Guia El Mundo Atomico Preparacion Prueba de Nivel IV° Segundo Semestre

Colegio Madre VicenciaAacuterea de Gestioacuten Curricular

Sub-sector FiacutesicaProf Mauricio Alegriacutea

UNIDAD II MUNDO ATOacuteMICOINTRODUCCIOacuteNAacutetomo la unidad maacutes pequentildea posible de un elemento quiacutemico En la filosofiacutea de la antigua Greciala palabra ldquoaacutetomordquo se empleaba para referirse a la parte de materia maacutes pequentildea que podiacutea concebirseEsa ldquopartiacutecula fundamentalrdquo por emplear el teacutermino moderno para ese concepto se consideraba indestructible De hecho aacutetomo significa en griego ldquono divisiblerdquo A lo largo de los siglos el tamantildeo y la naturaleza del aacutetomo soacutelo fueron objeto de especulaciones por lo que su conocimiento avanzoacute muy lentamenteEl estudio del universo fiacutesico ha revelado un grupo de disciplinas estrechamente relacionadas generalmente diferenciadas por la porcioacuten del universo que eligen para su estudio y tambieacuten por el tipo de preguntas que el estudiante hace en relacioacuten a los sistemasLos cientiacuteficos fiacutesicos que estudian la naturaleza de la materia en siacute se dividen en dos categoriacuteas fiacutesicos y quiacutemicosLos fiacutesicos se interesan por las fuerzas responsables de la estructura y los cambios de la materiaLos quiacutemicos estudian las diferentes clases de sustancias materiales sus estructuras y sus transformaciones e intentan comprender sus descubrimientos mediante las leyes de la fiacutesicaDurante las 24 horas del diacutea cada uno de nosotros estaacute relacionado en una forma u otra con la quiacutemica Dormidos o despiertos todo lo que tiene contacto con nosotros sin excepcioacuten alguna es

un conjunto de sustancias quiacutemicas El cuerpo humano es un gran almaceacuten de actividad quiacutemica eincluso el pensamiento estaacute relacionado con energiacutea quiacutemica El alimento que tomamos las plantas y animales que nos rodean los automoacuteviles que manejamos la peliacutecula que vemos los cosmeacuteticos y artiacuteculos de tocador que usamos la ropa que vestimos nada de esto puede existir sin la intervencioacuten de las fuerzas quiacutemicas Si queremos penetrar en los misterios de la tierra y del aire que son esenciales para la vida debemos recurrir siempre al estudio de la quiacutemicaEs por esto que a traveacutes de la historia la imagen que el hombre a tenido del aacutetomo a pasado por una serie de conceptos evolutivos estos cambios se han presentado como consecuencia de las diferentes evidencias experimentales encontradas por diferentes investigadores como son los experimentos de Thomson Rutherford Becquerel etcLa Fiacutesica relativa al mundo atoacutemico-cuaacutentico rama de la fiacutesica que estudia el comportamiento de las partiacuteculas teniendo en cuenta su dualidad onda-corpuacutesculoEsta dualidad es el principio fundamental de la teoriacutea cuaacutentica el fiacutesico alemaacuten Max Planck fue quien establecioacute las bases de esta teoriacutea fiacutesica al postular que la materia soacutelo puede emitir o absorber energiacutea en pequentildeas unidades discretas llamadas cuantos

1048766 NATURALEZA ELEacuteCTRICA DE LA MATERIAEl mayor avance en el campo atoacutemico procede maacutes del campo fiacutesico que del quiacutemicoEl desarrollo de las diferentes teoriacuteas en este campo ha necesitado de la contribucioacuten de muchos cientiacuteficos posiblemente la primera idea con bases cientiacuteficas es la que dieron los griegos hace aproximadamente 2600 antildeos ellos aportaron las primeras ideas relacionando la materia con ciertas partiacuteculas cargadas eleacutectricamente

En la actualidad algunas experiencias comunes nos relacionan a la materia con la electricidad A principios del siglo XX se empezaron a encontrar relaciones entre la materia y algunos fenoacutemenos fiacutesicosEn el siglo V aC los griegos observaron que cuando se frotaba aacutembar (resina foacutesil de los aacuterboles) con alguna tela eacuteste material era capaz de atraer pequentildeos pedazos de papel paja hojas secas etc Posteriormente se vio que el vidrio presenta fenoacutemenos semejantes en la actualidad nosotros estamos familiarizados con este tipo de fenoacutemenos como por ejemplo un peine o al deslizarse un cuerpo sobre una vestidura de automoacutevil y hacer contacto posterior con un material metaacutelicoEsta fuerza de atraccioacuten se le llamoacute electricidad de la palabra griega aacutembar Actualmente este tipo de electricidad producida por frotamiento se le conoce con el nombre de Electricidad Estaacutetica para distinguirla de la corriente eleacutectricaMuchos antildeos despueacutes de los griegos Benjamiacuten Franklin (1747) realizoacute maacutes experimentos sobre la electricidad estaacutetica y llegoacute a la siguiente conclusioacutenldquoLa electricidad no se forma uacutenicamente por frotamiento sino que se recogeya que es un elemento que se encuentra difundido en toda la materiardquoEsto constituyoacute el primer paso firme sobre el conocimiento de la estructura electroacutenica de los aacutetomos

1048766 RAYOS CATOacuteDICOSExperimento con los tubos de CroquesInvestigacioacuten de las propiedades del electroacutenEl paso de la electricidad a traveacutes de soluciones salinas llevoacute a la conclusioacuten de que la corriente consiste de cargas en movimiento Si hacemos pasar una

corriente a traveacutes de los gases se obtiene una visioacuten mas detallada de eacutestas cargas

JJ Thomson(1856 - 1940) Premio Noacutebel en 1906 en 1895 estudiando el paso de la corriente a traveacutes de los gases usoacute para su estudio los tubos de Crookes modificados

a) El tubo estaba completamente cerrado y al vaciacuteo Dentro de eacutel se encuentran 2 electrodos uno es el caacutetodo ( - ) y otro el aacutenodo ( + ) los cuales estaacuten conectados a una fuente de alto voltaje

b) Se procedioacute a encontrar la relacioacuten entre la carga y la masa del electroacuten de acuerdo con lo siguienteAl paso de una corriente eleacutectrica de alto potencial se libera un flujo de electrones en liacutenea recta desde el polo negativo o caacutetodo hacia el polo positivo o aacutenodo

Los rayos catoacutedicos viajan en liacutenea recta y por ello proyectan la sombra de cualquier cuerpo que se interponga a su paso es por esto que los rayos catoacutedicos que se desplazan por el tubo en liacutenea recta chocan con la cruz y no penetran el resultado es que en el vidrio aparece la sombra de la cruz ya que el vidrio se hace fluorescente en todas las regiones excepto la que queda directamente detraacutes de la cruz

c) Si se somete el tubo de Crookes a un campo eleacutectrico se observaraacute que el flujo de rayos catoacutedicos sufre una desviacioacuten hacia el polo positivo por lo que infiere que los rayos catoacutedicos tienen carga negativa son desviados por campos eleacutectricos y magneacuteticos


d) Si se coloca un rehilete dentro del tubo de Crookes en forma perpendicular al haz de electrones este se mueve en el sentido del flujo de los rayos catoacutedicos lo que indica que tales rayos tienen masa

CONCLUSIONESLas conclusiones a las que llego Thomson a traveacutes de sus experimentos con los rayos catoacutedicos son las siguientes

a Viajan en liacutenea rectab Tienen carga eleacutectrica negativac Tienen masad Son partiacuteculas universales- Ya que introduciendo cualquier gas se produce el mismo fenoacutemeno por lo tanto son partiacuteculas presentes en toda la materia

Y sin embargo no fue Thomson quieacuten les dio el nombre de electrones sino Stoney en1874

1048766 RELACIOacuteN CARGA MASA DEL ELECTROacuteN

PARTE CUANTITATIVA DEL EXPERIMENTO DE THOMSONThomson tratoacute de calcular la carga y la masa del electroacuten sin lograrlo obteniendo solamente una relacioacuten carga-masa siempre constante por lo tanto quedaba pendiente de medir por separado la carga y la masa del electroacuten Thomson ideoacute un aparato de rayos X usando gotas de agua de vapor sobresaturado y midiendo la carga total obtuvo un valor de 65x1011 [uetg]Pero el valor de la carga del electroacuten lo obtuvo Robert Millikan

Hagamos un pareacutentesis y analicemos que se entiende por teoriacuteas y modelos

Las teoriacuteas son explicaciones que interpretan y relacionan hechos por medio de amplias relaciones loacutegicas y sirven para predecir nuevos descubrimientos Las teoriacuteas derivan de las hipoacutetesis propuestas como explicaciones provisionales de una serie limitada de fenoacutemenosEl caraacutecter provisional de las teoriacuteas nunca es totalmente eliminado ya que deben ser verificadas por los hechos y al aumentar el caudal de los mismos las teoriacuteas son modificadas para que correspondan a los hechosUn ejemplo interesante lo constituye la teoriacutea atoacutemica tal como fue formulada en su momento por Dalton la cual se comproboacute experimentalmente Si bien no resultoacute correcta en todos sus postulados permitioacute promover descubrimientos y otras teoriacuteasSe habla de modelo cuando se hace referencia a un modo imaginario (y por tanto arbitrario) de representar la realidad de un objeto o proceso para poder realizar un estudio teoacuterico por medio de las teoriacuteas y leyes usuales Asiacute un modelo es una imagen particular e incompleta de un sistema usualmente complejo ya que soacutelo algunas caracteriacutesticas del referente o sistema se encuentran presentes en el modelo

Cuando Thomson propuso su modelo atoacutemico se sabiacutea que los aacutetomos eran neutros Ciertos experimentos lograron determinar que los aacutetomos estaban formados por partiacuteculas positivas y partiacuteculas negativasThomson sugirioacute un modelo atoacutemico que tomaba en cuenta la existencia del electroacuten descubiertopor eacutel en 1897 y puede describirse diciendo queMODELO ATOacuteMICO DE THOMPSON

El aacutetomo se encuentra formado por unaesfera de carga positiva en la cual se encuentran incrustadas las cargas negativas(electrones) de forma similar a como se encuentran las pasas de uva en un pastelAdemaacutes como el aacutetomo es neutro la cantidadde cargas positivas es igual a la cantidad decargas negativas

Sobre la base de sus estudios Thomson propuso esteModelo Atoacutemico ya que en ese momento se sabiacutea que existiacutean cargas negativas oacute electrones en la materia y que loacutegicamente deberiacutean existir cargas positivas por lo tanto su modelo fue el

Modelo de panqueacute o Budiacuten con pasasEste modelo era estaacutetico pues suponiacutea que los electrones estaban en reposo

dentro del aacutetomo y que el conjunto era eleacutectricamente neutro Con este modelo se podiacutean explicar una gran cantidad de fenoacutemenos atoacutemicos conocidos hasta esa fecha Posteriormente el descubrimiento de nuevas partiacuteculas y los experimentos llevados cabo por Rutherford demostraron lainexactitud de tales ideas

1048766 EXPERIMENTO DE MILLIKAN DE LA GOTA DE ACEITEDeterminacioacuten de la carga del electroacutenRobert Millikan (fiacutesico norteamericano) en 1911 determinoacute la carga del electroacuten se planteoacute como objetivo el conocer la carga y la masa del electroacuten por separado Millikan (Premio Nobel 1923) perfeccionoacute para su determinacioacuten su famoso experimento de la gota de aceite de tal manera que pudo determinar con cierto grado de exactitud la carga de un electroacutenEl aparato en el que trabajo Millikan para obtener la carga del electroacuten fue disentildeado ingeniosamente y consistiacutea de un recipiente que llevaba adaptado un microscopio graduado un aspersor un aditamento de rayos X y dos placas metaacutelicas conectadas a una fuente de alto voltaje

Millikan tomo en cuenta varios paraacutemetrosD = Distancia entre placasr = radio de la gotaρ = densidadρo = densidad del airem = masaη = viscosidad

v = volumenV= diferencia de potencial entre las placase=

Mediante un pulverizador o aspersor se produce una nube de pequentildeiacutesimas gotitas de aceite en la superficie de las placas metaacutelicas De vez en cuando una gotita de aceite atraviesa un pequentildeo orificio practicado en la placa media y llega al espacio comprendido entre eacutesta uacuteltima y la inferiorEl aparato estaba aislado a fin de evitar corrientes de aire y estaba equipado con ventanas para que las observaciones se pudieran hacer mediante el microscopio graduado montado en el exteriorSe seleccionoacute una de las gotas de aceite que penetraban por el orificio y se determinoacute su velocidad quitando y poniendo el campo eleacutectrico entre las placas ademaacutes se hizo pasar un haz de rayos X con objeto de ionizar los gases y una fuente de electrones libresAl pasar la radiacioacuten de rayos X la gota adquiriacutea carga y una vez cargada podriacutea ser atraiacuteda por una de las placas cargadas con signo contrario o ser detenidas en el espacio si el voltaje entre las placas era el adecuadoPor lo tanto con estas observaciones determinoacute la carga del electroacuten (en unidades electrostaacuteticas o [uet]) y observoacute que sus valores obtenidos teniacutean ciertas caracteriacutesticas

Estos valores saliacutean en ocasiones positivos y en ocasiones negativos sin embargo en todos los casos los valores encontrados son muacuteltiplos de 48 x 10-10

[uet] o bien de1602 x 19-19 [Coul] carga que Millikan atribuyoacute al electroacutenCarga del electroacuten 1602 x 19-19 coul o 48 x 10-10 uetCon el dato de la carga del electroacuten fue posible calcular la masa del electroacuten em = 5273 x 1017 [uet g] e= 48 x10-

10 [uet]m = 48x10-10[uet] 5273 x 1017 [uet g] = 91x10-28 [g] rArr m= 91x10-28 [g]Para analizar cual era la estructura del aacutetomo propuesto por Thomson Rutherford disentildeoacute un experimento y

posteriormente propone su propio modelo

48 x 10-10 uet96 x 10-10 uet144 x 10-10 uet192 x 10-10 uet

EXPERIMENTO Y MODELO DE ERNEST RUTHERFORD

Ernest RutherfordEl fiacutesico britaacutenico Ernest Rutherford que obtuvo elPremio Nobel de Quiacutemica en 1908 fue un pionero de lafiacutesica nuclear por sus investigaciones experimentales ysu desarrollo de la teoriacutea nuclear de la estructuraatoacutemica Rutherford afirmoacute que un aacutetomo estaacuteconstituido en gran medida por espacio vaciacuteo con unnuacutecleo con carga positiva en el centro en torno al cualorbitan los electrones cargados negativamente

De 1906 a 1913 fue el periodo en donde se desarrolloacute la primera teoriacutea de la estructura atoacutemicaque tuvo eacutexitoEl experimento consistiacutea en bombardear una fina laacutemina de oro con rayos alfa Para observar el resultado de dicho bombardeo alrededor de la laacutemina de oro colocoacute una pantalla fluorescenteEn 1906 Ernest Rutherford y los fiacutesicos Geiger y Marsden (1871-1937) encontraron que cuandose bombardeaba una delgada laacutemina metaacutelica con partiacuteculas alfa (iones de

helio = He++) la mayoriacutea de las partiacuteculas penetraban la materia y sufriacutea solamente una pequentildea desviacioacuten en su recorridoInicialmente el aparato de Rutherford consistioacute en una fuente emisora radioactiva se encontraba encerrado en una caja de plomo con un orificio por donde salen las radiaciones las cuales incidiacutean sobre una laacutemina de oro se utilizoacute una lamina de este metal ya que es muy maleable y era faacutecil colocarlo en el recipiente La laacutemina teniacutea un espesor equivalente a 10000 aacutetomos de oro o 4x10-

20 cm de grueso atraacutes de la cual existe una pantalla fotograacutefica Rutherford observoacute que la mayoriacutea de las partiacuteculas pasaban a traveacutes de la laacutemina sin desviarse lo cuaacutel no estaba de acuerdo con el modelo del budiacuten con pasas de Thomson ademaacutes de que algunas partiacuteculas solamente se desviaban muy poco

Los resultados obtenidos por Rutherford fueron los siguienteso Algunas partiacuteculas eran desviadas en aacutengulos maacutes anchos y de vez en cuando una partiacutecula alfa rebotaba en la laacutemina

Aproximadamente una de cada 20000 partiacuteculas rebotaba al chocar con la laacutemina de oro y se desviaba hasta 180o o La mayoriacutea de los rayos lograban pasar a traveacutes de la laacutemina sin desviarse o solo muy ligeramente desviados o Algunos son desviados en aacutengulos maacutes anchos o De vez en cuando una partiacutecula alfa rebota de la laacutemina

Por lo tanto Rutherford dio una explicacioacuten a sus experimentos y sugirioacute lo siguienteo Que los aacutetomos estaacuten formados de un nuacutecleo cargado positivamente rodeado por un sistema de electrones o Que el volumen efectivo del nuacutecleo es extremadamente pequentildeo en comparacioacuten con el del aacutetomo y casi toda la masa de eacuteste estaacute concentrada en el nuacutecleoo Por lo tanto Rutherford plantea su modelo atoacutemico al que llamoacute SISTEMA PLANETARIO con un nuacutecleo donde estaacuten las partiacuteculas positivas con espacios vaciacuteos y en la superficie cargas negativas

Sobre la base de las observaciones posteriores Rutherford postuloacute las siguientes hipoacutetesis o El aacutetomo estaacute constituido por un nuacutecleo en donde se encuentra casi la totalidad de la masa atoacutemica y la carga positiva el volumen efectivo del nuacutecleo es extremadamente pequentildeo en comparacioacuten con el del aacutetomo o En torno a este nuacutecleo y a grandes distancias de eacutel (espacios vaciacuteos) giran los electrones a una velocidad tal que la fuerza de atraccioacuten electrostaacutetica compense a la fuerza centriacutefuga o Como eacutel aacutetomo es neutro el nuacutemero de cargas positivas en el nuacutecleo debe ser igual al nuacutemero de cargas negativas alrededor de eacutel (1912)

1048766 FALLAS DEL MODELO DE RUTHERFORDAunque el modelo de Rutherford para el aacutetomo explicaba la distribucioacuten de masas positivas y negativas en el aacutetomo o no explicaba el origen de los espectros lineales o Era un aacutetomo inestableDe acuerdo con las leyes de la fiacutesica claacutesica un electroacuten en oacuterbitas se debe acelerar y por consiguiente irradiar energiacutea Al hacerlo el electroacuten perderaacute energiacutea constantemente y tambieacuten en forma constante disminuiraacute su radio orbital de modo que emitiraacute una radiacioacuten continua y eventualmente entraraacute en espiral en el nuacutecleoEsto contradice dos hechos experimentales los aacutetomos son estables y los electrones que lo constituyen no entran en el nuacutecleo y ademaacutes producen espectros lineales y no espectros continuos Por lo tanto era necesario un nuevo modelo que no solo excluyera los resultados de Rutherford sino que ademaacutes explicara la estabilidad de los aacutetomos y la aparicioacuten de espectros linealesAnte esta situacioacuten el modelo no era el adecuado para avanzar maacutes en el conocimiento del aacutetomo por lo tanto tuvieron que buscar maacutes evidencias

EL AacuteTOMO DE BOHR

Niels Bohr ganador del Premio Noacutebel no soacutelo es famoso por su trabajo teoacuterico personal sino por su papel como

preceptorde fiacutesicos joacutevenes que contribuyeron notablemente a la fiacutesica teoacuterica Como director del Instituto de Fiacutesica Teoacuterica de la Universidad de Copenhague Bohr reunioacute a algunos de los mejores fiacutesicos como Werner Heisenberg o GeorgeGamow En el instituto durante la deacutecada de 1920 se realizaron trabajos muy importantes en mecaacutenica cuaacutentica y en fiacutesica teoacuterica en general postuloacute que los electrones giran a grandes

velocidades alrededor del nuacutecleo atoacutemico En ese caso los electrones se disponen en diversas oacuterbitas circulares las cuales determinan diferentes niveles de energiacutea

En 1911 Rutherford establecioacute la existencia del nuacutecleo atoacutemico A partir de los datos experimentales de la dispersioacuten de partiacuteculas alfa por nuacutecleos de aacutetomos de oro supuso que cada aacutetomo estaacute formado por un nuacutecleo denso y con carga positiva rodeado por electrones cargados negativamente que giran en torno al nuacutecleo como los planetas alrededor del Sol La teoriacutea electromagneacutetica claacutesica desarrollada por el fiacutesico britaacutenico James Clerk Maxwell predeciacutea inequiacutevocamente que un electroacuten que girara en torno a un nuacutecleo radiariacutea continuamente energiacutea electromagneacutetica hasta perder toda su energiacutea y acabariacutea cayendo en el nuacutecleo Por tanto seguacuten la teoriacutea claacutesica el aacutetomo descrito por Rutherford seriacutea inestable Esta dificultad llevoacute al fiacutesico daneacutes Niels Bohr a postular en 1913 que la teoriacutea claacutesica no es vaacutelida en el interior del aacutetomo y que los electrones se desplazan en oacuterbitas fijas Cada cambio de oacuterbita de un electroacuten corresponde a la absorcioacuten o emisioacuten de un cuanto de radiacioacutenLa aplicacioacuten de la teoriacutea de Bohr a aacutetomos con maacutes de un electroacuten resultoacute difiacutecil Las ecuaciones matemaacuteticas para el siguiente aacutetomo maacutes sencillo el de helio fueron resueltas durante la segunda y tercera deacutecada del siglo XX pero los resultados no concordaban exactamente con los datos experimentales Para aacutetomos maacutes complejos soacutelo pueden obtenerse soluciones aproximadas de las ecuaciones y se ajustan soacutelo parcialmente a las observacionesUn aacutetomo tiene una dimensioacuten total del orden de 10-9 m Estaacute compuesto por un nuacutecleo relativamente pesado (cuyas dimensiones son del orden de 10-14 m) alrededor del cual se muevenlos electrones cada uno de carga ndashe (16 10-19 C) y de masa me (91middot10-31

kg)

El nuacutecleo estaacute compuesto por protones y neutrones El nuacutemero Z de protones coincide con el nuacutemero de electrones en un aacutetomo neutro La masa de un protoacuten o de un neutroacuten es aproximadamente 1850 veces la de un electroacuten En consecuencia la masa de un aacutetomo es praacutecticamente igual a la del nuacutecleoSin embargo los electrones de un aacutetomo son los responsables de la mayoriacutea de las propiedades atoacutemicas que se reflejan en las propiedades macroscoacutepicas de la materiaEl movimiento de los electrones alrededor del nuacutecleo se explica considerando solamente las interacciones entre el nuacutecleo y los electrones (la interaccioacuten gravitatoria es completamente despreciable)Consideremos dos electrones separados una distancia d y comparemos la interaccioacuten electromagneacutetica con fuerza de atraccioacuten entre sus masas

La intensidad de la interaccioacuten gravitatoria es por tanto despreciable frente a la interaccioacuten electromagneacutetica

Modelo atoacutemico de BohrEl modelo de Bohr es muy simple y recuerda al modelo planetario de Copeacuternico los planetas describiendo oacuterbitas circulares alrededor del SolEl electroacuten de un aacutetomo o ion hidrogenoide describe oacuterbitas circulares pero los radios de estas oacuterbitas no pueden tener cualquier valorConsideremos un aacutetomo o ion con un solo electroacuten El nuacutecleo de carga Ze es suficientemente pesado para considerarlo inmoacutevil de modo que la energiacutea del electroacuten es

Si el electroacuten describe una oacuterbita circular de radio r por la dinaacutemica del movimiento circular uniforme

En el modelo de Bohr solamente estaacuten permitidas aquellas oacuterbitas cuyo momento angular estaacutecuantizado

n es un nuacutemero entero que se denomina nuacutemero cuaacutentico y h es la constante de Planck h= 66256middot10-34 Js

Las ecuaciones (2) y (3) nos dan los radios de las oacuterbitas permitidas

1048766 El radio de la primera oacuterbita es n=1 r=529middot10-11 m se denomina radio de Bohr

Nota Con Aring se designa la unidad de longitud Angstrom (en el sistema SI) y equivale a 10x10-10 metrosEl electroacuten puede acceder a un nivel de energiacutea superior pero para ello necesita absorber energiacutea Cuando vuelve a su nivel de energiacutea original el electroacuten necesita emitir la energiacutea absorbida (por ejemplo en forma de radiacioacuten)

1048766 La energiacutea total se puede escribir

La energiacutea del electroacuten aumenta con el nuacutemero cuaacutentico n

Al discutir el experimento de Frank- Hertz se mencionaba la primera energiacutea de excitacioacuten comola necesaria para llevar a un aacutetomo de su estado fundamental a el primer (o maacutes bajo) estado excitadoLa energiacutea del estado fundamental se obtiene con n 1 E 136 eV 1 = = minus y la del primer estado excitado con n 2 E 34 eV 2 = = minusLas energiacuteas se suelen expresar en ldquoelectroacuten-voltiosrdquo (1eV=16 10-19 J)1048766 La radiacioacuten emitida cuando el electroacuten pasa del estado excitado al fundamental es

Espectros AtoacutemicosUno de los logros mas espectaculares de la teoriacutea Cuaacutentica es la explicacioacuten del origen de las liacuteneas espectrales de los aacutetomosbull Cuando se excitan en la fase gaseosa cada elemento da lugar a un espectro de liacuteneas uacutenicobull La espectroscopiacutea es un medio de suma utilidad para analizar la composicioacuten de una sustancia desconocidabull A finales del siglo XIX se descubrioacute que las longitudes de onda presentes en un espectro atoacutemico caen dentro de

determinados conjuntos llamados series espectralesbull Foacutermulas empiacutericas1 Serie de Balmer (1885) Espectro visible del H

El modelo atoacutemico de de Bohr daba una explicacioacuten teoacuterica a existencia de las ldquoseries espectrales del hidroacutegeno (eran empiacutericas) y salvaba la

inestabilidad del ldquoaacutetomo de RutherfordrdquoEste modelo funcionaba muy bien para el aacutetomo de hidroacutegenoEn los espectros realizados para otros aacutetomos se observaba que electrones de un mismo nivel energeacutetico teniacutean distinta energiacutea Algo andaba mal La conclusioacuten fue que dentro de un mismo nivel energeacutetico existiacutean subniveles

En 1916 Arnold Sommerfeld modifica el modelo atoacutemico deBohr en el cual los electrones soacutelo giraban en

oacuterbitas circulares al decir que tambieacuten podiacutean girar en oacuterbitas eliacutepticasTodaviacutea Chadwick no habiacutea descubierto los neutrones por eso en el nuacutecleo soacutelo se representan en rojo los protones

Este conocimiento dio lugar a un nuevo nuacutemero cuaacutentico el nuacutemero cuaacutentico azimutal que determina la forma de los orbitales se lo representa con la letra l y toma valores que van desde 0 hasta n-1

PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE

Werner K HeisenbergEl fiacutesico alemaacuten Werner K Heisenberg es conocido sobre todo por formular el principio de incertidumbre una contribucioacuten fundamental al desarrollo de la teoriacutea cuaacutentica Este principio afirma que es

imposible medir simultaacuteneamente de forma precisa la posicioacuten y el momento lineal de una partiacutecula Heisenberg fue galardonado con el Premio Nobel de Fiacutesica en 1932Principio de incertidumbre en mecaacutenica cuaacutentica principio que afirma que es imposible medir simultaacuteneamente de forma precisa la posicioacuten y el momento lineal de una partiacutecula por ejemplo un electroacuten

El principio tambieacuten conocido como principio de indeterminacioacuten afirma igualmente que si se determina con mayor precisioacuten una de las cantidades se perderaacute precisioacuten en la medida de la otra y que el producto de ambas incertidumbres nunca puede ser menor que la constante de Planck llamada asiacute en honor del fiacutesico alemaacuten Max Planck La incertidumbre es muy pequentildea y resulta despreciable en mecaacutenica claacutesica

En cambio en la mecaacutenica cuaacutentica las predicciones precisas de la mecaacutenica claacutesica se ven sustituidas por caacutelculos de probabilidadesEl principio de incertidumbre fue

formulado en 1927 por el fiacutesico alemaacuten Werner Heisenberg y tuvo una gran importancia para el desarrollo de la mecaacutenica cuaacutentica Las implicaciones filosoacuteficas de la indeterminacioacuten crearon una fuerte corriente de misticismo entre algunos cientiacuteficos que interpretaron que el concepto derribaba la idea tradicional de causa y efecto Otros entre ellos Albert Einstein consideraban que la incertidumbre asociada a la observacioacuten no contradice la existencia de leyes que gobiernen el comportamiento de las partiacuteculas ni la capacidad de los cientiacuteficos para descubrir dichas leyesA fines de 1800 el fiacutesico alemaacuten Wilhelm Roumlntgen descubrioacute un rayo nuevo y extrantildeo producido por el

choque de un electroacuten contra un trozo de vidrio Como eran rayos de naturaleza desconocida los llamoacute rayos x

LA RADIACTIVIDAD

Antoine Henri BecquerelEl fiacutesico franceacutes Antoine Henri Becquerel recibioacute el Premio Nobel de Fiacutesica

Pierre CurieEl fiacutesico franceacutes Pierre Curie obtuvo el Premio Nobel de Fiacutesica en 1903 por su descubrimiento de los elementos radiactivos Compartioacute el premio con su esposa Marie Curie y con su colega Antoine Henri Becquerel

Marie Curie Marie Curie acuntildeoacute el teacutermino radiactividad para las emisiones del uranio detectadas en sus primeros experimentos Mas tarde junto con su

marido descubrioacute los elementos de polonio y radio Radiactividad desintegracioacuten espontaacutenea de nuacutecleos atoacutemicos mediante la emisioacuten de partiacuteculas subatoacutemicas llamadas partiacuteculas alfa y partiacuteculas beta y de radiaciones electromagneacuteticas denominadas rayos X y rayos gammaEl fenoacutemeno fue descubierto en 1896 por el fiacutesico franceacutes Antoine Henri Becquerel al observar que las sales de uranio podiacutean ennegrecer una placa fotograacutefica aunque estuvieran separadas de la misma por una laacutemina de vidrio o un papel negro Tambieacuten comproboacute que los rayos que produciacutean el oscurecimiento podiacutean descargar un electroscopio lo que indicaba que poseiacutean carga eleacutectricaEn 1898 los quiacutemicos franceses Marie y Pierre Curie dedujeron que la radiactividad es un fenoacutemeno asociado a los aacutetomos e independiente de su estado fiacutesico o quiacutemico Tambieacuten llegaron a la conclusioacuten de que la pechblenda un mineral de uranio teniacutea que contener otros elementos radiactivos ya que presentaba una radiactividad maacutes intensa que las sales de uranio empleadas por Becquerel El matrimonio Curie llevoacute a cabo una serie de tratamientos quiacutemicos de la pechblenda que condujeron al descubrimiento de dos nuevos elementos radiactivos el polonio y el radio Marie Curie tambieacuten descubrioacute que el torio es radiactivoEn 1899 el quiacutemico franceacutes Andreacute Louis Debierne descubrioacute otro elemento radiactivo el actinioEse mismo antildeo los fiacutesicos britaacutenicos Ernest Rutherford y Frederick Soddy descubrieron el gas radiactivo radoacuten observado en asociacioacuten con el torio el actinio y el radio

TIPOS DE RADIACIOacuteN

1048766 Una partiacutecula alfa estaacute formada por dos protones y dos neutrones que actuacutean como una uacutenica partiacutecula Son nuacutecleos de aacutetomos de helio Cuando un nuacutecleo radiactivo inestable emite una partiacutecula alfa eacuteste se convierte en un nuacutecleo de un elemento distinto

1048766 Rayos gamma

Los rayos gamma (fotones de alta energiacutea) son emitidos por el nuacutecleo de

un aacutetomo tras sufrir unaDesintegracioacuten radiactiva La energiacutea del rayo gamma(generalmente similar a la de los rayos X de alta energiacutea)

corresponde a la diferencia de energiacuteas entre el nuacutecleo original y los productos de la desintegracioacuten Cada isoacutetopo radiactivo emite rayos gamma con una energiacutea caracteriacutestica

Hay dos tipos de desintegracioacuten beta En la que se muestra a la izquierda un neutroacuten se

convierte en un protoacuten emitiendo un antineutrino y una partiacutecula beta cargada negativamente Enla de la derecha un protoacuten se convierte en un neutroacuten emitiendo un neutrino y una partiacutecula beta positivamente cargada Las partiacuteculas beta positivas se llaman positrones y las negativas electrones Despueacutes de la desintegracioacuten el nuacutecleo del aacutetomo contiene un protoacuten maacutes o menospor lo que constituye un elemento nuevo con nuacutemero atoacutemico distintoEl descubrimiento de que la desintegracioacuten del radio produce radoacuten demostroacute de forma fehaciente que la desintegracioacuten radiactiva estaacute acompantildeada de un cambio en la naturaleza quiacutemica del elemento que se desintegra

Los rayos X la luz visible las ondas de radio etc son fotones de diferente energiacutea La radiacioacuten gama corresponde a fotones de alta energiacuteaLos experimentos sobre la desviacioacuten de partiacuteculas alfa en un campo eleacutectrico demostraron quela relacioacuten entre la carga eleacutectrica y la masa de dichas partiacuteculas es aproximadamente la mitad que la del ion hidroacutegeno Los fiacutesicos supusieron que las partiacuteculas podiacutean ser iones helio con carga doble (aacutetomos de helio a los que les faltaban dos electrones)El ion helio tiene una masa unas cuatro veces mayor que el de hidroacutegeno lo que supondriacutea que su relacioacuten carga-masa seriacutea efectivamente la mitad que la del ion hidroacutegeno Esta suposicioacuten fue demostrada por Rutherford cuando hizo que una sustancia que emitiacutea partiacuteculas alfa se desintegrara cerca de un recipiente de vidrio de paredes finas en el que se habiacutea hecho el vaciacuteoLas partiacuteculas alfa podiacutean atravesar el vidrio y quedaban atrapadas en el recipiente al cabo de unos diacuteas pudo

demostrarse la presencia de helio elemental utilizando un espectroscopio Maacutes tarde se demostroacute que las partiacuteculas beta eran electrones mientras que los rayos gamma eran radiaciones electromagneacuteticas de la misma naturaleza que los rayos X pero con una energiacutea considerablemente mayorRutherford descubrioacute que las emisiones radiactivas contienen al menos dos componentes partiacuteculas alfa que soacutelo penetran unas mileacutesimas de centiacutemetro en el aluminio y partiacuteculas beta que son casi 100 veces maacutes penetrantesEn experimentos posteriores se sometieron las emisiones radiactivas a campos eleacutectricos y magneacuteticos y estas pruebas pusieron de manifiesto la presencia de un tercer componente los rayos gamma que resultaron ser mucho maacutes penetrantes que las partiacuteculas betaEn un campo eleacutectrico la trayectoria de las partiacuteculas beta se desviacutea mucho hacia el polo positivo mientras que la de las partiacuteculas alfa lo hace en menor medida hacia el polo negativo los rayos gamma no son desviados en absoluto Esto indica que las partiacuteculas beta tienen carga negativa las partiacuteculas alfa tienen carga positiva (se desviacutean menos porque son maacutes pesadas que las partiacuteculas beta) y los rayos gamma son eleacutectricamente neutrosPronto se reconocioacute que la radiactividad era una fuente de energiacutea maacutes potente que ninguna de las conocidas Los Curie midieron el calor asociado con la desintegracioacuten del radio y establecieron que 1 gramo de radio desprende aproximadamente unos 420 julios (100 caloriacuteas) de energiacutea cada hora

Este efecto de calentamiento continuacutea hora tras hora y antildeo tras antildeo mientras que la combustioacuten completa de un gramo de carboacuten produce un total de 34000 julios (unas 8000 caloriacuteas) de energiacutea Tras estos primeros descubrimientos la radiactividad atrajo la atencioacuten de cientiacuteficosde todo el mundo En las deacutecadas siguientes se investigaron a fondo muchos aspectos del fenoacutemeno

Dos meses despueacutes de este descubrimiento el fiacutesico franceacutes Henri Becquerel estaba realizandoun experimento en el que cubriacutea diferentes elementos con placas fotograacuteficas revestidas en negro para medir si estos elementos podiacutean emitir rayos Si un elemento emitiera un rayo penetrariacutea el revestimiento negro y expondriacutea la placa fotograacutefica Para su sorpresa Becquerel encontroacute que unos cuantos elementos incluido el uranio emitiacutean rayos energeacuteticos sin recibir ninguacuten aporte externo de energiacuteaLa importancia de los experimentos de Becquerel fue el descubrimiento que existen procesos naturales responsables de que ciertos elementos liberen rayos x energeacuteticosEsto sugiere que esos elementos son intriacutensecamente inestables porque liberan espontaacuteneamente diferentes formas de energiacutea Esta liberacioacuten de partiacuteculas energeacuteticas (en la forma de rayos x) provenientes del decaimiento de aacutetomos inestables se llama radioactividad

Los tres tipos distintos de radiacioacuten fueron llamados utilizando las tres primeras letras del alfabeto griego (alfa) (beta) y (gama) Estas tres formas de radiacioacuten pueden ser separadas por medio de un campo magneacutetico ya que las partiacuteculas alfa cargadas positivamente doblan en una direccioacuten las partiacuteculas beta negativas en la direccioacuten opuesta y la radiacioacuten gama eleacutectricamente neutra no dobla en absoluto

Los fiacutesicos franceses Pierre y Marie Curie llevaron a cabo gran parte de las investigaciones baacutesicas que abrieron una brecha en el conocimiento de la

radioactividad Despueacutes de muchos antildeos de estudio estos cientiacuteficos identificaron varios tipos de partiacuteculas resultantes de procesos radioactivos (radiacioacuten)Las partiacuteculas alfa pueden ser detenidas por medio de una hoja de papel las partiacuteculas beta por aluminio y la radiacioacuten gama con un bloque de plomo Ya que la radiacioacuten gama puede penetrar muy profundamente dentro de un material y tiene la propiedad de romper ligaduras quiacutemicas se la considera como la maacutes peligrosa cuando se trabaja con materiales radioactivos (lamentablemente a los cientiacuteficos les tomoacute muchos antildeos determinar los peligros de la radiactividad)

Esa idea de que si puede suceder iexclsucederaacute es fundamental para la mecaacutenica cuaacutentica la rama de la fiacutesica que explica el comportamiento de las partiacuteculas en teacuterminos de probabilidades Para algunos aacutetomos hay una probabilidad cierta de sufrir decaimientos radiactivos a causa de la posibilidad de que el nuacutecleo --por un instantemdashpueda existir en un estado que le permita volar en pedazos

Un pedazo de uranio por siacute mismo decaeraacute gradualmente hacia varias partiacuteculas maacutes pequentildeasLa tasa de decaimiento se mide por el tiempo requerido para que decaiga la mitad de la masa de uranio (la vida media) Auacuten cuando es absolutamente aleatorio cuaacutendo decaeraacute un aacutetomo en particular podemos efectuar una buena prediccioacuten para la vida media de un nuacutemero grande de aacutetomosHubo mucha gente descontenta con la idea que las probabilidades puedan regir las propiedades fiacutesicas En respuesta a esta teoriacutea Einstein proclamoacute Dios no juega a los dados (Einstein estaba equivocado)Si usted arroja una moneda soacutelo dos veces y obtiene dos caras no puede de alliacute sacar conclusiones respecto a la probabilidad de obtener una seca en el proacuteximo tiro porque el tamantildeo de su muestra es muy pequentildeo Sin embargo si usted arroja una moneda cien veces y obtiene 51 caras y 49 secas usted puede concluir que la chance de obtener una seca es del50 A pesar de que las propiedades fiacutesicas esteacuten regidas por las probabilidades los fiacutesicos pueden predecir aproximadamente los resultados globales de una gran

muestra de eventos aleatorios En el caso de la vida media por ejemplo pueden predecir cuaacutendo la mitad de los aacutetomos de un grupo dado habraacute decaiacutedo aleatoriamente

iquestDoacutende se fue la masaTodaviacutea estaacute sin responder la pregunta si un aacutetomo deuranio decae hacia uno de thorio maacutes una partiacutecula alfa iquestdoacutendefueron las

UMAs restantes

Habiacutea un montoacuten de energiacutea almacenada en la fuerza fuerte residual que manteniacutea el aacutetomo de uranio unido Cuando ese aacutetomo de uranio sufrioacute eldecaimiento radioactivo algo de esta energiacutea fue liberada como energiacutea cineacutetica (la energiacutea del movimiento) Esta conversioacuten de energiacutea quedoacute registrada como una peacuterdida de masaMediadores del decaimiento de partiacuteculas Los aacutetomos pueden decaer en aacutetomos de menor masa desdoblaacutendose pero iquestcoacutemo decae una partiacutecula fundamental en otra partiacutecula fundamental Por definicioacuten es imposible partir una partiacutecula fundamental

Resulta que cuando una partiacutecula decae se transforma en una partiacutecula

de menor masa maacutes una partiacutecula portadora de fuerza (un gluoacuten o WZ) Estos portadores de fuerza pueden luego decaer en otras partiacuteculasAsiacute una partiacutecula no puede simplemente transformarse en otro tipo de partiacutecula hay una partiacutecula portadora de fuerza intermediaria que actuacutea como mediador en los decaimientos de partiacuteculasEn muchos casos estas partiacuteculas portadoras de fuerza provisorias parecen violar la conservacioacuten de la energiacutea debido a que soacutelo existen a energiacuteas extremadamente altasSin embargo estas partiacuteculas existen durante un lapso tan breve que no se rompe ninguna regla (partiacuteculas con estas caracteriacutesticas son denominadas partiacuteculas virtuales )

Tanto la interaccioacuten fuerte como la deacutebil causan el decaimiento de las partiacuteculas Antes de explicar algunas diferencias entre estas interacciones es necesario redefinir un par de teacuterminos clavesCarga ElectromagneacuteticaLas Partiacuteculas con carga electromagneacutetica atraen a otras partiacuteculas con carga eleacutectrica opuesta y repelen a las partiacuteculas con cargas de igual signo La interaccioacuten electromagneacutetica ha sido unificada con la interaccioacuten deacutebil constituyendo la interaccioacutenelectrodeacutebilCarga de ColorAsiacute como algunas partiacuteculas pueden estar cargadas electromagneacuteticamente otras partiacuteculas tienen un tipo diferente de carga llamada carga de color La interaccioacuten fuerte causa la atraccioacuten entre partiacuteculas con carga de colorSaborEl tipo de cada partiacutecula se denomina su sabor Si una partiacutecula decae de un tipo ha otro se dice que cambia su

sabor Cuando un quark down por ejemplo decae hacia un quark up seriacutea incorrecto decir que el quark down repentinamente dejoacute de existir se dice en cambio que el quark down cambioacute su sabor

de color Los portadores de fuerza de la interaccioacuten deacutebil son los W+

(eleacutectricamente positivos)W- (eleacutectricamente negativos) y los Z (sin carga eleacutectrica) Ninguna de las partiacuteculas portadorasde la fuerza deacutebil tienen carga de colorTiacutepicamente las partiacuteculas portadoras de la fuerza deacutebil (Wplusmn) actuacutean como intermediarios en aquellos decaimientos en los que las partiacuteculas cambian su carga eleacutectrica Esto pasa usualmente siempre que una partiacutecula cambia de sabor La partiacutecula portadora de la fuerza fuerte (el gluoacuten) es el mediador en los decaimientos que involucran un cambio de color Al ser maacutes intensas las interacciones fuertes acontecen maacutes raacutepidamente que las interacciones deacutebilesAniquilacionesLas aniquilaciones son diferentes de los decaimientos en que en una aniquilacioacuten una partiacutecula de materia y una partiacutecula de antimateria se aniquilan entre siacute convirtieacutendose totalmente en energiacuteaen tanto que en un decaimiento una parte de la masa de la partiacutecula que decae se convierte en energiacutea y el resto de la masa se convierte en masa de las nuevas partiacuteculas

Durante una aniquilacioacuten una partiacutecula de materia y una de antimateria interactuacutean entre siacute convirtiendo toda la energiacutea que poseen antes de la aniquilacioacuten en una partiacutecula portadora de fuerza muy energeacutetica (un gluoacuten WZ o un fotoacuten) Estos portadores de

fuerzas a su vez pueden decaer generando otras partiacuteculasMuy a menudo los fiacutesicos hacen que dos partiacuteculas se aniquilen a tremendas energiacuteas para poder crear nuevas partiacuteculas masivas Muchos eventos pueden involucrar aniquilaciones interacciones deacutebiles yo interacciones fuertes Diriacutejase a la siguiente paacutegina para ver varios ejemplos

Ejemplos de decaimientos

La liacutenea del tiempo de la fiacutesica de partiacuteculasPor maacutes de dos mil antildeos la gente ha pensado acerca de las partiacuteculas fundamentales con las queestaacute hecha toda la materia empezando con un desarrollo gradual de la teoriacutea atoacutemica para continuar luego con una comprensioacuten maacutes profunda del aacutetomo cuaacutentico hasta llegar a la reciente teoriacutea del Modelo StandardLo invitamos a explorar esta historia de la fiacutesica de partiacuteculas con su visioacuten enfocada hacia los cientiacuteficos y los pensadores que ayudaron a dar forma a este campo de la fiacutesica Las cuatro secciones estaacuten dispuestas cronoloacutegicamente Usted puede usar el iacutendice para encontrar mayor informacioacuten sobre una persona

especiacutefica o sobre un evento en particular

Las secciones de la Historia de la Fiacutesica de Partiacuteculas fueron escritas por el grupo de fiacutesica de 1996 del Mountain Empire High School Pine Valley California bajo la conduccioacuten de Susan Lafo

Las fuerzas fuertes residuales unen el nuacutecleo

Recuerde que en la ruta del Modelo Standard vimos que los protones son positivos y que el nuacutecleo se mantiene unido gracias a las interacciones fuertes residuales Un nuacutecleo se separariacutea a causa de la repulsioacuten eleacutectrica entre protones si no estuvieran pegados por los gluones que afectan al nuacutecleo completoImagine el nuacutecleo como si fuera un resorte traccionado con fuerza (por la repulsioacuten eleacutectrica ) pero con su longitud mantenida gracias a una soga resistente (fuerza residual fuerte) A causa de ello hay un montoacuten de energiacutea potencial en el resorte que no se puede liberar por causa de la resistencia de la soga

FUERZAS FUNDAMENTALESLas partiacuteculas elementales ejercen fuerzas sobre las demaacutes partiacuteculas y son continuamente creadas y aniquiladas En realidad las fuerzas y los procesos de creacioacuten y aniquilacioacuten son fenoacutemenos relacionados y se denominan colectivamente interacciones o fuerzas fundamentalesSe conocen cuatro tipos de interaccioacuten

Fuerzas fundamentalesLas cuatro fuerzas fundamentales (gravitatoria nuclear deacutebil electromagneacutetica y nuclear fuerte) mantienen unidas las partiacuteculas y las hacen interaccionar dando forma a la materia y al UniversoCada una de ellas es transmitida por unas partiacuteculas muy especiales llamadas bosones La fuerza gravitatoria es la maacutes deacutebil de las fuerzas fundamentales es transmitida por el gravitoacuten (partiacutecula cuya existencia todaviacutea no ha sido confirmada experimentalmente) y estaacute ligada a la masa de los cuerpos

La fuerza maacutes intensa es la nuclear fuerte transmitida por el gluoacuten que actuacutea en el interior del nuacutecleo entre los quarks que forman protones y neutrones De intensidad intermedia son la fuerza electromagneacutetica que une los electrones a los nuacutecleos en aacutetomos y moleacuteculas y la fuerza nuclear deacutebil responsable de las desintegraciones radiactivas y de algunas reacciones nucleares que tienen lugar en el interior de las estrellas Estas dos fuerzas como demostraron Abdus Salam Steven Weinberg y Sheldon Lee Glashow (premios Nobel de Fiacutesica en 1979) son dos manifestaciones diferentes del mismo tipo de interaccioacuten la fuerza electrodeacutebil

La interaccioacuten nuclear fuerte es la maacutes intensa y es la responsable de la vinculacioacuten de protones y neutrones para formar nuacutecleos Le sigue en intensidad la interaccioacuten electromagneacutetica que une los electrones a los nuacutecleos en aacutetomos y moleacuteculas Desde el punto de vista praacutectico esta unioacuten reviste una gran importancia porque todas las reacciones quiacutemicas conllevan transformaciones de esta unioacuten electromagneacutetica de los electrones y los nuacutecleosLa llamada interaccioacuten deacutebil o fuerza nuclear deacutebil es mucho menos intensa Rige la desintegracioacuten radiactiva de los nuacutecleos atoacutemicos que fue observada por primera vez (1896-1898) por los fiacutesicos y quiacutemicos franceses Antoine H Becquerel Pierre y Marie Curie La interaccioacuten gravitatoria es importante a gran escala aunque es la maacutes deacutebil de las interacciones entre partiacuteculas elementalesEn la actualidad los cientiacuteficos intentan demostrar que todas estas interacciones aparentemente diferentes son manifestaciones en circunstancias distintas de un modo uacutenico de interaccioacuten El teacutermino ldquoteoriacutea del campo unificadordquo engloba a las nuevas teoriacuteas en las que dos o maacutes de las cuatro fuerzas fundamentales aparecen como si fueran baacutesicamente ideacutenticas La teoriacutea de la gran

unificacioacuten intenta unir en un uacutenico marco teoacuterico las interacciones nuclear fuerte y nuclear deacutebil y la fuerza electromagneacuteticaEsta teoriacutea de campo unificado se halla todaviacutea en proceso de ser comprobada La teoriacutea del todo es otra teoriacutea de campo unificado que pretende proporcionar una descripcioacuten unificada de las cuatro fuerzas fundamentales Hoy la mejor candidata a convertirse en una teoriacutea del todo es la teoriacutea de supercuerdas

Constituyentes de la materia

Seguacuten el modelo estaacutendar la materia se compone de dos tipos de partiacuteculas fundamentales los leptones y los quarks El electroacuten uno de los constituyentes elementales del aacutetomo pertenece a la familia de los leptonesEn cambio el protoacuten y el neutroacuten constituyentes del nuacutecleo atoacutemico estaacuten formados por quarksLa simetriacutea de la naturaleza ha ordenado las partiacuteculas de cada clase en tres familias Las medidas efectuadas en el acelerador LEP del CERN (Organizacioacuten Europea para la Investigacioacuten Nuclear) han confirmado ese nuacutemero de familias proporcionando fundamento experimental al modeloNotaTeoriacutea de supercuerdasTeoriacutea de supercuerdas teoriacutea fiacutesica que considera los componentes fundamentales de la materia no como puntos matemaacuteticos sino como entidades unidimensionales (liacuteneas) llamadas lsquocuerdasrsquo y que incorpora la

teoriacutea matemaacutetica de supersimetriacutea Esta uacuteltima teoriacutea es una evolucioacuten de la teoriacutea de la gran unificacioacuten que sugiere que todos los tipos de partiacutecula conocidos deben tener una ldquocompantildeera supersimeacutetricardquo todaviacutea no descubierta Esto no significaque exista una compantildeera para cada partiacutecula individual (por ejemplo para cada electroacuten) sino un tipo de partiacutecula asociado a cada tipo conocido de partiacutecula La partiacutecula hipoteacutetica correspondiente al electroacuten seriacutea el selectroacuten por ejemplo y la correspondiente al fotoacuten seriacutea el fotino Esta combinacioacuten de la teoriacutea de cuerdas y la supersimetriacutea es el origen del nombre de lsquosupercuerdasrsquoLas propiedades como la carga eleacutectrica se consideran vinculadas en cierto sentido a los extremos de las cuerdas y la forma en que las cuerdas vibran y rotan explica muchas propiedades de partiacuteculas como los protones y electrones aunque las cuerdas en siacute mismas seriacutean muchiacutesimo maacutes pequentildeas que estas partiacuteculas lsquode la vida diariarsquoUna cuerda tiacutepica seriacutea tan pequentildea que hariacutean falta 1020 cuerdas una detraacutes de otra para abarcar el diaacutemetro de un uacutenico protoacuten Resulta imposible estudiar la estructura de la materia a esta escala en experimentos realizados en laboratorios terrestres hacerlo exigiriacutea un acelerador de partiacuteculas mayor que la propia Tierra Sin embargo los fiacutesicos matemaacuteticos estaacuten muy interesados por las implicaciones de la teoriacutea de cuerdas ya que ademaacutes de explicar el comportamiento conocido de partiacuteculas como electrones y protones proporciona automaacuteticamente una descripcioacuten de la gravitacioacuten a partir del comportamiento de cuerdas vibrantes en forma de bucle Muchos fiacutesicos creen por ello que las supercuerdas son el planteamiento que mejores perspectivas ofrece para desarrollar una teoriacutea del todo definitiva

En la actualidad algunas experiencias comunes nos relacionan a la materia con la electricidad A principios del siglo XX se empezaron a encontrar relaciones entre la materia y algunos fenoacutemenos fiacutesicosEn el siglo V aC los griegos observaron que cuando se frotaba aacutembar (resina foacutesil de los aacuterboles) con alguna tela eacuteste material era capaz de atraer pequentildeos pedazos de papel paja hojas secas etc Posteriormente se vio que el vidrio presenta fenoacutemenos semejantes en la actualidad nosotros estamos familiarizados con este tipo de fenoacutemenos como por ejemplo un peine o al deslizarse un cuerpo sobre una vestidura de automoacutevil y hacer contacto posterior con un material metaacutelicoEsta fuerza de atraccioacuten se le llamoacute electricidad de la palabra griega aacutembar Actualmente este tipo de electricidad producida por frotamiento se le conoce con el nombre de Electricidad Estaacutetica para distinguirla de la corriente eleacutectricaMuchos antildeos despueacutes de los griegos Benjamiacuten Franklin (1747) realizoacute maacutes experimentos sobre la electricidad estaacutetica y llegoacute a la siguiente conclusioacutenldquoLa electricidad no se forma uacutenicamente por frotamiento sino que se recogeya que es un elemento que se encuentra difundido en toda la materiardquoEsto constituyoacute el primer paso firme sobre el conocimiento de la estructura electroacutenica de los aacutetomos

1048766 RAYOS CATOacuteDICOSExperimento con los tubos de CroquesInvestigacioacuten de las propiedades del electroacutenEl paso de la electricidad a traveacutes de soluciones salinas llevoacute a la conclusioacuten de que la corriente consiste de cargas en movimiento Si hacemos pasar una

corriente a traveacutes de los gases se obtiene una visioacuten mas detallada de eacutestas cargas

JJ Thomson(1856 - 1940) Premio Noacutebel en 1906 en 1895 estudiando el paso de la corriente a traveacutes de los gases usoacute para su estudio los tubos de Crookes modificados

a) El tubo estaba completamente cerrado y al vaciacuteo Dentro de eacutel se encuentran 2 electrodos uno es el caacutetodo ( - ) y otro el aacutenodo ( + ) los cuales estaacuten conectados a una fuente de alto voltaje

b) Se procedioacute a encontrar la relacioacuten entre la carga y la masa del electroacuten de acuerdo con lo siguienteAl paso de una corriente eleacutectrica de alto potencial se libera un flujo de electrones en liacutenea recta desde el polo negativo o caacutetodo hacia el polo positivo o aacutenodo

Los rayos catoacutedicos viajan en liacutenea recta y por ello proyectan la sombra de cualquier cuerpo que se interponga a su paso es por esto que los rayos catoacutedicos que se desplazan por el tubo en liacutenea recta chocan con la cruz y no penetran el resultado es que en el vidrio aparece la sombra de la cruz ya que el vidrio se hace fluorescente en todas las regiones excepto la que queda directamente detraacutes de la cruz








































kg)



























LA RADIACTIVIDAD







1048766 Rayos gamma

















UMAs restantes






























































kg)



























LA RADIACTIVIDAD







1048766 Rayos gamma

















UMAs restantes


















































LA RADIACTIVIDAD







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UMAs restantes

























1048766 Rayos gamma

















UMAs restantes


































UMAs restantes
























Guia El Mundo Atomico Preparacion Prueba de Nivel IV° Segundo Semestre

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