PARTÍCULASPARTÍCULASe e

INTERACCIONESINTERACCIONES

Hipótesis: Hipótesis:

La materia está constituida La materia está constituida por “partículas discretas” por “partículas discretas” indivisibles, inmutables y indivisibles, inmutables y eternas eternas que dependiendo que dependiendo del número y disposición del número y disposición relativa, pueden dar lugar relativa, pueden dar lugar a estructuras mayoresa estructuras mayores

Leucipo y DemócritoDalton

DEFINICIÓN DE MATERIADEFINICIÓN DE MATERIA

Es todo lo que existe que tiene masa y energía y ocupa un espacio.

La materia es de lo que están hechos todos los objetos materiales

M A S AM A S A

La masa de un cuerpo corresponde a la cantidad de materia que éste posee y su unidad de medida es el

gramo.

La masa de un objeto es una cantidad invariable, independiente de la posición del objeto.

La masa de un objeto se puede medir en una balanza al

compararla, con otras masas conocidas.

Comparación de masa entre Marte y la Tierra

MATERIAMATERIA

Macroscópico:

Biomoléculas, organelos,

células, tejidos, órganos,

sistemas

Representaciones:

Símbolos, fórmulas, ecuaciones, cálculos

Mic

rosc

ópic

a:

Qua

rks,

ele

ctro

nes,

pro

tone

s,

núcl

eos,

áto

mos

, mol

écul

as,

PUNTOS DE VISTAPUNTOS DE VISTA

EELL

IINNIICCIIOO

10 –6 sec 10 –4 sec 3 min 15 billones de años

PlasmaQuark-Gluón Nucleones Núcleos Átomos

Universo

Experimento

Big Bang

A medida que se incursiona en el micromundo, cada vez más se A medida que se incursiona en el micromundo, cada vez más se percibe como fue el Universo en sus primeros momentos.percibe como fue el Universo en sus primeros momentos.

Hay un momento en que confluyen el micromundo y el Hay un momento en que confluyen el micromundo y el macromundo .macromundo .

Microcosmos y Microcosmos y macrocosmos…macrocosmos…

…mundos independientes relacionados …mundos independientes relacionados

DEL MICROMUNDO AL MACROMUNDODEL MICROMUNDO AL MACROMUNDOLa cinta métrica de la MateriaLa cinta métrica de la Materia

AcceleradoresAcceleradores MicroscopiosMicroscopios TelescopiosTelescopiosBinocularesBinoculares

DEL MICROMUNDO AL MACROMUNDODEL MICROMUNDO AL MACROMUNDOLa cinta métrica de la MateriaLa cinta métrica de la Materia

OBSERVANDO LO OBSERVANDO LO INVISIBLEINVISIBLE

(E(El LHC y sus detectores)l LHC y sus detectores)

Sin duda cambiará nuestra visión del Universo.

Reveladores de partículas…Reveladores de partículas…

CONTADORES GEIGERCONTADORES GEIGER: : Lo invisible hace ruidoLo invisible hace ruidoPartículas arrancan electrones, electrones acelerados en Partículas arrancan electrones, electrones acelerados en cascada, “ruido”.cascada, “ruido”.

CÁMARAS DE BURBUJASCÁMARAS DE BURBUJAS: : Rastros de lo invisibleRastros de lo invisibleSustancia “inestable”, partículas cargadas que perturban, Sustancia “inestable”, partículas cargadas que perturban, formación de trazos macroscópicosformación de trazos macroscópicos

DETECTORES RADIOQUÍMICOS: Contando átomosDETECTORES RADIOQUÍMICOS: Contando átomosPartícula modifica átomo, nuevos átomos formados son contados.

DETECTORES CERENKOV: Una piscina para lo invisible: DETECTORES CERENKOV: Una piscina para lo invisible: partícula produce eléctrones veloces, electrones emiten luz cerenkov, luz es registrada y rastreada

¿Cómo ver lo invisible?¿Cómo ver lo invisible?

PARTÍCULAS SUBATÓMICASPARTÍCULAS SUBATÓMICAS

Un panorama general sobre las partículas que constituyen las

sustancias materiales presupone la existencia de dos tipos:

Un panorama general sobre las partículas que constituyen las

sustancias materiales presupone la existencia de dos tipos:De Unión (BOSONES):

Partículas de espín entero (0, 1, 2...) responsables de transmitir las fuerzas fundamentales de la naturaleza. No están obligadas a cumplir el principio de exclusión de Pauli

De consistencia (FERMIONES):Partículas de espín semientero (1/2, 3/2) obligadas a cumplir el principio de exclusión de Pauli

Partículas Partículas FundamentalesFundamentales

BOSONESBOSONES

Fotones (Fotones (γ)) : Fuerza electromagnética (campo electromagnético). : Fuerza electromagnética (campo electromagnético).

W-ones, Z-ones W-ones, Z-ones : : Interacción nuclear débil (campo débil). CInteracción nuclear débil (campo débil). Cambian el ambian el sabor de fermiones durante el decaimiento o desintegración beta. de fermiones durante el decaimiento o desintegración beta.

GluonesGluones : : Interacción nuclear fuerte. Poseen carga de color y unen a Interacción nuclear fuerte. Poseen carga de color y unen a los los quarks (fermiones) creando un quarks (fermiones) creando un campo de color con estructura en forma de con estructura en forma de cuerda con inmensa fuerza. Si se intenta separar un par de quarks, el campo de cuerda con inmensa fuerza. Si se intenta separar un par de quarks, el campo de color tira de ellos con mucha más fuerza; es como si los quarks estuvieran color tira de ellos con mucha más fuerza; es como si los quarks estuvieran unidos por un "muelle gluónico" que intenta volver a su longitud inicial.unidos por un "muelle gluónico" que intenta volver a su longitud inicial.

Gravitones (?) Gravitones (?) : : Para la fuerza gravitatoria se especula con la existencia de Para la fuerza gravitatoria se especula con la existencia de estas partículas pero hasta el momento su existencia no ha sido confirmada estas partículas pero hasta el momento su existencia no ha sido confirmada experimentalmente.experimentalmente.

Pegantes cuantizados…Pegantes cuantizados… Partículas portadoras de fuerza.

FUERZAS DE INTERACCIÓNFUERZAS DE INTERACCIÓN

PROPIEDADES W y Z (W± y Z0)

Gluón (g) Fotón (γ)

Clasificación Bosón de gauge Bosón de gauge Bosón de gauge

Interacción nuclear débil nuclear fuerte Electromagnetismo

MasaW±: 80,425 (38) GeV/c2

Z0: 91,1876 (21) GeV/c2 Nula Nula

Carga eléctricaW±: ±1 eZ0: Neutra

Neutra Neutra

Carga de color Neutra Color-anticolor Neutra

SpinVida media ~10−25 s Estable Estable

AntipartículaW+: Bosón W−

Z0: Ella mismaElla misma Ella misma 

Interacciona conGravedadElectromagnetismo

Interacción fuerte − − − −

BOSONESBOSONES

Tipo Nombre Símbolo Cargaelectromagnética

Carga débilCarga fuerte(color)

Masa

Leptón

Electrón e- -1 -1/2 0 0,511 MeV/c²

Muón - -1 -1/2 0 105,6 MeV/c²

Tauón - -1 -1/2 0 1,784 GeV/c²

Neutrino electrónico e 0 +1/2 0 < 50 eV/c²

Neutrino muónico 0 +1/2 0 < 0,5 MeV/c²

Neutrino tauónico 0 +1/2 0 < 70 MeV/c²

Quark

up u +2/3 +1/2 R/G/B ~5 MeV/c²

charm (encanto) c +2/3 +1/2 R/G/B ~1.5 GeV/c²

top t +2/3 +1/2 R/G/B >30 GeV/c²

down d -1/3 -1/2 R/G/B ~10 MeV/c²

strange (extraño) s -1/3 -1/2 R/G/B ~100 MeV/c²

bottom b -1/3 -1/2 R/G/B ~4,7 GeV/c²

FERMIONESFERMIONES

Son solitarios y existen sin compañía

LEPTONESLEPTONES

FERMIONESFERMIONES

QUARKSQUARKS

Solo existen en grupo para formar Hadrones

Presentan carga fraccionaria

FERMIONESFERMIONES

Bariones:

Constituidos por tres quarks (qqq)

Protones 2 quarks up y 1 quark down (uud)

2/3 + 2/3 – 1/3 = 3/3 = 1

QUARKS QUARKS HADRONESHADRONES

Bariones:

Neutrones 1 up y 2 down (udd).

2/3 -1/3 -1/3 = 0

QUARKS QUARKS HADRONESHADRONES

Mesones:

Constituidos por un quark () y un antiquark (). Por ejemplo, un pión negativo ( ) es ( ).

QUARKS QUARKS HADRONESHADRONES

MOLECULAS

NATURALEZA DE LA NATURALEZA DE LA MATERIAMATERIA

Sistema periódico actual de los bloques fundamentales de la materia.

FUERZAS DE INTERACCIÓNFUERZAS DE INTERACCIÓN

Fuerza Electrodébil

Fuerza ElectromagnéticaQED

Fuerza DébilModelo Estándard

Fuerza Fuerte

QCD

Fuerza GravitacionalRelatividad General

galaxia1021 m

materia10-1 m

cristal10-9 m

átomo10-10 m

núcleo atómico10-14 m

electrón

nucleón10-15 m

<10-18 m

quark

ADN10-8 m

La investigación con haces de iones y antiprotones

Interacciones ión-materia

Plasmas densos

Campos EM intensos

Nucleos al extremo

Estructura de quarks y gluones de los hadrones

Materia de quarksPlasma quark-gluónExcitación del vacío

Iones pesados 12 TW/g

Núcleos exóticos (1 GeV/u)

Antiprotones 0-15(30) GeV

Iones relativistas (35 GeV/u)J. Benlliure

Fuerzas y PartículasFuerzas y Partículas

Interacción Interacción FuerteFuerte

Los núcleos están formados por protones y neutrones, y estos a su vez por quarks. Tanto los quarks entre sí como los neutrones y protones se mantienen pegados porque la interacción nuclear fuerte les obliga a ello.

El acoplamiento de los quarks dependen de lo que los científicos han llamado “color”: rojo, azul y verde. Para que una unión pueda ser llevada a cabo, el resultado ha de dar color blanco, y es análogo a mezclar diversas tintas para conseguir el color deseado.

Por ejemplo, el protón está formado por dos quarks del tipo llamado arriba y un quark del tipo llamado abajo, de forma que uno es rojo, otro azul y otro verde.

Puede parecer paradójico que dos quarks arriba tengan distinto color, sin embargo, la explicación se halla en que la interacción nuclear fuerte se manifiesta mediante el intercambio de gluones, que son los bosones correspondientes a esta interacción. Dichos gluones tienen la propiedad de cambiar la carga de color de los quarks, de forma que cada quark puede presentar cualquiera de los tres colores.

Esta fuerza tiene un alcance muy corto, alrededor de una billonésima de milímetro, de ahí que los núcleos atómicos tengan un escaso límite de tamaño. No hay átomos en la naturaleza cuyos núcleos cuenten con mucho más de 100 protones, porque si se acumularan demasiadas partículas el núcleo no aguantaría unido, se disgregaría en sus componentes empujado por otra de las fuerzas, la electromagnética.

Los núcleos están formados por protones y neutrones, y estos a su vez por quarks. Tanto los quarks entre sí como los neutrones y protones se mantienen pegados porque la interacción nuclear fuerte les obliga a ello.

El acoplamiento de los quarks dependen de lo que los científicos han llamado “color”: rojo, azul y verde. Para que una unión pueda ser llevada a cabo, el resultado ha de dar color blanco, y es análogo a mezclar diversas tintas para conseguir el color deseado.

Por ejemplo, el protón está formado por dos quarks del tipo llamado arriba y un quark del tipo llamado abajo, de forma que uno es rojo, otro azul y otro verde.

Puede parecer paradójico que dos quarks arriba tengan distinto color, sin embargo, la explicación se halla en que la interacción nuclear fuerte se manifiesta mediante el intercambio de gluones, que son los bosones correspondientes a esta interacción. Dichos gluones tienen la propiedad de cambiar la carga de color de los quarks, de forma que cada quark puede presentar cualquiera de los tres colores.

Esta fuerza tiene un alcance muy corto, alrededor de una billonésima de milímetro, de ahí que los núcleos atómicos tengan un escaso límite de tamaño. No hay átomos en la naturaleza cuyos núcleos cuenten con mucho más de 100 protones, porque si se acumularan demasiadas partículas el núcleo no aguantaría unido, se disgregaría en sus componentes empujado por otra de las fuerzas, la electromagnética.

La gravedad nos pega a nuestro planeta.

Es extremadamente débil en comparación con las fuerzas anteriores. Su intensidad es aproximadamente 1x10 30 de veces menor que la interacción nuclear débil. No obstante, en presencia de grandes acumulaciones de partículas, es decir, de cuerpos de gran masa, puede tener un efecto enorme, llegando a colapsar estrellas bajo la fuerza gravitatoria interna de su propia masa, dando lugar a los famosos agujeros negros y a las no tan famosas estrellas de neutrones.

Esta fuerza no tiene límite en su alcance, aunque su influencia se reduce según aumenta la distancia

La Ley de gravedad rige la Teoría General de la Relatividad, mayor reto para la física actual, en tanto que las otras tres fuerzas se explican mediante la llamada Teoría Cuántica, y hay graves dificultades para unificar ambas teorías y conseguir una única que explique todo, los intentos para relacionar el bosón de la gravedad, el llamado gravitón, con los demás bosones no fructifican.

La gravedad nos pega a nuestro planeta.

Es extremadamente débil en comparación con las fuerzas anteriores. Su intensidad es aproximadamente 1x10 30 de veces menor que la interacción nuclear débil. No obstante, en presencia de grandes acumulaciones de partículas, es decir, de cuerpos de gran masa, puede tener un efecto enorme, llegando a colapsar estrellas bajo la fuerza gravitatoria interna de su propia masa, dando lugar a los famosos agujeros negros y a las no tan famosas estrellas de neutrones.

Esta fuerza no tiene límite en su alcance, aunque su influencia se reduce según aumenta la distancia

La Ley de gravedad rige la Teoría General de la Relatividad, mayor reto para la física actual, en tanto que las otras tres fuerzas se explican mediante la llamada Teoría Cuántica, y hay graves dificultades para unificar ambas teorías y conseguir una única que explique todo, los intentos para relacionar el bosón de la gravedad, el llamado gravitón, con los demás bosones no fructifican.

Interacción Interacción GravitacionalGravitacional

Interacción Interacción ElectromagnéticaElectromagnética

Fuerza entendida como campos electromagnéticos o como intercambio de fotones, con intensidad de 100 veces más débil

que la fuerte.

Cuenta con la particularidad de que puede ser de dos tipos: positiva y negativa.

Así, los átomos son posibles porque los protones de carga positiva y los electrones de carga negativa se atraen para formar

elementos químicos, con la inestimable ayuda, en lo que a los núcleos se refiere, de la fuerza nuclear fuerte.

La interacción electromagnética no es de alcance restringido como la fuerte, y es la responsable de fenómenos a gran escala

presentes en nuestra vida diaria, como la propagación de la luz, la corriente eléctrica o las señales de radio y televisión.

Fuerza entendida como campos electromagnéticos o como intercambio de fotones, con intensidad de 100 veces más débil

que la fuerte.

Cuenta con la particularidad de que puede ser de dos tipos: positiva y negativa.

Así, los átomos son posibles porque los protones de carga positiva y los electrones de carga negativa se atraen para formar

elementos químicos, con la inestimable ayuda, en lo que a los núcleos se refiere, de la fuerza nuclear fuerte.

La interacción electromagnética no es de alcance restringido como la fuerte, y es la responsable de fenómenos a gran escala

presentes en nuestra vida diaria, como la propagación de la luz, la corriente eléctrica o las señales de radio y televisión.

Fuerza presente en los llamados fenómenos radiactivos de tipo beta, que no son otra cosa que desintegraciones de partículas y núcleos atómicos.

U intensidad es del orden a diez mil millones de veces más débil que la electromagnética y con un alcance aún menor que la interacción fuerte.

Lla interacción nuclear débil provoca que uno de los quarks arriba se convierta en un quark abajo, de forma que el protón se transformará en un neutrón. Este acontecimiento, aparentemente tan extraño, se está dando continuamente en el interior de estrellas como el Sol, y es de esperar que se pueda reproducir algún día cercano para obtener energía barata y limpia mediante fusión nuclear.

Se presenta en en el fenómeno de degradación del Carbono 14, famoso por su utilización en la datación de fósiles.                       La interacción nuclear débil, que se engendra mediante el intercambio de los bosones llamados W+, W- y Z0, restringe la materia estable a los consabidos protones y neutrones. Otras partículas más complejas se degradan inmediatamente por la actuación de esta fuerza.

Fuerza presente en los llamados fenómenos radiactivos de tipo beta, que no son otra cosa que desintegraciones de partículas y núcleos atómicos.

U intensidad es del orden a diez mil millones de veces más débil que la electromagnética y con un alcance aún menor que la interacción fuerte.

Lla interacción nuclear débil provoca que uno de los quarks arriba se convierta en un quark abajo, de forma que el protón se transformará en un neutrón. Este acontecimiento, aparentemente tan extraño, se está dando continuamente en el interior de estrellas como el Sol, y es de esperar que se pueda reproducir algún día cercano para obtener energía barata y limpia mediante fusión nuclear.

Se presenta en en el fenómeno de degradación del Carbono 14, famoso por su utilización en la datación de fósiles.                       La interacción nuclear débil, que se engendra mediante el intercambio de los bosones llamados W+, W- y Z0, restringe la materia estable a los consabidos protones y neutrones. Otras partículas más complejas se degradan inmediatamente por la actuación de esta fuerza.

Interacción Interacción Nuclear DébilNuclear Débil

MATERIAMATERIA

NATURALEZA DE LA MATERIA

MATERIA MOLECULAS ATOMOS

Átomos:Átomos: Una simple Una simple unidad de un unidad de un elemento se denomina átomo.se denomina átomo.

El átomo es la unidad El átomo es la unidad más básica de la más básica de la materia que compone materia que compone todo lo que nos rodea. todo lo que nos rodea.

Cada átomo retiene Cada átomo retiene todas las propiedades todas las propiedades químicas y físicas de su químicas y físicas de su elemento matriz. elemento matriz.

ATOMOS

ATOMOS

Descubierto el Descubierto el átomo, el hombre átomo, el hombre no vaciló en no vaciló en abrirlo y en abrirlo y en liberar su energía liberar su energía latente; y según latente; y según la teoría la teoría electrónica, el electrónica, el átomo está átomo está formado por:formado por:

ATOMO

PROTONES

NEUTRONES

ELECTRONES

MOLECULAS

BIOMOLECULAS

MEZCLAS

Una mezcla es un material formado Una mezcla es un material formado por la combinación física de dos o más por la combinación física de dos o más sustancias en proporciones variables, sustancias en proporciones variables, donde no ocurre una reacción química donde no ocurre una reacción química por lo que cada sustancia mantiene su por lo que cada sustancia mantiene su identidad y propiedades. Dado que identidad y propiedades. Dado que sus componentes no están sus componentes no están químicamente combinados y no se químicamente combinados y no se forman nuevas sustancias, sus forman nuevas sustancias, sus constituyentes pueden separarse por constituyentes pueden separarse por medios físicos (destilación, medios físicos (destilación, evaporación, cristalización, etc)evaporación, cristalización, etc)

Una Una disolución (del (del latín disolutiodisolutio) es una ) es una mezcla homogénea a nivel mezcla homogénea a nivel molecular de una de una o más especies químicas que no reaccionan o más especies químicas que no reaccionan entre sí. Toda disolución está formada por entre sí. Toda disolución está formada por una fase dispersa llamada una fase dispersa llamada soluto y un medio y un medio dispersante denominado dispersante denominado disolvente. La . La sustancia que existe en menor cantidad en la sustancia que existe en menor cantidad en la disolución es el soluto. En las disoluciones, el disolución es el soluto. En las disoluciones, el tamaño de partícula es el de las moléculas, tamaño de partícula es el de las moléculas, átomos o iones y se consideran menor a 1 átomos o iones y se consideran menor a 1 nanómetro (nm). Una disolución puede estar nanómetro (nm). Una disolución puede estar formada por uno o más solutos y uno o más formada por uno o más solutos y uno o más disolventes. Una disolución será una mezcla disolventes. Una disolución será una mezcla en la misma proporción en cualquier en la misma proporción en cualquier cantidad que tomemos (por pequeña que sea cantidad que tomemos (por pequeña que sea la gota), y no se podrán separar por la gota), y no se podrán separar por centrifugación ni filtración. ni filtración.

DISOLUCIÓNDISOLUCIÓN

Un sistema de dispersión es aquel Un sistema de dispersión es aquel en el cual la fase dispersa en el cual la fase dispersa consiste de granos o gotas de un consiste de granos o gotas de un componente en el seno de la fase componente en el seno de la fase dispersora. Tanto la fase dispersa dispersora. Tanto la fase dispersa como el medio de dispersión como el medio de dispersión pueden ser sólidos, líquidos o pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos. Como los gases son gaseosos. Como los gases son totalmente miscibles, no se totalmente miscibles, no se tienen dispersiones coloidales de tienen dispersiones coloidales de gas - gas, pero existen otras gas - gas, pero existen otras combinaciones posiblescombinaciones posibles

SISTEMA DE SISTEMA DE DISPERSIÓNDISPERSIÓN

Suspensión es una es una mezcla heterogénea donde heterogénea donde partículas sólidas muy pequeñas están en un líquido, partículas sólidas muy pequeñas están en un líquido, sin disolverse y distribuidas de manera uniforme. El sin disolverse y distribuidas de manera uniforme. El soluto o partículas en suspensión no solubles (fase o partículas en suspensión no solubles (fase dispersa) que se dispersan en un medio líquido dispersa) que se dispersan en un medio líquido (dispersante o dispersora). Las partículas son (dispersante o dispersora). Las partículas son suficientemente grandes como para poder ser vistas suficientemente grandes como para poder ser vistas mediante un microscopio o a ojo desnudo mediante un microscopio o a ojo desnudo (eventualmente, se precipitan de la mezcla). Cuando (eventualmente, se precipitan de la mezcla). Cuando uno de los componentes es agua y los otros son uno de los componentes es agua y los otros son sólidos suspendidos en la mezcla, son conocidas sólidos suspendidos en la mezcla, son conocidas como suspensiones mecánicas. Las suspensiones como suspensiones mecánicas. Las suspensiones presentan la característica de que sus partículas son presentan la característica de que sus partículas son mayores a las contenidas en las mayores a las contenidas en las disoluciones y los y los coloides, lo que permite observarlas a simple vista. , lo que permite observarlas a simple vista. Sus partículas se sedimentan si la suspensión se deja Sus partículas se sedimentan si la suspensión se deja en reposo. Los componentes de la suspensión en reposo. Los componentes de la suspensión pueden separarse por medio de pueden separarse por medio de centrifugación, , decantación, , filtración y y evaporación

SUSPENSIÓNSUSPENSIÓN

Coloide es una mezcla, donde partículas finamente divididas de un material (fase dispersa) se dispersan en un medio de dispersión. Sólidos finamente divididos que no sedimentan cuyo tamaño está entre los de una solución y una suspensión, típicamente, entre 1 y 100 nm (0,0001 micrón y 1 micrón; 1 micrón es 0,001 milímetro), Partículas tan finas que no sedimentan si no se someten a una coagulación previa. Los coloides son una transición entre las soluciones homogéneas y las suspensiones heterogéneas La diferencia entre disolución y coloide radica en el tamaño de las partículas en disolución, cuando esta comprendido entre 0,2u (micras, siendo 1u=10-3 mm) y 1mu (milimicra, 10-6 mm) se trata de una dispersión coloidal, y si es menor que 1mu se puede hablar propiamente de solución.

COLOIDECOLOIDE

COMPLEJIDAD BIOLÓGICACOMPLEJIDAD BIOLÓGICA(Células, Tejidos, Órganos, Aparatos)(Células, Tejidos, Órganos, Aparatos)