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  • 1. Proyecto de investigaciónErausquin Carolina (carolinnee.95@gmail.com)D. N. I.: 38.698.754Proyecto institucional científico“El origen de las cargas eléctricas en el átomo”
  • 2. El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina ErausquinÍndiceIntroducción....................................................................................................3Estructura del átomo......................................................................................6Partículas elementales...................................................................................8Quarks: sabores y propiedades....................................................................11Conclusión....................................................................................................13Bibliografía....................................................................................................14Anexo: E-mail recibido de Ingo Allekotte, especialistadel Observatorio Pierre Auger, Malargüe, Mendoza, Argentina..................15 -2-
  • 3. El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina ErausquinIntroducción1) Objetivos de investigaciónEl fin de este proyecto es investigar acerca del origen de las cargas eléctricas enel protón y el electrón, y por qué los neutrones no poseen carga alguna, y si estotiene relación con el movimiento en orbitales de los electrones y con ladistribución de estas partículas en el átomo.Actualmente se sabe que el átomo es la porción de materia más pequeña, que nose puede dividir a través de procesos químicos, y que mantiene las propiedadesdel elemento al cual pertenece. Sin embargo, que no sea divisible no significa queno esté formado por partículas aún más pequeñas. El átomo, primeramentemencionado por Demócrito, y cuyo primer modelo con evidencia científica fuehecho en 1808 por Thomas Dalton, está formado por tres tipos de minúsculasporciones de materia: protones, neutrones y electrones.A su vez, estas partículas están formadas por unidades todavía más pequeñas,llamadas quarks. Cada protón está compuesta por tres quarks, unidos entre sí porla fuerza nuclear mediados por gluones (partículas elementales que están a cargode la interacción nuclear fuerte), los cuales están orientados dos hacia arriba yuno hacia abajo, lo que produce que tenga carga positiva. Cada neutrón, por otrolado, está formado por tres quarks, pero con las cargas distribuidas de tal maneraque éstas se neutralizan. Los electrones, por otro lado, son un tipo de partículasllamadas fermiones, las cuales no pueden encontrarse dos iguales en un mismolugar. Esto da origen al movimiento de los electrones, el cual se realiza para quelos fermiones se alejen entre sí, pero como se ven a su vez atraídos por losprotones del núcleo, se ven obligados a trasladarse en círculos, de manera similara una persecución, alrededor de una órbita. Los electrones también son leptones,lo que significa que no se ven afectados por la fuerza nuclear. Esto da a entenderque carece de gluones, lo que a su vez indicaría que no está compuesto porquarks, o sólo está compuesto por uno.Las partículas subatómicas tienen masas distintas: el neutrón es el componentemás pesado, con 1,675 x 10 g, seguido por el protón, cuya masa es apenas más -24 -3-
  • 4. El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquinliviana (1,673 x 10 g). Finalmente, se encuentra el electrón, cuya masa es -24despreciable, y exactamente la 1837ª parte de un protón, con 9,1093 x 10 g de -28masa. Pero esto no es tan simple como lo aparenta; el último modelo del átomo,realizado por Niels Bohr en el año 1913, muestra no sólo que algunas de estaspequeñas partículas poseen carga eléctrica (protones y electrones, cargaspositivas y negativas respectivamente), sino que además los protones, junto a losneutrones, forman un núcleo en el centro del átomo, y los electrones giranalrededor de él en orbitales de variadas formas y diferente capacidad de losmismos en cada nivel de energía. También se ha descubierto que el número totalde electrones en un átomo es el mismo que el número de protones, lo que hace aesta partícula diminuta una fracción de masa sin carga eléctrica, o más bien concarga neutra, ya que las fuerzas eléctricas de cada protón se cancelan con lasfuerzas de cada electrón. Más aún, todas las propiedades eléctricas y magnéticasdel universo físico tienen como base a los electrones.2) Descripción del contenidoSi se supiera el origen de estas cargas, se podría entender de una manera másprecisa la fuerza eléctrica y magnética, lo que podría revolucionar el campo de lafísica, ya que no serían necesarias muchas actividades de obtención de energíaeléctrica, como por ejemplo la construcción de diques, represas y embalses, loscuales provocan un gran cambio en el ecosistema y producen un gran impactoambiental, o las centrales nucleares, que eliminan desechos radioactivos yaltamente contaminantes, además de funcionar a base de uranio, elemento quees muy difícil de conseguir, y que por lo tanto es muy costoso. Por lo tanto, lapregunta que debemos formularnos es ¿cuál es la causa de las cargas eléctricasen las partículas subatómicas?3) Procedimiento metodológicoPara ampliar la información se entrevistará a dos personas: al bioquímicoMauricio Cymerman y al licenciado en química Héctor Lacarra. Más aún, seentrará en contacto con especialistas del Observatorio Pierre Auger, el cual seencuentra en Malargüe, provincia de Mendoza, para recopilar información del -4-
  • 5. El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquincomportamiento de las partículas subatómicas, además de realizarse la lectura dematerial relacionado al tema.4) Cronograma 28/8 - 4/9 - 11/9 - 18/9 - 25/9 - 3/9 10/9 17/9 24/9 1/10Recopilación de información de X X X X Xdiversas fuentesEntrevista a Héctor Lacarra XEntrevista a Mauricio Cymerman XContacto con el Observatorio X X XPierre AugerRespecto al cronograma del proyecto, se planea entregar el anteproyecto el día20 de junio del 2012, y se espera poder realizar una entrevista al bioquímicoMauricio Cymerman antes del día 15 de julio del año en curso, y a Héctor Lacarraantes del 31 del mismo mes. Además, se tiene pensada la realización de un Prezique ayude a la comprensión de las ideas para el día 15 de agosto del corrienteaño. Para completar el proyecto de investigación, se planea ponerse en contactocon el Observatorio Pierre Auger, en Malargüe, Mendoza, con el fin de obteneropiniones e ideas, y recibir conocimientos de especialistas.5) PresupuestoLos gastos producidos para el desarrollo de este proyecto son reducidos. Senecesitarán hojas para la impresión del informe final. Quizás también es probableque se tenga que invertir en sobres y los gastos de envío que se requieran para elintercambio de correo con el Observatorio Pierre Auger, en el caso de que elintercambio de información sea mediante correo tradicional, y no electrónico. -5-
  • 6. El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina ErausquinEstructura del átomoDesde hace siglos, la humanidad se ha preguntado cuál es la fracción de materiamás pequeña que existe en el universo, y la cual no puede fraccionarse en partesmás pequeñas. En el siglo V A. C., Leucipo y Demócrito creyeron haberdescubierto una partícula indivisible, que componía a toda la materia existente, ala cual denominaron “Átomo” (“Sin división” en griego). A estas partículas se lasimaginaba como pequeñas esferas que interactuaban entre sí y formaban lamateria. Muchomás adelante, en1911, Rutherfordrealizó toda unaserie deexperimentos, yllegó a laconclusión que unátomo sí se puededividir en partes Modelo atómico de Rutherford, o modelo planetario del átomo.más pequeñas, y que está compuesto por un núcleo, ubicado en el centro, yelectrones (e-), que giran alrededor del núcleo tal como los planetas en el sistemasolar lo hacen alrededor del sol. El modelo atómico de Rutherford, tambiénconocido como modelo planetario del átomo, se puede ver más arriba. A medida que se fueron realizando experimentos más exhaustivos, también se descubrió que el núcleo a su vez se divide en protones (p+) y neutrones (no), aglomerados en el centro del átomo, y que los electrones no giraban alrededor del núcleo como en el modelo planetario, sino en diferentes orbitales, en losDiferentes orbitales presentes en los átomos cuales existe la posibilidad de -6-
  • 7. El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquinencontrar un electrón. Más aún, se supo ya desde los inicios que dentro de losátomos existían cargas electromagnéticas. En el núcleo, los protones poseencarga positiva, y los neutrones, carga neutra, como su nombre lo indica. Por otrolado, los electrones poseen carga negativa, lo que explica el hecho de que éstosgiren en torno al núcleo, ya que las cargas opuestas se atraen, aunque haceaparecer la pregunta de cómo es que los protones se mantienen juntos en elnúcleo, si las cargas del mismo signo se repelen. Por estas mismas razones, sepuede notar que el radio atómico de los elementos varía no solamente por lacantidad de niveles de energía que tienen, si no que también debido a la cantidadde electrones que seencuentran en el últimonivel, es decir, cuanto máselectrones un átomoposea en el último nivel deenergía, menor será elradio, ya que al haber máselectrones la fuerza de Progreso del radio atómicoatracción entre éstos y los protones presentes en el núcleo es mayor, y logranacercarse más al mismo. Por ende, visto desde la tabla periódica de loselementos, el radio atómico aumenta a medida que se avanza hacia abajo y haciala izquierda.Asimismo, se sabe que la carga eléctrica de un electrón es de -1,602x10 -19Coulombs, y como todos los átomos sin ionizar o estar unidos a otros átomos sonneutros en la suma total de cargas, se pudo asumir que la carga de los protoneses la misma, a diferencia de que ésta es positiva, y que la cantidad de electronesen un átomo es igual al número de protones en su núcleo.La masa de los electrones, por otro lado, es casi despreciable comparados conlos protones y neutrones. Los electrones, en UMA (Unidad de Masa Atómica),pesan 0,00055, mientras que los protones y los neutrones pesan 10,073 y 10,087,respectivamente. Tabla de masas y cargas de partículas subatómicas -7-
  • 8. El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina ErausquinPartículas fundamentalesSe le llama partículas fundamentales a aquellas formas más pequeñas y simplesde la materia, que no poseen estructura interna ni pueden fraccionarse. Como yase ha mencionado anteriormente, el átomo se puede dividir en fracciones máspequeñas, por lo que queda claro que no son partículas fundamentales. Este tipode partículas se encuentran dentro del átomo.Existen dos tipos de partículas fundamentales: los bosones y los fermiones. Losprimeros son los responsables de las fuerzas e interacciones entre las otraspartículas elementales, y las que explican todos los fenómenos físicos. A este tipode partículas fundamentales les corresponden valores enteros de espín de laconstante de Planck1, como por ejemplo 1h, 2h, etc. Hay cuatro tipos de bosones,cada uno a cargo de una fuerza distinta: 1-Fotones: son partículas sin masa, que viajan a la velocidad de la luz. Éstos están a cargo de la fuerza electromagnética, que se produce entre partículas que contienen cargas eléctricas. Además, son los bosones responsables de la ionización de los átomos, ya que para que un electrón pueda ser liberado, éste debe ser chocado por fotones, los cuales aumentan su nivel de energía, llevándolos a un estado de excitación. 2-Gravitiones: como el nombre lo indica, son los bosones encargados de la interacción gravitatoria, que afecta a absolutamente todo lo que nos rodea. En el caso de la tierra, los gravitiones generan una fuerza tal, que hace que la gravedad produzca una aceleración vertical negativa de 9,8m/s2. A pesar de que ya se habla de gravitiones, aún no se ha probado su existencia totalmente, pero sin embargo se supone su existencia. 3-Bosones Z y W: éstos generan la interacción débil, que no solo contribuye a la unión entre fermiones, si no que también es la responsable de la desintegración de partículas relativamente grandes, como por ejemplo un neutrón, que se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino, o un muón que decae en un electrón. Cuanto más alejadas se1 La constante de Planck es la relación entre la cantidad de energía y frecuencia asociadas a unapartícula fundamental. -8-
  • 9. El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquin encuentren entre sí las partículas afectadas por esta fuerza, más débil será la misma. 4-Gluones: portadores de la interacción fuerte ente las partículas, estos bosones se encargan no sólo de mantener unidos a los quarks dentro de los protones y neutrones, si no que con la energía residual logran que éstos últimos se aglomeren en el núcleo del átomo, y que los protones no se repelan entre sí debido a que todos los electrones poseen la misma carga eléctrica. Esta interacción fuerte, contrariamente de la débil, va creciendo a medida de que los quarks se separan, hasta que se forman dos quarks nuevos. Esto se deduce a partir de la equivalencia de energía y masa de Einstein. Al igual que los otros bosones, los gluones no poseen masa, pero tiene la característica de encontrarse sólo en los quarks, uniéndolos. Junto con los tres quarks que forman las partículas del núcleo del átomo se encuentran 8 gluones, de los cuales 6 cambian de color, pero que mantienen un color neutral (blanco) en total en un protón o neutrón.Los fermiones, porotro lado, sonpartículas de espínsemi-enteroscorrespondientes ala constante dePlanck. Dentro de Bosones y sus respectivas interaccioneslos fermiones, se encuentran los hadrones, compuestos por quarks, y losleptones, que son las partículas fundamentales más livianas con masa que sepueden encontrar. Las cargas eléctricas de los leptones siempre son múltiplos dela carga eléctrica de los electrones, ya que éste es un leptón. A diferencia de losquarks, los leptones no necesitan agruparse, y gracias a esto los podemosencontrar solos, o en presencia de otros leptones, pero sin fuerzas entre sí quelos mantengan unidos.Se conocen seis leptones: los electrones, los muones, los tauones, y susrespectivos neutrinos. Los electrones, como ya se ha mencionado anteriormente,poseen una masa de 9,109x10-28 gramos, mientras que los muones tienen unamasa 207 veces mayor a la de los electrones. A su vez, la masa de los tauoneses 3500 veces la masa de los electrones. Tanto los neutrinos electrónicos, como -9-
  • 10. El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquinlos muónicos y los tauónicos casi no poseen masa, y tanto ellos como losantineutrinos viajan en línea recta, sin interactuar con ninguna otra partícula,salvo en ocasiones con su leptón correspondiente. En otras palabras, losneutrinos electrónicos sólo pueden interactuar con electrones, los neutrinosmuónicos con muones, y los neutrinos tauónicos con tauones.Los leptones y sus característicasLos hadrones, compuestos por quarks, se clasifican en bariones y mesones,dependiendo de la cantidad de quarks con los que esté compuesto. Los barionesestán compuestos por tres quarks, como por ejemplo los protones y losneutrones. Estos hadrones serían los más pesados y masivos, pero sin embargoexisten mesones que los superan, ya que los quarks que componen a algunosmesones seríanmás grandes quelos quecompondrían porejemplo a unprotón.Los mesones, porotro lado, secomponen por un Ejemplos de barionesquark y su respectivo anti-quark. Estos son altamente inestables, y rápidamentese desintegran, ayudados por las fuerzas débiles que producen los bosones W yZ, en menos de una millonésima parte de segundo. Los dos mesones másconocidos son los piones y los kaones, y también son aquellos que hasta lo queha descubierto el hombre hasta el momento, son los que más tiempo de vidatienen, con un tiempo de desintegración de una cienmillonésima de segundo. - 10 -
  • 11. El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina ErausquinQuarks: sabores y propiedadesLos quarks son la fracción de materia más pequeña, junto con los leptones. Éstosson fermiones, y como se ha desarrollado anteriormente, se agrupan en barionesy mesones. En la naturaleza, se pueden encontrar mucho más fácilmente a losbariones que a los mesones, ya que, como ya se ha mencionado anteriormente,son extremadamente inestables y se descomponen en una millonésima fracciónde segundo. Existen seis tipos de quarks, cada uno con su contrario, como por ejemplo el quark Up (U) y el Down (D). Todos los quarks tienen cargas eléctricas, las cuales se miden en tercios de la carga de un electrón. Al ser estas cargas tan pequeñas, no se puede aislar un quark de los otros, y si o si debe agruparse con otros quarks, de forma tal que sus cargas sumen un número entero, ya sea 0 o +1. Los quarks U, Charm (C), y Top (T) poseen una carga de 2/3, mientras queLas tres generaciones de la materia, los quarks D, Strange (S), y Bottom (B),incluyendo quarks, leptones, y bosones tienenuna carga de -1/3. De cualquier forma que estosseis sabores de quarks se combinen, la cargatotal va a sumar +1 o 0. Por ejemplo, en el casodel protón, que está compuesto por dos quarks Uy un D. Los dos quarks U suman una carga de+4/3, a la que sumada la carga del quark D, da+1. O el neutrón que si se le suman las cargas delos D a la del U da como suma total 0. Esto Quarks presentes en un neutróntambién se puede ver en el caso del bariónLambda, que consta de un quark U, un quark D y un quark S, y que la suma delas carga de los tres quarks da 0, al igual que la del neutrón. - 11 -
  • 12. El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina ErausquinDe los seis sabores de quarks que se conocen, el U y el D son los dos máscomunes y los que se pueden encontrar en la materia, debido a que los otroscuatro son muy inestables y se descomponen muy fácilmente. Esta inestabilidadse debe en gran parte al gran tamaño de estos quarks, y la diferencia de masaentre los U, que son los más livianos, y los T, que son los más masivos, ya que elquark U pesa alrededor de dos cienmilésimas partes del peso de un electrón, y unquark T tiene una masa 174 veces mayor a la de un protón. Por esta razón, losquarks de la segunda y tercer familia de materia se desintegran para formar, de esta manera, quarks de la primera familia de materia, que son aquellos más comunes en la naturaleza. Los bosones en los quarks se muestran como partículas mediadoras de fuerza,Masas y cargas de los quarks a pesar de que éstasno posean masa, y sean tan sólo una onda de energía. Los bosones encargadosde la interacción débil actúan en el centro de los quarks, mientras que los fotonesy los gluones actúan alrededor del quark. Más específicamente, cada gluón seencuentra totalmente ligado dos quarks, de los cuales no puede desprenderse.Como ya se ha aclarado previamente, seis de los ocho gluones presentes en unbarión cambian de color, y junto con su respectivo quark poseen un color enconjunto, el cual se mantiene siempre, ya que los gluones “codifican para” uncolor-anticolor. Por esta razón, cuando un quark emite o absorbe un gluón, elcolor del quark cambia para que se mantengaen su totalidad el equilibrio de los colores.Estas emisiones y absorciones ocurren contanta rapidez y frecuencia que no se puededeterminar el color de un quark solo. Más aún, Emisión de un gluónla suma de todos los colores de los quarks juntos produce la neutralidad de color,llegando a formar blanco. - 12 -
  • 13. El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina ErausquinConclusiónEn base a lo investigado a lo largo del proyecto de investigación, se llega a laconclusión de que las cargas positivas en el átomo provienen de los protones, quea su vez poseen carga positiva debido a que los mismos están formados por trespequeñas partículas indivisibles, llamadas quarks, de los cuales dos poseen carga+2/3, y el tercero -1/3, lo que nos da como suma total una carga de +1. A pesar deque los neutrones también están formados por quarks, éstos contienen dos concarga -1/3 y uno de +2/3, por lo que se demuestra que las cargas se cancelan y lapartícula queda neutralizada.En el caso de los electrones, al ser éstos leptones, no son divisibles, y no sepuede observar más detalladamente el origen de su carga eléctrica. Se sabe, sinembargo, que todos los leptones, no sólo los electrones sino que también losmuones y los tauones poseen carga -1. Si bien no existe una fundamentación deporqué estas partículas poseen esta carga, ya que es su naturaleza, se podríaintentar deducir la carga que éstas poseen utilizando la ley de conservación de lacarga, la cual dice que una partícula tendrá la carga equivalente a la suma de lascargas de los elementos que la componen. En otras palabras, si un átomo noposee carga, es decir, es neutro, y contiene protones que lo hacen positivo, y sien ducho átomo existe la misma cantidad de protones que de electrones,entonces la carga eléctrica de los electrones debe ser igual a la de los protones,pero con diferente signo, así de esta manera las cargas se cancelan y el átomopermanece neutro. Por lo que la carga eléctrica del electrón debe ser -1. - 13 -
  • 14. El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina ErausquinBibliografía • Jorge Casaus, Javier Rodríguez y Eusebio Sánchez (2005).Física en el mundo: Cromodinámica cuántica: el color de los quarks. Departamento de Fusión y Física de partículas Elementales. Disponible en: http://fisica.ciens.ucv.ve/svf/Feiasofi/cromodinamica.pdf • Paulina Troncoso Iribarren y Sergio Curilef (2002). El Fascinante Mundo de las Partículas e Interacciones Fundamentales. Universidad Católica del Norte, Antofagasta. Disponible en: https://mail- attachment.googleusercontent.com/attachment/? ui=2&ik=67ba64c043&view=att&th=13b3f098280b96ba&attid=0.1&disp=inli ne&realattid=f_ha083e5i0&safe=1&zw&saduie=AG9B_P8FvY408IUoBVay V0B0gWiL&sadet=1354768854367&sads=58KspAQEOLWnkg3y4gcRE3y WO2I&sadssc=1 • Mithworld1 (2011). La Materia. PROTONES, NEUTRONES Y ELECTRONES. Formación del Átomo. Disponible en: http://www.youtube.com/watch? v=cnumauTkdgg • Mithworld1 (2010). ¿De qué está hecha la materia? QUARKS. Disponible en: http://www.youtube.com/watch?v=3udGCbEfsfg • EducAr (2006). Quarks y leptones. Ministerio de Educación de la Nación Argentina. Disponible en: http://aportes.educ.ar/fisica/nucleo- teorico/recorrido-historico/las-particulas-elementales-de-la- materia/quarks_y_leptones.php • Diego Romero (2011). Los quarks. Disponible en: http://www.slideshare.net/eaglewatsh/los-quarks • Manuel Vázquez Cervantes (2009). ¿Dónde está el electrón? Disponible en: http://configraelectrones-mvc.blogspot.com.ar/ • César D. Paz (2011). Modelo Atómico de Rutherford (1911). Disponible en: http://www.fullquimica.com/2011/03/modelo-atomico-de-rutherford- 1911.html - 14 -
  • 15. El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquin • Anónimo (2010). La constante de Planck. Disponible en: http://astrojem.com/teorias/constantedeplanck.htmlAnexo: E-mail recibido de Ingo Allekotte, especialista delObservatorio Pierre Auger, Malargüe, Mendoza, ArgentinaIngo Allekotte (ingoalle3@gmail.com)Hola, Carolina,las cargas electricas son una propiedad fundamental de las particulaselementales. Como vos sabras, los átomos tienen en sus núcleosprotones y neutrones. Los protones están compuestos por dos quarks "u" yun quark "d". Los neutrones, por dos quarks "d" y un quark "u".Los electrones tienen carga negativa. Si llamamos (-e)a la carga del electrón, entonces el quark "u" tiene carga (2/3 e) y elquark "d" tiene (-1/3 e). Por lo tanto los protones tienen carga positiva (e),y los neutrones no tienen carga.No hay una explicación de por qué las partículas tienen la cargaque tienen, simplemente podemos decir que la naturaleza es así.Así como tampoco podemos explicar por qué las particulas elementalesson las que son, ni por qué tienen la masa que tienen, tampoco hayuna forma de deducir las cargas. Para deducir la carga de las partículascompuestas por otras, se puede aplicar la ley de conservación de carga,una partícula tendrá la carga que es la suma de las cargas de suscomponentes (con el signo adecuado, obviamente).Si querés leer más sobre el tema, te recomiendo esta página:http://www.particleadventure.org/spanish/index.htmlCordiales saludos, - 15 -
  • 16. El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina ErausquinIngo Allekotte - 16 -