Estructura De La Materia

EL UNIVERSO

Desde tiempos inmemoriales, el ser humano se ha interrogado acerca del mundo que lo rodea: por qué es así?, cómo se gestó?, qué hace que las cosas cambien?, qué es la vida?, cuál es el destino de todo esto?; en fin, muchísimas preguntas que buscan comprender hasta la saciedad, la razón de la existencia de la naturaleza y del hombre mismo. La física es una disciplina que escudriña en lo profundo de la naturaleza para desentrañar sus secretos y satisfacer las preguntas fundamentales. Sin embargo, en la medida en que más se conoce, más se desconoce!, con cada paso que se avanza en el conocimiento de las leyes naturales, el mundo nos ofrece nuevos horizontes y el aprendizaje nunca termina, es un proceso fascinante que lleva más de tres mil años, disciplina que los filósofos del siglo XVII denominaron filosofía natural y que actualmente lo llamamos física.

Los orígenes del pensamiento científico se remontan a la antigua civilización griega, con un grupo de filósofos que hoy llamamos presocráticos, entre los cuales encontramos nombres tan familiares como Pitágoras, Thales de Mileto y Parménides y otros menos conocidos, pero no por ello menos importantes, como Zenon, Meliso y Jenófanes. El pensamiento griego presocrático creó dos imágenes del universo que son antagónicas, la de Thales que nos dice que el mundo está hecho de cuatro elementos fundamentales: tierra, agua, aire y fuego, que forman todo lo que hay en la Tierra y el vacío es inconcebible; el cielo, en donde vagan los planetas en medio de las estrellas eternas e inmóviles, visitado solamente por los dioses del Olimpo, está hecho de una sustancia de propiedades extraordinarias que lo llena todo: el éter.

En esta concepción o modelo en el cual la Tierra se halla en el centro, hay un mundo sublunar habitado por hombres y bestias, cuyos elementos primarios son tierra, agua, aire y fuego, hacia arriba, más allá del camino de La Luna, se encuentran los otros seis planetas que en su orden son: Sol, Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno. Finalmente en lo más alejado, están las estrellas inmutables, las cuales completan la descripción del universo, todo sumergido en el éter.

En oposición a este modelo, surgió en el siglo V a.C. otra propuesta en la cual el universo está formado por el espacio vacío y por cuerpos indivisibles a partir de los cuales se forman todas las cosas, estos cuerpos indivisibles o átomos como los denominó Demócrito de Abdera, son ilimitados en número y generan todas las cosas, incluso el fuego, el aire, el agua y la tierra que no son sino conglomerados de estos átomos. Este mundo de átomos y vacío de Demócrito fue compartido por su contemporáneo Leucipo y posteriormente fue retomado por Epicuro. Sin embargo, la influencia arrolladora de Aristóteles en el pensamiento occidental arrojó una sombra sobre la teoría atómica de Demócrito por más de dos mil años, hasta que a finales del siglo XVII John Dalton, ante los descubrimientos de los primeros elementos, restituyó la ya olvidada hipótesis del filósofo de Abdera. Mendeleiev descubrió y clasificó cerca de 30 átomos según las propiedades observadas en su estructura y los ubicó en una organización matricial que hoy conocemos como tabla periódica de los elementos.

LOS PORTADORES DE MATERIA

Hoy sabemos que todo el universo está compuesto de átomos y espacio vacío, tal como lo dijo Demócrito muchos siglos atrás. Para no caer en ambigüedades con la terminología usaremos la palabra átomo tal como se ha usado siempre en química, es decir, que con este vocablo haremos referencia a los elementos químicos; para los cuerpos indivisibles de Demócrito usaremos el término partícula elemental, elemental significa que no tiene estructura interna.

Los átomos no son indivisibles, son estructuras complejas formadas por partículas más pequeñas; se trata de una estructura que abarca una región cuyo tamaño es del orden de 10-10 metros, en cuya periferia encontramos unas pequeñísimas partículas denominadas electrones, sin ninguna estructura interior, es decir que los electrones, que escribiremos como e-, sí son evidentemente “átomos” de Demócrito, partículas elementales ya que al no tener estructura interna son indivisibles, son como puntos geométricos, no tienen dimensión. Lejos de la periferia donde “habitan” los electrones, hay una zona mucho más pequeña, del orden de 10-15 metros, en la cual encontramos dos tipos de partículas: los protones, que escribiremos como p+, y los neutrones, que escribiremos como n0. A estos dos tipos de partículas se les denomina nucleones por ser los constitutivos fundamentales del núcleo atómico, pero no son “átomos” en el sentido de Demócrito ya que tienen estructura interna, no son elementales.

Con los electrones, protones y neutrones, la naturaleza hace los elementos. Los más sencillos, es decir aquellos que tienen muy pocos protones en el núcleo, se formaron desde el comienzo de los tiempos y los más complejos, los que tienen bastantes protones en el núcleo, se han formado y se forman seguramente en etapas del proceso de evolución y muerte de las estrellas. Sólo se conocen 92 átomos o elementos en forma natural. En el laboratorio se han podido sintetizar otros más, los cuales presentan vida muy corta después de la cual se desintegran. Todo el universo que conocemos está formado por estos 92 átomos, el Sol, los planetas, las estrellas y galaxias, las personas, los animales,....todo. Significa entonces que, finalmente, la naturaleza está compuesta de estas tres partículas: el electrón y los dos nucleones, protón y neutrón.

Ya hemos mencionado que tanto protones como neutrones tienen estructura interna, tienen “entrañas”, están formados por otro tipo de partículas elementales -otra vez los átomos de Demócrito!- denominadas “quarks”, por el físico estadounidense Murray Gell-Mann, su descubridor. Inicialmente vamos a mencionar dos tipos de quarks que se unen para formar nucleones: quark “up” y quark “down”, los quarks son partículas elementales como los electrones, pero a diferencia de éstos, los quarks tienen carga fraccionaria, el “quark up” con carga positiva y el ”quark down” negativa, y nunca están solos, no se pueden aislar. Entonces, junto con los electrones, en el núcleo encontramos las siguientes partículas elementales, sin tamaño:

Electrón quark “up” quark “down”

Partícula e- u d

Carga eléctrica -1 +2/3 -1/3

Hay además otro tipo de partículas idénticas a las ya mencionadas pero con carga eléctrica contraria, por ejemplo hay una partícula con la misma masa del electrón pero con carga positiva, hay una partícula con carga negativa pero con la misma masa del protón. Estas partículas tienen la singular característica de que cuando se encuentran con su homóloga de carga contraria, se aniquilan las dos y desaparecen, por esa razón se les ha llamado antipartículas y forman la antimateria. Las antipartículas se simbolizan con la misma letra de su correspondiente partícula pero con una raya encima o bien con la carga como superíndice. Tenemos entonces:

MATERIA ANTIMATERIA

Electrón, e- positrón, e+, e

Protón, p+ antiprotón, p-, p

Neutrón nº antineutrón n

Quark “up”, u antiquark “up”, u

Quark “down”, d antiquark “down”, d

Todas las partículas tienen antipartículas y por alguna razón que no se sabe, hay más partículas que antipartículas, de manera que el universo que conocemos está hecho de partículas y no de antipartículas.

Masa, carga, sabor y color

Pero, cómo son?, qué forma tienen?, son verdaderamente puntos?, preguntas difíciles de contestar para no decir imposibles. Todos nosotros fabricamos alguna imagen mental cuando se nos habla de estas partículas, las imaginamos como pequeñas esferitas. Por ahora basta con decir que las vamos a identificar con dos propiedades que son: carga eléctrica y masa, conceptos también difíciles de precisar pero que nos ayudarán a comprender cómo funciona este mundo de las partículas elementales.

La masa es una propiedad que causa el fenómeno de la gravedad, la fuerza de gravitación ejerce atracción entre el sol y los planetas, es la fuerza que nos mantiene los pies sobre la tierra, hace que las cosas tengan peso y se ejerce a cualquier distancia, llega hasta los confines del universo. La carga es una propiedad que interviene en todos los fenómenos eléctricos y magnéticos, produce la fuerza electromagnética y también se ejerce a cualquier distancia. Además, la carga tiene dos aspectos que el físico y estadista Benjamin Franklin denominó positivo (+) y negativo (-), la fuerza electromagnética entre partículas con cargas del

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