Partículas subatómicas

De los átomos a los quarks

El filósofo griego Demócrito fue uno de los primeros en creer en la existencia de los átomos, hace más de 2000 años. Creía que los átomos eran indestructibles, no tenían estructura interna y que los átomos de una misma sustancia eran todos idénticos. Incluso, la propia palabra átomo proviene del griego atomus (ἀτόμος), que significa indivisible. Sin embargo, ahora sabemos que solo tenía razón en parte. Los átomos contienen partículas más pequeñas, llamadas protones, neutrones y electrones. Estas partículas se conocen como partículas subatómicas, y la teoría de las partículas subatómicas y su interacción se conoce como Modelo Estándar.

Como hemos mencionado anteriormente, existen tres tipos de partículas subatómicas:

• Protones
• Neutrones
• Electrones

El modelo estándar clasifica las partículas fundamentales que forman estas partículas en dos clases:

• Fermiones, que pueden ser quarks o leptones.
• Bosones.

¿Qué son los protones?

Son muy pequeños y tienen un peso minúsculo, por lo que medimos su masa con la escala del carbono-12. En esta escala, todo se compara con 1/12 de la masa de un átomo de carbono-12. Los protones tienen una masa de aproximadamente 1.

¿Qué son los neutrones?

El número de neutrones puede variar entre los átomos de un mismo elemento, sin que cambien sus propiedades químicas.

¿Qué son los fermiones?

Las partículas que se encuentran en el núcleo están compuestos por los quarks; mientras que los electrones son un ejemplo de los leptones, que son partículas con dualidad onda-corpúsculo.

Los Quarks

Los científicos cuánticos consideran que los protones y los neutrones están formados por partículas subatómicas más pequeñas, llamadas quarks: una verdadera partícula fundamental.

Hay dos tipos de quarks que componen los neutrones y los protones.

• Quark up: tiene una carga eléctrica de +2/3.
• Quark down: tiene una carga eléctrica de -1/3.

Un protón está formado por dos quarks up y un quark down. Por lo tanto, el protón tiene una carga eléctrica positiva igual a +1. Por su parte, el neutrón está formado por dos quarks down y un quark up. Por lo tanto, el neutrón tiene una carga eléctrica nula.

Los leptones

Hoy en día, se considera que el electrón es una partícula subatómica fundamental, del grupo de los leptones.

Los electrones son partículas negativas. Son aún más pequeños que los protones: los electrones tienen una masa real de 9,1094 x 10^-28g o una masa relativa de 1/1840 de la masa de un protón. No se encuentran en el núcleo del átomo con los protones y los neutrones. En su lugar, los electrones pasan su tiempo en niveles de energía, también conocidos como capas, y orbitan alrededor del núcleo. Los niveles de energía aumentan a medida que se alejan del núcleo, y los electrones siempre intentan estar en el nivel de energía más bajo posible

A diferencia de los protones y los neutrones, los electrones son partículas negativas. Son atraídos hacia el núcleo positivo por una fuerza llamada atracción electrostática. Sin embargo, esta es mucho más débil que la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos a protones y neutrones.

Los átomos no tienen carga global, lo que significa que contienen el mismo número de electrones que de protones. Si un átomo gana o pierde un electrón para convertirse en una partícula cargada, forma un ion.

La siguiente tabla muestra las masas y cargas relativas de las tres partículas subatómicas:

Tabla 1. Comparación de protones, neutrones y electrones.

Bosones

El Bosón de Higgs fue descubierto el 4 de Julio 2012 (en el CERN, Suiza) por Peter Higgs. Este descubrimiento, que ganó un premio Nobel en 2013, permitió completar el modelo estándar de la física subatómica.

El núcleo

Los protones y los neutrones se encuentran densamente agrupados en el núcleo, en el centro del átomo. Así como los protones tienen carga positiva, los neutrones son neutros; el núcleo también esté cargado positivamente. Sin embargo, a las partículas con la misma carga no les gusta mucho estar juntas: tienden a repelerse. Una fuerza extremadamente poderosa, llamada fuerza nuclear fuerte, mantiene unidos a los protones y neutrones en una masa imposiblemente pequeña y densa.

Fig. 1: La fuerza nuclear fuerte es la responsable de mantener unidos los protones y los neutrones del núcleo.

Capas de electrones

A diferencia de los protones y los neutrones, los electrones se encuentran en capas que orbitan alrededor del núcleo. Estas capas también se conocen como niveles de energía, y se organizan en subcapas y orbitales. Lo más importante de las capas es lo siguiente:

• Las capas de los electrones se dividen en subcapas, que pueden contener diferentes números de orbitales y electrones.
• Las capas aumentan su energía a medida que se alejan del núcleo.

Los electrones son bastante exigentes y les gusta estar en el estado de energía más bajo posible. En lo que respecta a las capas, siempre se llenarán de dentro a fuera, si se les da la opción; es decir, desde el nivel de energía más bajo hasta el más alto. Del mismo modo, a los átomos les gusta tener las capas externas llenas de electrones. Esto significa que, a menudo, ganan o pierden electrones para completar su capa externa.

Las capas no nos dicen dónde se encuentra un electrón; de hecho, es imposible saber tanto la ubicación exacta de un electrón como hacia dónde se dirige. Pero, sí nos dan una aproximación de dónde estará el electrón la mayor parte del tiempo.

Fig. 2: Una representación de la estructura atómica del carbono, que muestra las capas de electrones que rodean el núcleo cargado positivamente.

¿ Cuál es la importancia de las partículas subatómicas?

Diferentes cantidades de protones, neutrones y electrones dan lugar a diferentes átomos, que se clasifican en una tabla que debes conocer: la tabla periódica de los elementos —este sistema de clasificación fue ideado en 1869 por el científico ruso Dimitri Mendeléyev— . En la tabla, los elementos se ordenan por número atómico creciente, dado por el número de protones en el núcleo. Hoy se conocen 118, pero es un número destinado a crecer.

Debes recordar que —aunque pueda parecer caótico en un átomo, con todos los electrones corriendo alrededor del núcleo extremadamente denso y altamente cargado— la gran mayoría del átomo es, en realidad, espacio vacío.

¿Cómo influyen las partículas fundamentales de un átomo en sus propiedades?

¿Qué hace que el hidrógeno reaccione de forma tan diferente al helio? ¿Qué es lo que hace que el sodio burbujee violentamente si se coloca en el agua, mientras que mojar el carbono no parece hacer nada? Las tres partículas fundamentales estudiadas anteriormente determinan las características de un átomo, las reacciones que experimentará y el elemento del que forma parte:

El número de protones determina a qué elemento pertenece el átomo y su posición en la tabla periódica.

El número combinado de protones y neutrones influye poco en las propiedades químicas del átomo, pero aumenta su masa y, por tanto, modifica sus propiedades físicas. En cambio, el número de electrones presentes cambia drásticamente las propiedades químicas de un átomo al modificar su configuración electrónica.

Número atómico y másico

La diferencia entre el número másico y el número atómico determina el número de neutrones presentes en el núcleo atómico:

• Como todo átomo debe ser eléctricamente neutro, el número de protones —llamado número atómico e indicado con la letra Z— es igual al número de electrones.
• En cambio, la suma de protones y neutrones se indica con la letra A y se conoce como número másico.

La masa de los electrones, al ser muy pequeña comparada con la de los protones y neutrones, puede despreciarse.