Partículas subatómicas
Las partículas subatómicas son los componentes más pequeños que un átomo, desde el protón, el neutrón y el electrón hasta los quarks y los bosones.
Las partículas subatómicas son los constituyentes de la materia más pequeños que un átomo: unas son componentes del átomo, como el protón, el neutrón y el electrón, y otras son partículas más elementales, como los quarks, que forman los protones y neutrones. Su estudio es el objeto de la física de partículas y la base del Modelo Estándar.
¿Qué son las partículas subatómicas?
Hasta finales del siglo XIX se consideraba que el átomo, cuyo nombre griego significa «indivisible», era la unidad última de la materia. Los experimentos mostraron que tiene estructura: un núcleo central con protones y neutrones, rodeado de electrones. Más adelante se descubrió que los protones y neutrones también están formados por partículas más pequeñas. Se distinguen las partículas compuestas (como el protón y el neutrón) y las partículas elementales, que, hasta donde se sabe, no tienen estructura interna (como el electrón y los quarks).
Las tres partículas del átomo
| Partícula | Carga | Masa (kg) | Ubicación | Descubrimiento |
|---|---|---|---|---|
| Protón | +1e (+1,602 × 10⁻¹⁹ C) | 1,6726 × 10⁻²⁷ | Núcleo | Rutherford, 1917–1919 |
| Neutrón | 0 | 1,6749 × 10⁻²⁷ | Núcleo | Chadwick, 1932 |
| Electrón | −1e | 9,109 × 10⁻³¹ | Corteza | J. J. Thomson, 1897 |
El número de protones (número atómico, Z) define el elemento químico; el de protones más neutrones es el número másico (A). En un átomo neutro el número de electrones es igual al de protones, y de ellos depende el comportamiento químico.
Clasificación según el Modelo Estándar
Fermiones: la materia
- Quarks: seis «sabores» (up, down, charm, strange, top y bottom) con carga fraccionaria (+2/3 o −1/3). Fueron propuestos de forma independiente por Murray Gell-Mann y George Zweig en 1964. Un protón es uud y un neutrón es udd.
- Leptones: el electrón, el muón y el tau, cada uno con su neutrino asociado. Los neutrinos tienen una masa minúscula y apenas interaccionan con la materia.
Bosones: las interacciones
- El fotón transmite la fuerza electromagnética.
- Los gluones, la interacción fuerte, que une los quarks.
- Los bosones W y Z, la interacción débil, responsable de ciertas desintegraciones radiactivas.
- El bosón de Higgs, asociado al campo que otorga masa a las partículas elementales; fue detectado en el CERN en 2012.
Hadrones
Son las partículas compuestas por quarks: los bariones (tres quarks, como el protón y el neutrón) y los mesones (un quark y un antiquark, como el pion). La antimateria aporta a cada partícula su antipartícula.
Cómo se estudian
Las partículas subatómicas se detectan de forma indirecta. Los aceleradores, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, hacen chocar haces de protones a energías enormes y analizan los restos con detectores. Antes se usaron cámaras de niebla y emulsiones fotográficas para registrar los rayos cósmicos. Las leyes que rigen este mundo son las de la mecánica cuántica y la relatividad especial, que forman parte de la física moderna.
Las cuatro interacciones fundamentales
| Interacción | Partícula mediadora | Actúa sobre |
|---|---|---|
| Fuerte | Gluón | Quarks y gluones |
| Electromagnética | Fotón | Partículas con carga eléctrica |
| Débil | Bosones W y Z | Quarks y leptones |
| Gravitatoria | Gravitón (hipotético) | Todo lo que tiene energía |
Ejercicios resueltos
1. Comprueba la carga del protón (uud) y del neutrón (udd) a partir de las cargas de los quarks (up = +2/3, down = −1/3).
Protón: 2/3 + 2/3 − 1/3 = +1. Neutrón: 2/3 − 1/3 − 1/3 = 0. Resultado: protón +1e, neutrón 0.
2. ¿Cuántas veces es más masivo un protón que un electrón?
1,6726 × 10⁻²⁷ / 9,109 × 10⁻³¹ ≈ 1836. Resultado: ≈ 1836 veces.
3. ¿Cuántas partículas subatómicas del átomo tiene un átomo neutro de carbono-14 (Z = 6)?
Protones: 6. Neutrones: 14 − 6 = 8. Electrones: 6. Resultado: 6 protones, 8 neutrones y 6 electrones (20 en total).
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la partícula más pequeña que existe?
Entre las conocidas, las partículas elementales como los electrones, los quarks o los neutrinos, que hasta donde sabemos no tienen estructura interna. Los neutrinos son los de menor masa.
¿Qué diferencia hay entre una partícula elemental y una compuesta?
Una compuesta está formada por otras (el protón, por tres quarks); una elemental no se puede dividir con las técnicas actuales.
¿Se pueden ver las partículas subatómicas?
No a simple vista ni con microscopios ópticos. Se detectan por las huellas que dejan en detectores o, en el caso de los átomos, con microscopios electrónicos o de efecto túnel.
¿Qué es el bosón de Higgs?
Es la partícula asociada al campo de Higgs, que da masa a las partículas elementales. Su descubrimiento se anunció en 2012 y valió el Nobel de Física de 2013 a Peter Higgs y François Englert.
Referencias
- Griffiths, D. Introduction to Elementary Particles. Wiley-VCH.
- Tipler, P. A. y Llewellyn, R. A. Física moderna. Reverté.
- Serway, R. A. y Jewett, J. W. Física para ciencias e ingeniería. Cengage Learning.
Cómo citar este artículo
Equipo de Conceptualia. (2023). «Partículas subatómicas». Conceptualia. https://conceptualia.es/ciencias-naturales/fisica/particulas-subatomicas/
