacion E = h f, donde E es la energia del Cuanto de radiacion emitido, f es la frecuencia de la radiacion emitida y h es una nueva constante de la naturaleza, bautizada como la constante de Accion, de Planck (en honor a su descubridor), y su valor medido en los experimentos, es de 0.00000000000000000000000000667 es una constante universal demasiado pequeña, (en unidades cgs: centimetro, gramo, segundo) Estos "cuantos" vienen siendo las particulas elementales de la radiacion. En 1905, Albert Einstein propone el concepto del Foton, como la particula elemental de que esta formada la luz y todo tipo de radiacion electromagnetica. lo que hizo Einstein, fue extender la hipotesis cuantica de Planck y aplicarla a la Radiacion entonces, cuando un cuerpo calentado emite radiacion, esta consiste de Fotones discretos, no de radiacion continua, esta serie de ideas teoricas puso en crisis conceptual a las teorias "clasicas" : Mecanica Newtoniana, Electrodinamica. El foton no tiene carga electrica, ni masa mecanica y su vida media es estable, lo que quiere decir que no se desintegra en otras sub-particulas.
LA FISICA NUCLEAR Esta nueva rama de la Fisica, sintetizo y puso bases teoricas a los descubrimientos de Maria y Pierre Curie, Roentgen, Becquerel, y es la antecesora de la Fisica de Particulas. En su desarrollo, se descubrieron 3 tipos de radiaciones emitidas por los nucleos: ¿de donde salia la energia que portaban estas radiaciones?, era un misterio cientifico, incluso no se tenia idea de la peligrosidad de estas, posteriormente se inventaron las tecnicas de proteccion contra la radiacion que se usan hasta ahora. RADIACION ALFA, que son un agregado de 2 protones y 2 neutrones, o sea, nucleos del elemento Helio, emitidos debido a las fuerzas de repulsion electrica entre protones. RADIACION BETA, que esta formada por electrones emitidos por los nucleos de los atomos este tipo de radiacion se vino a entender hasta que Enrico Fermi dio su teoria del decaimiento beta, que veremos adelante. RADIACION GAMMA, que es radiacion electromagnetica de muy alta energia, la mas alta que se conoce, el extremo superior del espectro de radiaciones electromagneticas, el cual consta de las bandas: ondas de radio, radiacion infrarroja, luz visible ( del rojo hasta el color violeta), radiacion ultravioleta, rayos-X, rayos gamma. EL DESCUBRIMIENTO DEL NUCLEO ATOMICO En 1904 habian varios modelos teoricos que intentaban explicar la estructura de la materia y los fenomenos recien descubiertos: radioactividad, rayos-X, unos no tenian exito para predecir los experimentos. Otros como el del japones Nagaoka, era un atomo estructurado como un sistema planetario en 1911, Ernest Rutherford proporciono una solida base experimental para esta teoria formulo la hipotesis de que toda la carga positiva y la masa estaban concentradas en un pequeño volumen en el centro del atomo, al que llamo nucleo. El nucleo estaba rodeado por Z electrones girando alrededor del mismo. La atraccion electrica entre el nucleo positivo y los electrones, de carga negativa, mantenia unido al atomo. Encontro una formula, para calcular la dispersion de las particulas disparadas contra los nucleos es la llamada "seccion eficaz de colision", que se mide en los aceleradores. al numero Z lo llamaron Numero Atomico y es caracteristico de la naturaleza quimica del blanco representa la carga electrica del nucleo medida en unidades iguales a la carga del electron, pero de signo opuesto, para el Hidrogeno Z = 1, para el Helio Z = 2, etc. Este descubrimiento arrojo nueva luz sobre la definicion de los elementos quimicos, a cada elemento se le asocia ahora, un numero entero Z. Cuando Mendeleiev desarrollo su tabla periodica de los elementos, en 1869, los ordeno segun su peso atomico. Ahora el modelo nuclear revelaba que el numero atomico, y no el peso, es lo que cuenta. Este numero atomico se mide emplendo Rayos-X, metodo que desarrollaron W Barkla y H Moseley En 1914 Rutherford sintetizo sus investigaciones en un articulo titulado "la estructura del atomo" y en 1919, tuvo exito en producir la desintegracion artificial de un atomo: un atomo de Nitrogeno se transforma en otro distinto: el sueño de los Alquimistas medievales en forma moderna. A este descubrimiento se le considera el inicio de la Fisica Nuclear. ¿Que fuerzas son responsables de los fenomenos nucleares? ¿son de origen electrico? los experimentos con dispersion de particulas alfa por nucleos ligeros, indicaban que estaban involucradas fuerzas no-electricas en distancias menores que 0.000000000001 cm. pero faltaba informacion mas detallada, era importante identificar a las particulas fundamentales que eran los "ladrillos" de los nucleos. Hasta 1932 se conocian 2 particulas: el proton y electron. Se creia que existian electrones dentro de los nucleos pero esto era incompatible con los resultados de la Fisica Cuantica. Este año, el fisico ingles James Chadwick decubrio el neutron, una particula sin carga electrica, y con una masa mayor que la del proton; su descubrimiento aclaro muchos detalles que no eran bien entendidos, se interpretaron completamente varias propiedades de los nucleos. A fines de 1932, Heisenberg propuso que los componentes nucleares son los protones y los neutrones: un nucleo tiene Z protones y un numero mayor de neutrones N; el numero de masa es A = N + Z, que viene siendo el numero total de componentes del nucleo, El proton tiene una masa 1836 veces mayor que la del electron. Aqui la analogia con el sistema solar es interesante: tambien nuestro Sol es mucho mas pesado que sus planetas. sin embargo la Fisica Nuclear no daba respuesta a preguntas basicas como: ? por que tienen estos valores numericos las masas ? ?porque tienen la misma carga electrica, aunque de signo opuesto?. Son unos problemas que todavia hoy no se resuelven. Al resolver un problema, se generan otros, mas dificiles y profundos. Con el descubrimiento de nuevas particulas, mesones e hyperones, cuyo papel en la estructura nuclear era obscuro, condujo a los fisicos nucleares a dirigir sus investigaciones en este nuevo territorio por explorar: el de las particulas fundamentales. En la teoria del decaimiento beta, no ajustaban los numeros, el balance de las energias no coincidia, lo que incluso llevo a Bohr a creer que no se conservaba la energia en este fenomeno. En 1930, Pauli propuso la existencia del Neutrino para explicar el decaimiento beta, y hacer que ajustaran los numeros, el neutrino portaba la energia faltante. Y hasta 1933, el italiano Enrico Fermi produjo una teoria formal de este decaimiento, como un ejercicio de aplicacion de los "operadores de creacion y aniquilacion" de la fisica Cuantica, en la representacion de la llamada "segunda cuantizacion". A los lectores de este ensayo que tengan interes por el aspecto matematico: este formalismo matematico de la fisica cuantica que explica los fenomenos atomicos y nucleares es muy complicado: la ecuacion clasica de Newton tiene derivadas totales, la ecuacion que describe al atomo incluye derivadas parciales, y luego, la fisica cuantica relativista, incluyo matrices y "espinores", y los operadores "de creacion". La teoria de Fermi introdujo una 4a. fuerza: la fuerza nuclear-debil , y era una teoria "Lagrangiana", (veremos adelante que significa "Lagrangiana") y asi comienza a desarrollarse la Fisica de Particulas como una especializacion dentro de la Fisica Nuclear, para explicar la estructura de los nucleones, las reacciones entre los mismos, y la naturaleza de las 4 fuerzas. DATOS NUMERICOS La masa de un proton es tan pequeña como: 0.000000000000000000000001 gramos El estudio de la estructura de los nucleos centrales de todos los elementos quimicos, del hidrogeno, helio, litio, hasta los mas pesados: plomo, oro, plata, uranio, plutonio etc los experimentos llevados a cabo con particulas que bombardean a los nucleos, le permitio a Rutherford calcular los radios de los nucleos, que son del orden de: 0.0000000000001 centimetros; o sea, el nucleo es 100,000 veces mas pequeño que un atomo. Fue hasta 1911, que el americano Robert Millikan midio exactamente la carga electrica del electron: simbolizada por la letra e, esto permitio calcular su masa, de la relacion e / m. la masa es de 0.00000000000000000000000000000091 kilogramos la carga electrica es de 0.00000000000000000016 Coulombs (en unidades M K S, metro, kilogramo, segundo) LA ESPECTROSCOPIA DE LOS ATOMOS Los fisicos especializados en la Optica, o ciencia de la luz, habian descubierto que los gases calentados, cuando se analiza la luz que desprenden se observa que emiten una serie discreta de lineas de diversos colores, dependiendo del elemento quimico que forma al gas. Por Espectroscopia se entiende el estudio de estas lineas de colores, determinar sus parametros fisicos: la frecuencia y la longitud de la onda de los atomos, cuando son excitados y emiten un "espectro" de lineas luminosas de ciertos colores caracteristicos para cada atomo se estudian estas lineas por metodos Opticos, y se determinan sus longitudes de onda y sus frecuencias. (la palabra Spec, en latin, significa "mancha") Esta rama fue desarollada por los fisicos suecos Anders Angstrom en 1868, y Johannes Rydberg en 1890, entre los principales. Rydberg, dio una formula algebraica que relaciona las frecuencias con numero enteros, pero no explico, teoricamente, su origen, esto lo hizo Niels Bohr, veremos. Pero este fenomeno fisico era un enigma, ¿porque es vista una serie discreta de lineas de colores y no una banda continua de colores, desde el rojo hasta el violeta?. LA ANTIGUA TEORIA CUANTICA DE NIELS BOHR En 1911, el fisico Danes Niels Bohr, por fin explico los espectros luminosos de los atomos, Bohr postulo que los electrones del atomo giran en orbitas circulares discretas alrededor de los nucleos y emiten radiacion solo cuando saltan de una orbita a otra, o sea, las orbitas estan cuantizadas, no es como en Astronomia, donde un planeta podria ocupar cualquier orbita alrededor del sol, dependiendo de su energia. Ahora, en el atomo, las orbitas estan dadas por una serie infinita, pero discreta. Entre 2 orbitas contiguas no puede existir otra orbita intermedia. Bohr dedujo teoricamente la formula de Rydberg. Este concepto de la cuantizacion de las orbitas de los electrones revoluciono a la Fisica, pero solo explicaba los espectros del Hidrogeno y del Helio, pero no los de los atomos mas pesados como el Berilio, oxigeno,carbono, etc. En su teoria, el atomo mas pequeño, el Hidrogeno, mide 0.000000005 centimetros; o sea, en una longitud de 1 centimetro, se podrian poner, en hilera, 200 millones de atomos de Hidrogeno. Esta pequeñez de los atomos explica el enorme numero de Avogadro: 600,000,000,000,000,000,000,000 de atomos en un centimetro cubico de materia. LA NUEVA TEORIA CUANTICA DE SCHRODINGER Y BROGLIE A pesar de su exito, la teoria Cuantica de Bohr dejaba incognitas conceptuales que solo se resolvieron cuando el frances Luis de Broglie, postulo la existencia de ondas de materia: cada particula, como el electron, tiene asociado un movimiento ondulatorio u onda, cuya longitud de onda l, es inversamente proporcional al impulso mecanico p = m.v = h / l con constante de proporcionalidad la constante de Accion, h, de Planck. Este postulado, sobre la existencia de Ondas de materia, es un tema muy polemico, que ha dividido la opinion de los fisicos, es de importancia central porque implica la pregunta: ?es la materia, a nivel atomico-nuclear, ondulatoria o son particulas puntuales? Broglie escribio sobre como llego a establecer su revolucionaria hipotesis ondulatoria: si Einstein consideraba la radiacion del cuerpo negro a estar formada por fotones-particulas, ?porque no podria ser que las particulas de materia fueran ondas ? Si la materia microscopica, atomica, son ondas, segun Broglie, debe existir una ecuacion de onda que describa la conducta fisica de tales ondas. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||