Descubriendo las partculas subatmicas

La materia de todo el universo est compuesta por unas pequeas partculas llamadas tomos. En un principio se entenda que esta partcula era el componente ms pequeo de la materia, por lo que era indivisible. Este concepto fue expresado por Demcrito, filsofo y matemtico griego del siglo V a.C. Pero por las limitaciones de la poca, este argumento no pudo ser probado. Muchos siglos ms tarde, especficamente en el sigloXIX, y gracias a los avances tecnolgicos se comenz a estudiar al tomo ms seriamente, descubrindose que no es la partcula ms pequea de la materia, sino que tiene unas partculas subatmicas llamadas: electrones, protones y neutrones, aunque se han descubierto y se siguen descubriendo otros tipos de partculas subatmicas. Estos descubrimientos propiciaron el surgimiento de la teora atmica y el comienzo de la era nuclear.

Quin descubri las partculas subatmicas?El electrn

Tubo de rayos catdicos

Antes del 1897, todava se crea en la indivisibilidad del tomo, cuandoJ.J. Thomsondescubri el electrn mediante su experimento con el tubo de rayos catdicos. El tubo de rayos catdicos, utilizado por el cientfico, era un recipientede vidriocerrado, en el cual los dos electrodos estaban separados por un vaco. Cuando se aplicaba un campo elctrico al tubo, los rayos se desviaban, haciendo deducir a Thomsonque estaban compuestos por partculas cargadas negativamente, a las cuales llam "corpsculos", que ms tarde fueron denominadas como electrones.

El protnErnest Rutherfordpropuso el modelo planetario del tomo al descubrir mediante sus experimentos que la mayor parte de la masa y de la carga positiva del tomo, deba estar concentrada en una pequea fraccin de su volumen. El cientfico supuso que esa pequea fraccin deba estar en el mismo centro. Estas deducciones de Rutherford surgen cuando Hans Geiger y Ernest Marsden bombardearon partculas alfa a travs de una fina lmina de oro. Se esperaba que estas partculas atravesaran la lmina de oro sin desviarse, o que fueran absorbidas. Sorpresivamente observaron, que una pequea fraccin de las partculas alfa sufri una fuerte desviacin, dndole la idea a Rutherford de que el comportamiento de los tomos es similar a nuestro sistema solar.

En el 1918, mediante el bombardeo del gas nitrgeno con partculas alfa, Rutherford logr partir el ncleo del tomo, observando que el gas emita ncleos de hidrgeno. El cientfico lleg a la conclusin de que los ncleos de hidrgeno tenan una singularidad, eran los constituyentes bsicos de todos los ncleos atmicos. De esta forma se haba descubierto el protn. Las siguientes experimentaciones de Rutherford mostraron que la masa nuclear de la mayora de los tomos superaba a la de los protones que tena, por lo que el cientfico supuso que deba existir otra partcula sin carga que justificara el exceso de masa del tomo. Estas partculas descubiertas ms tarde fueron llamadas neutrones.

El neutrn

Composicin de un tomo

La tercera partcula constituyente de los tomos, el neutrn, no fue descubierta hasta el 1932.El fsico inglsJames Chadwickobservando el comportamiento de los tomos al ser bombardeados por partculas alfa, not un incremento en la masa del nuevo ncleo. Durante el bombardeo ocurra una emisin de radiacin compuesta por partculas de masa aproximadamente igual a la del protn, pero con carga elctrica nula. Chadwick lleg a esa conclusin al darse cuenta que las partculas alfa no eran desviadas por los campos elctricos y que eran capaces de penetrar y dividir el ncleo de los elementos ms pesados.

Por tal razn, Chadwick entendi que haba encontrado una partcula totalmente nueva hasta ese entonces. La partcula no posea carga elctrica, ya que una partcula sin carga no produce ionizacin y, por lo tanto, no condensa gotitas de agua. Esta nueva partcula presentaba aproximadamente la misma masa del protn, pero no tena ninguna carga elctrica, en otras palabras, era elctricamente neutra, por lo que se le llam neutrn. La nueva partcula solucion al instante ciertas dudas que los fsicos tericos haban mantenido acerca del modelo de ncleo protn-electrn. De esta forma, con el descubrimiento de Chadwick, se facilit la manipulacin atmica e hizo posible la fisin nuclear del uranio 235, propiciando as, la creacin de la bomba atmica.

La energa nuclear para el hombreEl descubrimiento del neutrn fue el inicio de la era nuclear.La constatacin de la existencia de electrones, protones y neutrones como partculas constituyentes de los tomos de los elementos conocidos, abri nuevos horizontes a la interpretacin sobre la condicin de la materia y la energa, y auspici un extraordinario desarrollo de la fsica, la qumica y la tecnologa.

Explosin nuclear

El conocimiento obtenido de las partculas subatmicas cambi el curso del mundo, fue el inicio de la era nuclear. Estos descubrimientos fueron el prembulo de la bomba atmica, la cual en un momento de nuestra historia fue necesaria para terminar una de las guerras ms sangrientas que ha vivido el ser humano, la Segunda Guerra Mundial. A pesar del uso que en ese momento se le di al conocimiento nuclear, tambin ha tenido un uso importante en la generacin de energa, ya que la energa obtenida por elementos radiactivos es muy superior a la obtenida por combustibles fsiles como el petrleo. La diferencia est, en que la energa nuclear es ms peligrosa de manejar.

Caractersticas

ElModelo Estndarde partculas elementales: 12fermiones fundamentales y 4bosonesfundamentales. Por favor, ntese que las masas de algunas partculas son sujetas a evaluaciones peridicas por la comunidad cientfica. Los valores actuales reflejados en este grfico son de 2008 y puede que no hayan sido ajustadas desde ese momento. Para el ltimo consenso, por favor visitar elParticle Data Group.ClasificacinEn elmodelo estndar de fsica de partculas, los electrones pertenecen al grupo de partculas subatmicas llamadoleptones, que se cree que son las partculas elementales fundamentales. Los electrones tienen la masa ms pequea de cualquier leptn con carga (y tambin de cualquier partcula cargada de cualquier tipo) y pertenecen a la primerageneracinde partculas fundamentales.69La segunda y tercera generaciones contienen leptones cargados elmuony eltau que son idnticos al electrn en cuanto a la carga, el espn y las interacciones, pero tienen ms masa. Los leptones difieren de los otros constituyentes bsicos de la materia, losquarks, por su falta deinteraccin fuerte. Todos los miembros del grupo de los leptones sonfermiones, porque todos ellos tienen un espn semientero; puesto que el electrn tiene un espn de 1/2.70Propiedades fundamentalesLa masa invariante de un electrn es aproximadamente de9.109 10-31kg o,71equivalentemente, de 5.489 10-4uma. Segn elprincipio de equivalencia masa-energade Einstein, esta masa corresponde a una energa en reposo de 0,511MeV. La proporcin entre la masa de unprotny la de un electrn es aproximadamente de 1836 a 1.1372Medidas astronmicas demuestran que la proporcin entre las masas del protn y el electrn han mantenido el mismo valor durante, al menos, la mitad de laedad del universo, tal como predice el modelo estndar.73El electrn tiene una carga elctrica de -1,602 10-19coulomb;71esta carga se utiliza como unidad estndar de carga de laspartculas subatmicas. Dentro de los lmites de la precisin experimental, la carga del electrn es idntica a la del protn pero con el signo opuesto.74Como el smbolo 'e' se utiliza para lacarga elemental, el electrn se suele simbolizar por e-(el smbolo - indica la carga negativa). Elpositrnse simboliza por e+porque tiene las mismas propiedades que el electrn pero carga positiva.7071El espn (momento angular intrnseco) del electrn es de 1/2.71Esta propiedad se suele indicar, refirindose al electrn, como una partculaespn -1/2.70Para este tipo de partculas, la magnitud de espn es 3/2 ,nota 3y el resultado de la medida de laproyeccindel espn sobre cualquier eje slo puede ser /2. De forma adicional al espn, el electrn tiene un momento magntico a lo largo de su eje7175nota 4que es aproximadamente unmagnetn de Bohr, el cual es una constante fsica que equivale a 9,27400915 (23) 10-24joulesportesla.71La orientacin del espn respecto al momento del electrn define la propiedad de las partculas elementales conocida comohelicidad.76El electrn no tiene ninguna subestructura conocida. Es por ello que se define como unapartcula puntualconcarga puntualy sin extensin espacial. Si se observa un solo electrn mediante unatrampa de penningse puede ver que el lmite superior del radio de la partcula es de 10-22metros. Existe una constante fsica llamadaradio clsico del electrn, de un valor mucho mayor (2,8179 10-15m); sin embargo, la terminologa proviene de un clculo simplificado que ignora los efectos de lamecnica cuntica. En realidad, el llamado radio clsico del electrn tiene poco que ver con la estructura fundamental verdadera de esta partcula.77nota 5Hay partculas elementales que se desintegran espontneamente en partculas menos masivas. Un ejemplo es elmuon, el cual se desintegra en un electrn, unneutrinoy unantineutrino, y que tiene unavida mediade 2,2 10-6segundos. Sin embargo, se cree que el electrn es estable en terrenos tericos: el electrn es la partcula de menos masa con una carga elctrica diferente de cero, por lo que su desintegracin violara laconservacin de carga.78El lmite inferior experimental de la vida media de un electrn es de 4,6 1026aos, con unintervalo de confianzadel 90%.7980

Propiedades cunticasComo todas las partculas, los electrones pueden actuar como ondas: esto se llamadualidad onda-partcula, y se puede demostrar utilizando elexperimento de la doble rendija. La naturaleza similar a la de una onda del electrn le permite pasar a travs de dos rendijas paralelas de manera simultnea y no slo a travs de una, como sera el caso de una partcula clsica. En mecnica cuntica, la propiedad similar a la onda de una partcula puede describirse matemticamente como una funcin compleja, lafuncin de onda, que se suele denotar por la letra griega psi (). Cuando el valor absoluto de esta funcin se eleva al cuadrado se obtiene la probabilidad de que una partcula sea observada cerca de una localizacin (densidad de probabilidad).81.Los electrones sonpartculas idnticasporque no se pueden distinguir el uno del otro a partir de sus propiedades fsicas intrnsecas. En mecnica cuntica, esto significa que un par de electrones que interaccionan deben ser capaces de intercambiar sus posiciones sin que se produzca un cambio observable en el estado del sistema. La funcin de onda de losfermionesgrupo dentro del que se incluyen los electrones esantisimtrica, lo que significa que cambia de signo cuando se intercambian dos electrones, es decir: (r1, r2) =- (r2, r1) (donde las variablesr1 yr2 corresponden al primer y segundo electrn, respectivamente). Como el valor absoluto no resulta modificado cuando se cambia el signo, esto corresponde a probabilidades iguales. A diferencia de los fermiones, losbosonestales como elfotn tienen funciones de onda simtricas.81En caso de antisimetra, las soluciones de la ecuacin de onda para electrones que interaccionan resultan en una probabilidad cero de que cada par pueda ocupar la misma localizacin (o estado). Elprincipio de exclusin de Paulise basa en eso: descarta que cualesquiera dos electrones puedan ocupar el mismoestado cuntico. Al mismo tiempo, este principio tambin explica muchas de las propiedades de los electrones: por ejemplo, que grupos de electrones enlazados ocupen diferentes orbitales de un tomo en lugar de sobreponerse unos a otros en la misma rbita.81

Partculas virtualesLos fsicos creen que el espacio vaco podra estar creando de manera continua pares de partculas virtuales tales como un positrn y un electrn que seaniquilanrpidamente la una con la otra.82La combinacin de la variacin de energa necesaria para crear estas partculas y el tiempo durante el cual existen caen dentro del lmite de detectabilidad que expresa elprincipio de incertidumbre de Heisenberg, E t : la energa que se necesita para crear estas partculas virtuales (E) se puede sacar del vaco durante un periodo de tiempo (t) de tal manera que su producto no sea ms elevado que laconstante de Planckreducida ( 6,6 10-16eVs). De ello se extrae, pues, que por un electrn virtual t es como mximo 1,3 10-21s.83Mientras existe un par virtual electrn-positrn, lafuerza de Coulombdelcampo elctricodel entorno que rodea al electrn hace que el positrn creado sea atrado al electrn original, mientras que un electrn creado experimenta una repulsin. Esto causa lo que se conoce comopolarizacin del vaco. El vaco se comporta, pues, como un medio que tiene una permitividad dielctrica mayor que la unidad. En consecuencia, la carga efectiva del electrn es realmente menor que su valor real, y la carga decrece cuando aumenta la distancia respecto del electrn.8485Esta polarizacin fue confirmada de manera experimental en 1997 mediante elacelerador de partculasjaponsTRISTAN.86Las partculas virtuales causan un efecto pantalla similar para la masa del electrn.87La interaccin con partculas virtuales tambin explica la pequea desviacin (de aproximadamente el 0,1%) del momento magntico intrnseco del electrn respecto al magnetn de Bohr (el momento dipolar magntico anmalo).7588La coincidencia extraordinariamente precisa entre esta diferencia predicha y el valor determinado experimentalmente se considera uno de los grandes xitos de laelectrodinmica cuntica.89Enfsica clsica, elmomento angular y el momento magnticode un objeto dependen de sus dimensiones fsicas. Es por ello que el concepto de un electrn sin dimensiones que tenga estas propiedades puede parecer inconsistente. Esta aparente paradoja se puede explicar por la formacin de fotones virtuales en el campo elctrico general para el electrn: estos fotones hacen que el electrn haga un movimiento de vibracin ultrarrpido (lo que se conoce como zitterbewegung),90que tiene resultado un movimiento circular limpio con precesin. Este movimiento es el que produce elespny el momento magntico del electrn.1491En los tomos, esta creacin de fotones virtuales explica eldesplazamiento de Lambque se observa en las lneas espectrales.84Interaccin

Animacin que muestra dos tomos deoxgenofusionndose para formar una molcula de O2en suestado cunticofundamental. Las nubes de color representan losorbitales atmicos. Los orbitales2sy2pde cada tomo se combinan para formar los orbitales y de la molcula, que la mantienen unida. Los orbitales 1s, ms interiores, no se combinan y permiten distinguir a cada ncleo.Un electrn genera un campo elctrico que ejerce unafuerza de atraccinsobre una partcula de carga positiva (tal como el protn) y unacarga de repulsinsobre una partcula de carga negativa. La magnitud de esta fuerza se determina mediante laley de Coulombdel inverso del cuadrado.92Cuando un electrn est en movimiento genera un campo magntico.93Laley de Ampre-Maxwellrelaciona el campo magntico con el movimiento masivo de los electrones (lacorriente elctrica) respecto de un observador. Esta propiedad de induccin, por ejemplo, es la que da el campo magntico necesario para hacer funcionar un motor elctrico.94Elcampo electromagnticode una partcula cargada de movimiento arbitrario se expresa mediante lospotenciales de Linard-Wiechert, los cuales son vlidos incluso cuando la velocidad de la partcula es cercana a la de la luz (relatividad).Cuando un electrn se mueve a travs de un campo magntico est sujeto a lafuerza de Lorentz, la cual ejerce una influencia en una direccin perpendicular al plano definido por el campo magntico y la velocidad del electrn. Lafuerza centrpetahace que el electrn siga unatrayectoria helicoidala travs del campo con un radio que se llamaradio de Larmor. La aceleracin de este movimiento curvado induce al electrn a radiar energa en forma de radiacin sincrotrn.9596nota 6La emisin de energa, a su vez, causa un retroceso del electrn conocido comofuerza de Abraham-Lorentz, que crea unafriccinque ralentiza el electrn. Esta fuerza es causada por unareaccin inversadel mismo campo del electrn sobre s mismo.97Enelectrodinmica cuntica, la interaccin electromagntica entre partculas es mediada por fotones. Un electrn aislado que no est sufriendo ninguna aceleracin no es capaz de emitir o absorber un fotn real, si lo hiciera violara laconservacin de la energay la cantidad de movimiento. En lugar de ello, los fotones virtuales pueden transferir cantidad de movimiento entre dos partculas cargadas.98Este intercambio de fotones virtuales genera, por ejemplo, la fuerza de Coulomb. La emisin de energa puede tener lugar cuando un electrn en movimiento es desviado por una partcula cargada (por ejemplo, un protn). La aceleracin del electrn tiene como resultado la emisin deradiacin Bremsstrahlung.99

Unacolisin inelsticaentre un fotn (luz) y un electrn solitario (libre) se llamadifusin Compton. Esta colisin resulta en una transferencia de cantidad de movimiento y energa entre las partculas que modifica lalongitud de ondadel fotn en un fenmeno denominadodesplazamiento de Compton.nota 7La mxima magnitud de este desplazamiento de longitud de onda es h/mec, lo que se conoce comolongitud de onda de Compton,100que para el electrn toma un valor de 2,43 10-12m.71Cuando la longitud de onda de la luz es larga (por ejemplo, la longitud de onda de la luz visible es de 0,4-0,7micras) el desplazamiento de la longitud de onda se convierte despreciable. Este tipo de interaccin entre la luz y electrones libres se llamadifusin Thomson.101La magnitud relativa de la interaccin electromagntica entre dos partculas cargadas, tales como un electrn y un protn, viene dada por laconstante de estructura fina. Esta constante es una cantidad adimensional y representa la proporcin entre dos energas: laenerga electrostticade atraccin (o repulsin) en una separacin de una longitud de onda de Compton, y el resto de energa de la carga. Tiene un valor de 7,297353 10-3, que equivale aproximadamente a 1/137.71Cuando colisionan electrones y positrones se aniquilan unos a otros y dan lugar a dos o msfotones de rayos gamma. Si el electrn y el positrn tienen una cantidad de movimiento despreciable se puede formar unpositronioantes de que la aniquilacin resulte en dos o tres fotones de rayos gamma de un total de 1.022 MeV.102103Por otro lado, los fotones de alta energa pueden transformarse en un electrn y un positrn mediante el proceso conocido comocreacin de pares, pero slo con la presencia cercana de una partcula cargada, como unncleo.104105Segn lateora de la interaccin electrodbil, la componente izquierdista de la funcin de onda del electrn forma un doblete deisospndbil con elneutrinoelectrnico. Esto significa que, durante las interacciones dbiles, los neutrinos electrnicos se comportan como si fueran electrones. Cualquiera de los miembros de este doblete pueden sufrir una interaccin de corriente cargado emitiendo o absorbiendo un W y ser absorbidos por el otro miembro. La carga se conserva durante esta reaccin porque elbosn Wtambin lleva una carga, por lo que se cancela cualquier cambio neto durante la transmutacin. Las interacciones de corriente cargadas son responsables del fenmeno de ladesintegracin betaen un tomo radiactivo. Finalmente, tanto el electrn como el neutrino electrnico pueden sufrir una interaccin de corriente neutral mediante un intercambio deZ0. Este tipo de interacciones son responsables de ladifusin elsticaneutrino-electrn.106tomos y molculasDensidades de probabilidad para los primeros tomos orbitales de hidrgeno, visto en seccin transversal. El nivel de energa de un electrn ligado determina el orbital que ocupa, y el color refleja la probabilidad de encontrar el electrn en una posicin dada.Un electrn puede estar enlazado al ncleo de un tomo por lafuerza de atraccin de Coulomb. Un sistema de uno o ms electrones enlazados a un ncleo se denominatomo. Si el nmero de electrones es diferente a lacarga elctricadel ncleo, entonces el tomo se llamaion. El comportamiento similar al de una onda de un electrn enlazado se describe por una funcin llamadaorbital atmico. Cada orbital tiene su propio conjunto denmeros cunticostales como energa, momento angular y proyeccin del momento angular y slo existe un conjunto discreto de estos orbitales alrededor del ncleo. Segn elprincipio de exclusin de Pauli, cada orbital puede ser ocupado hasta por dos electrones, los cuales no pueden tener el mismo nmero cuntico deespn.Los electrones se pueden transferir entre diferentes orbitales mediante la emisin o absorcin defotonescon una energa que coincida con ladiferencia de potencial.107Otros mtodos de transferencia orbital son lascolisiones con partculasy elefecto Auger.108Para poder escapar del tomo, la energa del electrn se incrementar por sobre la energa que le liga al tomo. Esto ocurre, por ejemplo, en el efecto fotoelctrico, en el que un fotn incidente que supera laenerga de ionizacindel tomo es absorbido por el electrn.109El momento angular orbital de los electrones estcuantificado. Como el electrn est cargado, produce un momento magntico orbital proporcional al momento angular. El momento magntico neto de un tomo equivale al vector suma de los momentos magnticos de espn y orbitales de todos los electrones y el ncleo. El momento magntico del ncleo es despreciable comparado con el de los electrones. Los momentos magnticos de los electrones que ocupan el mismo orbital (que se llaman electrones apareados) se simplifican entre s.110Elenlace qumicoentre tomos existe como resultado de las interacciones electromagnticas, tal como describen las leyes de la mecnica cuntica.111Los enlaces ms fuertes estn formados por la comparticin o la transferencia de electrones entre tomos, lo que permite la formacin de molculas.18Dentro de una molcula, los electrones se mueven bajo la influencia de muchos ncleos y ocupanorbitales moleculares, de igual manera que pueden ocupar orbitales atmicos en tomos aislados.112Un factor fundamental de estas estructuras moleculares es la existencia depares de electrones: se trata de electrones con espines opuestos, lo que les permite ocupar el mismo orbital molecular sin violar el principio de exclusin de Pauli (igual que ocurre en el tomo). Los diferentes orbitales moleculares tienen una distribucin espacial distinta de la densidad de electrones. Por ejemplo, en pares enlazados (es decir, en los pares que enlazan tomos juntos) los electrones se pueden encontrar con mayor probabilidad en un volumen relativamente pequeo alrededor del ncleo. Por otro lado, en pares no enlazados los electrones estn distribuidos en un volumen grande alrededor del ncleo.113Conductividad

Unrayoconsiste bsicamente de unflujo de electrones.114Elpotencial elctriconecesario para que exista el rayo puede ser generado para unefecto triboelctrico.115116Si un cuerpo tiene ms o menos electrones de los necesarios para equilibrar la carga positiva del ncleo, entonces este objeto tiene una carga elctrica neta. Cuando hay un exceso de electrones, se dice que este objeto est cargado negativamente, por otra parte, cuando hay un defecto de electrones (menos electrones que protones en el ncleo), se dice que este objeto est cargado positivamente. Cuando el nmero de protones y de electrones son equivalentes, las cargas se cancelan y se dice que el objeto es elctricamente neutro. En uncuerpo macroscpicopuede aparecer una carga elctrica si se frota, lo que se explica por elefecto triboelctrico.117Los electrones independientes que se mueven en el vaco se llaman electrones libres. Los electrones de metales se comportan como si fueran libres. En realidad, las partculas de los metales y otros slidos que se denominan normalmente electrones sonquasielectrones(quasipartculas): tienen la misma carga elctrica, espn y momento magntico que los electrones reales pero pueden tener una masa diferente.118Cuando los electrones libres tanto en el vaco como en un metal se mueven, producen un flujo neto de carga llamadocorriente elctricaque genera uncampo magntico. De la misma manera, se puede crear una corriente elctrica mediante un campo magntico variable. Estas interacciones son descritas matemticamente por lasecuaciones de Maxwell.119A una temperatura dada, cada material tiene una conductividad elctrica que determina el valor de la corriente elctrica cuando se aplica un potencial elctrico. Algunos ejemplos de buenos conductores son los metales como elcobrey eloro, mientras que el vidrio y elteflnson malos conductores. En cualquier material dielctrico, los electrones permanecen enlazados a sus respectivos tomos y el material se comporta como unaislante. La mayora de semiconductores tienen un nivel variable de conductividad que est entre los extremos de conductor y aislante.120Por otra parte, los metales poseen una estructura de banda electrnica que contiene bandas electrnicas rellenadas parcialmente. La presencia de estas bandas permite a los electrones de los metales comportarse como si fueranelectrones libres o desapareados. Estos electrones no se asocian con tomos especficos, por lo que, cuando se aplica un campo elctrico, tienen libertad de movimiento a travs del material como si fueran un gas (lo que se denomina comogas de Fermi)121igual que si fueran electrones libres.Debido a las colisiones entre electrones y tomos, la velocidad derivada de los electrones en un conductor se representa por medio de los milmetros por segundo. Sin embargo, la velocidad a la que un cambio de corriente en un punto del material causa cambios en las corrientes de otras partes del material (velocidad de propagacin) suele ser un 75% de lavelocidad de la luz.122Esto explica porqu los impulsos elctricos se propagan en forma de onda, su velocidad depende de la constante dielctrica del material.123Los metales son unos conductores del calor relativamente buenos, bsicamente porque los electrones deslocalizados se encuentran libres para transportarenerga trmicaentre tomos. Sin embargo, a diferencia de la conductividad elctrica, laconductividad trmicade un metal es casi independiente de la temperatura. Esto se expresa matemticamente por laley de Wiedemann-Franz,121que postula que la proporcin de la conductividad trmica con respecto a la conductividad elctrica es proporcional a la temperatura. El desorden trmico de la red metlica incrementa laresistividad elctricadel material, lo que produce una dependencia de la temperatura por la corriente elctrica.124Cuando los materiales se enfran por debajo de un punto llamadopunto crticopueden sufrir un cambio de fase en el que pierden toda la resistividad a la corriente elctrica, en un proceso que se conoce comosuperconductividad. En lateora BCS, este comportamiento se modela con pares de electrones que entran en un estado cuntico conocido comocondensado de Bose-Einstein. Estospares de Cooper125tienen su movimiento emparejado en materia cercana mediante vibraciones de la red conocidas comofonones126y, de esta manera, evitan las colisiones con tomos; de no ser as, se creara resistencia elctrica.Sin embargo, el mecanismo por el cual operan lossuperconductores de alta temperaturapermanece incierto.Cuando se confinan con firmeza los electrones dentro de slidos conductores que son quasipartculas a temperaturas cercanas alcero absoluto, se comportan como si se dividieran en dos otras quasipartculas:espinonesyholones.127128El primero es el que se encarga del espn y del momento magntico, mientras que el segundo lleva la carga elctrica.Movimiento y energaSegn lateora de la relatividad especialdeEinstein, cuando la velocidad de un electrn se aproxima a la velocidad de la luz, desde el punto de vista de un observador, su masa relativstica incrementa, lo que hace que sea ms y ms difcil acelerarlo dentro del marco de referencia del observador. La velocidad del electrn se puede aproximar, pero nunca llegar a la velocidad de la luz en el vaco,c. Sin embargo, cuando los electrones relativsticos es decir, electrones que se mueven a una velocidad cercana ac insertados en un medio dielctrico como el agua en el que la velocidad local de la luz es mucho menor quec viajan temporalmente ms rpido que la luz en este medio. Mediante su interaccin con el medio generan una luz tenue que se llamaradiacin de Cherenkov.129

Los efectos de la relatividad especial se basan en una cantidad conocida como elfactor de Lorentz, que se define como, dondeves la velocidad de la partcula. Laenerga cintica(Ec) de un electrn que se mueve a velocidadves:

dondemees la masa del electrn. Por ejemplo, elacelerador lineal de Stanfordpuedeacelerarun electrn hasta aproximadamente unos 51 GeV.130Como un electrn se comporta como una onda, donde determinada velocidad poseer unalongitud de ondadeDe Broglieque viene dada por e=h/p, dondehes laconstante de Planckypes la cantidad de movimiento.53Para el electrn de 51 GeV mencionado anteriormente, la longitud de onda obtenida es de aproximadamente 2,4 10-17m, lo suficientemente pequea para poder explorar estructuras de tamao muy inferior a la delncleo atmico.

Modelo Atomico de ThompsonModelo Atmico de ThompsonThompson sugiere un modelo atmico que tomaba en cuenta la existencia del electrn, descubierto por l en 1897. Su modelo era esttico, pues supona que los electrones estaban en reposo dentro del tomo y que el conjunto era elctricamente neutro. Con este modelo se podan explicar una gran cantidad de fenmenos atmicos conocidos hasta la fecha. Posteriormente, el descubrimiento de nuevas partculas y los experimentos llevados a cabo por Rutherford demostraron la inexactitud de tales ideas.Para explicar la formacin de iones, positivos y negativos, y la presencia de los electrones dentro de la estructura atmica, Thomson ide un tomo parecido a un pastel de frutas.Una nube positiva que contena las pequeas partculas negativas (los electrones) suspendidos en ella. El nmero de cargas negativas era el adecuado para neutralizar la carga positiva.En el caso de que el tomo perdiera un electrn, la estructura quedara positiva; y si ganaba, la carga final sera negativa. De esta forma, explicaba la formacin de iones; pero dej sin explicacin la existencia de las otras radiaciones.Caractersticas del ModeloIntroduce la idea de que el tomo puede dividirse en las llamadas partculas fundamentales:Electrones, con carga elctrica negativa.Protones, con carga elctrica positiva.Neutrones, sin carga elctrica y con una masa mucho mayor que la de electrones y protones.Thompson considera al tomo como una gran esfera con carga elctrica positiva, en la cual se distribuyen los electrones como pequeos granitos (de forma similar a las pepitas de una sanda).Las insuficiencias del modelo son las siguientes:El tomo no es maciz ni compacto como supona Thompson, es prcticamente hueco y el ncleo es muy pequeo comparado con el tamao del tomo, segn demostr E. Rutherford en sus experiencias. Supona prcticamente hueco y el ncleo es muy pequeo comparado con el tamao del tomo, segn e experiencias.

Modelo atmico de Rutherford

En 1910,Ernest Rutherford, un fsico neozelands, quiso poner a prueba el modelo atmico postulado porSir Joseph Thomson, el cual consisti en que hacer pasar un rayo de particulas alfa (particulas cargadas positivamente) a travs de una lmina de oro extremadamente delgada. Este experimento se muestra de una manera muy sencilla en laImgen 4. Los resultados obtenidos, llevaron a Rutherford a plantear su propio modelo atmico, el cual se muestra en laImgen 5. Las principales conclusiones que se obtuvieron fueron:

1. El tomo es mayormente vaco, lo que explicara el porque la mayora de las particulas atravesaron la lmina de oro sin sufrir desviacin.2. El tomo posee un centro denso, que abarca la totalidad de la masa. Adems, este centro, llamadoncleo, est cargado positivamente, razn por la cual, las partculas alfa al acercarse a l sufran desviaciones (cargas iguales se repelen).3. Debido a que el tomo es elctricamente neutro, los electrones deben estar rodeando al ncleo, girando en rbitas circulares alrededor de l, tal y como lo hacen los planetas alrededor del Sol. La cantidad de electrones es igual y de signo contrario a la carga ubicada en el ncleo.

Ahora, bien, por qu no era vlido el modelo del"pastel de pasas"para explicar los resultados obtenidos? La respuesta est en que el modelo que rega hasta ese entonces consideraba al tomo como una esfera compacta, dentro de la cual tenia incrustados a los electrones. Si ese modelo hubiese sido correcto, las partculas alfa tendran que haber rebotado en la lmina de oro, ya que ocurrira el mismo efecto de cuando uno hacer chocar dos bolitas, pero el hecho de que la mayora atravesara la lmina de oro, indica que esa concepcin atmica estaba errada.

Imgen 4:Experimento de la lmina de oro

Imgen 5: Modelo atmico Planetario de Rutherford

En 1886,Eugen Goldsteindescubri que si se le hacan agujeros al nodo de un tubo de rayos catdicos, era posible ver otras emanaciones que se dirigian desde el ctodo hacia en nodo, cuando se hacia pasar una corriente elctrica. Descubri que estos rayos (a los que llamrayos canales) tenan carga positiva y que su masa dependia del gas que estuviera en el tubo. A stas cargas se les denominprotones. Como estas partculas estan cargadas con el mismo signo, debiesen repelerse, pero estan todas colocadas en el ncleo, entonces cmo es esto posible? Rutherford pens que debiese existir otra partcula que sirviera de "pegamento" que mantuviera estable el ncleo.

Al inicio de la dcada de 1930,James Chadwick, quien fuese alumno de Rutherford, descubri la presencia de una partcula sin carga, de masa aproximadamente igual a la del protn, la cal fue llamadaneutrn, comprobando la hiptesis de su profesor sobre la existencia de dicha partcula.

Descubrimiento del Nucleo AtomicoEn 1909,Ernest Rutherforddirigi en su laboratorio de la universidad de Cambridge (Inglaterra) cierto experimento con la ayuda del fsico alemnHans Geiger(inventor del famoso contador Geiger, aparato para detectar materiales radioactivos) y elfsico ingls recin graduadoErnest Marsdenque consisti en: contra una lmina muy delgada de oro (pan de oro) cuyo espesor es de 0,0006 mm. se lanzrayos alfa, formado por partculas veloces de gran masa y con carga positiva, que eran ncleos de helio.

Se observ entonces que la gran mayora de losrayos alfaatravesaban la lmina sin ninguna desviacin. Slo una cantidad muy pequea de rayos alfa se desviaban con ngulos de desviacin o dispersin variables ()

El hecho de que algunos rayos alfa incluso rebotaran sorprendi mucho a Rutherford, porque el pensaba que los rayos alfa atravesaran la lmina fina sin mayores desviaciones, segn el modelo atmico propuesto por su maestroJ.J. Thomson. Al referirse a este hecho en la conferencia hecha por Rutherford ante la Real Academia de Londres en 1911, afirmaba: esto era lo mas increble que me haba ocurrido en la vida. Tan increble como si un proyectil de 15 pulgadas disparado contra una hoja de papel de seda, se volviera y golpeara a uno

Explicacin del Fenmeno:Rutherford logr explicar brillantemente la dispersin de los rayos alfa en base a las siguientes conclusiones. El tomo tiene una parte central llamadoncleo, diminuto de carga positiva, compacto o macizo y muy denso, debido a que casi la totalidad de la masa atmica se concentra en l. El campo elctrico generado por el ncleo es muy intenso y causa la desviacin de rayos alfa mediante repulsin elctrica. el tomo es casi vacio, ya que los electrones, partculas de masa insignificante, ocupan espacios grandes cuando giran en torno al ncleo.

El Electron como Particula Onda

El posthas visto ese lindo electrn?,que alude a que en La Aventura de las Partculas los leptones son dibujados como felinos (electrn gato, mun len, y taun tigre), parece sugerir que se ha observado por primera vez la onda cuntica de un electrn. En mi opinin, no es realmente cierto, aclarmoslo un poco.

La dualidad onda-partcula es el hecho de que un electrn cuando realizamos un experimento para ver su naturaleza como partcula (onda) se comporte como una partcula (onda), siendo fiel reflejo del principio de incertidumbre de Heisenberg, la complementaridad de Bohr, el hecho de que el experimento altera la naturaleza del sistema cuntico medido. Muchos experimentos han demostrado esta doble naturaleza del electrn (en realidad el electrn no es ni una onda, ni una partcula, sino que es otra cosa que puede ser observada como partcula u onda, segn el experimento, pero que no sabemos observar de ninguna otra forma).El artculo Coherent Electron Scattering Captured by an Attosecond Quantum Stroboscope, deMauritssonet al., Physical Review Letters, 22 feb 2008, aparecido enArXiv en agosto del pasado ao, muestra por primera vez una imagen de un electrn en el espacio de momentos, es decir, visto como onda, orbitando en un tomo gracias al mismo efecto estroboscpico que nos hace pensar que los radios de una rueda que se mueve a ms de 30 vueltas por segundo parece que, a veces, va hacia atrs. Utilizando pulsos ultracortos (de attosegundos) y gracias a un efecto estroboscpico cuntico han podido observar un electrn a fogonazos en periodos de tiempo inferiores al femtosegundo (10-15segundos). Espectacular!! Una animacin la podis ver aqu enAVIoMOV.figura 2.El principio fsico de la tcnica de estroboscopa cuntica utilizada para capturar el movimiento del electrn se ilustra en la figura 2. Un tren (o una sucesin) de pulsos ultracortos en el rgimen de attosegundos, en el ultravioleta (onditas azules dentro de la envolvente roja en la figura 2) que inciden sobre un material, logran la ionizacin de ste por efecto tnel y que algunos de sus electrones salten. Un lser de campo infrarrojo est colocado de tal forma que los electrones saltan sobre l. El efecto estroboscpico se consigue sincronizando de forma correcta los pulsos ultravioletas y el lser infrarrojo, de forma tal que slo un eleectrn y exactamente uno salta en cada ciclo del lser (las bolas azules en la figura 2). Estos electrones se dispersan conforme se propagan hacia el detector (espectrmetro) donde su distribucin de velocidades (momentos) es medida. En el detector estos electrones individuales se comportan como ondas, se superponen all e interfieren (fenmeno estrictamente ondulatorio), mostrando las espectaculares figuras mostradas en figura 1 y en las animaciones (si no las has visto an, hazlo ahora).En las animaciones vers que el patrn de interferencia cuando oscila de arriba a abajo muestra una clara asimetra. Esta asimetra confirma que cada imagen corresponde a la ionizacin a una fase particular del campo del lser infrarrojo. Como ves en la figura 2, la colocacin de las onditas azules en la envolvente roja (fase) es distinta en la figura 2 derecha e izquierda que tambin muestran que el patrn de interferencia adquiere asimetra (hacia arriba en la figura 2 derecha). Simulaciones por ordenador de la ecuacin de Schrdinger dependiente del tiempo muestran resultados que son compatibles con los obtenidos experimentalmente (en la figura 1 el lado izquierdo es simulado por ordenador y el derecho obtenido experimentalmente). Que las oscilaciones experimentales en el campo de interferencia coincidan con las esperadas segn la teora cuntica es lo que nos hace pensar que se est observando el campo ondulatorio del electrn.Lo que los autores de este trabajo han observado es el resultado de las franjas de interferencia de muchsimos electrones y no de un slo electrn como parece indicarse en el posthas visto ese lindo electrn?Sin embargo, los autores se amparan en el efecto estroboscpico que igual que la persistencia de nuestra retina a la hora de ver la televisin (un punto luminoso movindose por una pantalla de fsforo) nos hace creer que estamos viendo una imagen continua y completa (aunque slo estemos percibiendo la adicin de muchos electrones).La importancia del resultado obtenido es que se podr estudiar a escala de sub-femtosegundos ciertos detalles del proceso de ionizacin tomos en superficies y sus consecuencias en los electrones emitidos que eran imposibles de observar sin esta tcnica estroboscpica. El artculo Attosecond Control of Ionization Dynamics,de los mismos autores ser de inters para los que quieran conocer mejor estas tcnicas de visualizacin de la interferencia de paquetes de onda gracias a la modulacin por absorcin de fotones.Distribucin electrnicaComo resultado de los grandes esfuerzos realizados por muchos cientficos, en la actualidad, lacienciadispone de mltiples informaciones, comprobadas en la prctica, acerca de lasleyesde distribucin de los electrones en lostomos, partiendo del modelo deBohren la que sealaba la existencia de unncleoformado porprotonesyneutrones, donde est concentrada lamasay la carga positiva deltomo. Elelectrngira en rbitas circulares alrededor del ncleo, pero con algunas restricciones, como que solamente lo poda hacer en ciertas rbitas, cuya energa se encuentra cuantizada.Por niveles electrnicosAsumiendo el modelo deBohr, loselectronesse distribuyen en lostomosformando capas alrededor delncleoque reciben el nombre de capas electrnicas o tambin niveles energticos. Todos ellos forman la envoltura electrnica que rodea al ncleo. Mientras mayor nmero de capas electrnicas posea un tomo, mayor ser la distancia que separa al ncleo de los electrones ms externo.

Cada una de las capas electrnicas posee distinto contenido o nivel de energa y se encuentran a diferentes distancias del ncleo, de forma tal que la capa electrnica de menor nivel de energa ser la ms prxima al ncleo y las de mayores niveles energticos se encontrarn ms alejadas de ste. A medida que los electrones se encuentren en una capa electrnica alejada delncleocon gran contenido energtico estarn ms dbilmente unidos a ste. .

Los diferentes niveles energticos toman valores enteros a partir de 1; por lo que el valor del primero, o sea, para el que corresponde a la capa ms prxima al ncleo es 1, el que corresponde a la segunda capa es 2, etctera. Estos niveles se representan tambin, a veces, por las letras K,L,M,N,O,P y Q.

Distribucin electrnica por niveles de energaAunque de acuerdo con la concepcin actual del tomo no es posible representarlo grficamente, desde un punto de vista pedaggico es conveniente tener una representacin visual, que, aunque no corresponda exactamente a la realidad, tampoco la contradiga, en la que se utilizan esquemas como el mostrado a continuacin:

El ncleo se puede representar con un pequeo crculo donde se sealan tanto protones como indica su nmero atmico, y tantos neutrones como indica la diferencia entre el ndice de masa y el nmero atmico. La envoltura se puede representar por arcos de circunferencia con centro en el ncleo. Cada arco corresponde a un nivel de energa y en el se coloca un nmero que indica los electrones que existen en ese nivel.

Se ha podido determinar el nmero mximo de electrones que pueden agruparse en los distintos niveles de energa y tenemos:Primer nivel de energan=1: 2 . 12= 2 electrones

Segundo nivel de energan=2: 2 . 22= 8 electrones

Tercer nivel de energan=3: 2 . 33= 18 electronesNcleo atmico

Elncleo atmicoes la parte central de untomo, tiene carga positiva, y concentra ms del 99,9% de la masa total del tomo.Est formado porprotonesyneutrones(denominadosnucleones) que se mantienen unidos por medio de lainteraccin nuclear fuerte, la cual permite que el ncleo sea estable, a pesar de que los protones se repelen entre s (como los polos iguales de dosimanes). La cantidad de protones en el ncleo (nmero atmico), determina elelemento qumicoal que pertenece. Los ncleos atmicos no necesariamente tienen el mismo nmero deneutrones, ya que tomos de un mismo elemento pueden tenermasasdiferentes, es decir sonistoposdel elemento.La existencia del ncleo atmico fue deducida delexperimento de Rutherford, donde se bombarde una lmina fina de oro conpartculas alfa, que son ncleos atmicos dehelioemitidos por rocas radiactivas. La mayora de esas partculas traspasaban la lmina, pero algunas rebotaban, lo cual demostr la existencia de un minsculo ncleo atmico.

Expresion del Nucleo