CIENCIA

LOS ÁTOMOS, LOS FOTONES, Y LAS CUATRO FUERZAS DE LA NATURALEZA (FUERZA NUCLEAR FUERTE, FUERZA NUCLEAR DÉBIL, ELECTROMAGNETISMO, GRAVEDAD)

CAPÍTULO I. NOCIONES BÁSICAS. EL ÁTOMO, EL FOTÓN Y LAS CUATRO FUERZAS DE LA NATURALEZA.

DIFERENCIA ENTRE ÁTOMO Y FOTÓN

- El átomo está formado por protones (carga positiva) y electrones (carga negativa), y forma la materia. En el núcleo también hay neutrones (carecen de carga eléctrica). A su vez, los protones están formados por tres quarks.

Además, los átomos se unen entre sí y forman moléculas. Los átomos se unen en las moléculas a través de fuerzas eléctricas.

Según el número de electrones que orbitan sobre el núcleo del átomo, así será el número atómico del átomo (tesis de Bohr; el átomo de uranio tiene el número de 92). Los electrones que orbitan alrededor del núcleo se distribuyen por capas. Son los electrones de la última capa los que determinan como se comporta el átomo, por que son los que se desplazan a otros átomos, para reequilibrar las cargas electricas de los mismos. Si los electrones de la última capa se desplazan a otros átomos con facilidad, pueden formarse complejos químicos. Si los electrones de la última capa no se desplazan con facilidad, como ocurre con los gases, es más difícil que esos átomos formen complejos químicos con otros tipos de átomos.

- Los fotones componen la luz, y aunque pueden comportarse como partículas (materia) también puede comportarse como onda electromagnética (energía). Es decir, el fotón no es un átomo, es una particula como el electrón.

“Cuando ves una manzana por ejemplo, en realidad lo que ves es la luz (fotones) que rebotan en ella y vuelven a tus ojos.” Es decir, cuando ves un objeto no ves los átomos moviéndose, sino los fotones que, rebotados, van a los ojos. En la materia, los neutrones, potrones y electrones, no dejan pasar entre ellos los fotones, por eso, no los vemos.

- ¿Qué se mueve más rápido? ¿Un átomo y sus componentes? ¿O un fotón? El fotón, que viaja a la velocidad de la luz. Los elementos de los átomos se mueven por debajo de la velocidad de la luz.

- Por otro lado, los fotones sirven para liberar electrones del átomo. Cuando un fotón incide sobre un electrón, si el electrón adquiere energía suficiente, se libera del átomo. Pero también cabe el proceso inverso. En las capas más externas del átomo, el electrón tiene más energía, y en las capas más inferiores, menos energía. Los electrones pueden saltar de una capa a otra. Si inducimos con energía que un electrón pase de una capa más distante del núcleo, a una más cercana del núcleo, entonces se libera energía en forma de fotón, porque el electrón pasa a un nivel inferior de energía, y tiene que soltar la sobrante.

- ¿Qué es un isótopo? Normalmente, un elemento químico está formado por átomos que tienen una misma masa. Pero no siempre es así. El cloro tiene átomos con masas diferentes (cloro 35 y cloro 37) y se les llama isótopos. ¿Por qué tiene diferente masa? Porque tienen el mismo número de electrones, y por tanto, de protones. Pero tienen diferente número de neutrones.

- ¿Qué hacen los científicos con los aceleradores de partículas? Rompen el átomo. De manera que pueden convertir un átomo de núcleo de litio en dos núcleos de átomo de helio.

- Otra diferencia del átomo con el fotón. El fotón no tiene masa.

2-. LAS CUATRO FUERZAS DE LA NATURALEZA: FUERZA NUCLEAR FUERTE, FUERZA NUCLEAR DÉBIL, ELECTROMAGNETISMO Y GRAVEDAD.

A veces lo grande es pequeño, y lo pequeño es grande. Lo que mantiene unidos protones y neutrones en el núcleo del átomo son fuerzas nucleares poderosísimas.

¿Qué problema existe en unificar la teoría de la gravedad, con el resto de teorías? Que aunque la gravedad afecta a las particulas subátomicas, en una fuerza muy débil para ellas. Es más, se podría decir que las leyes de la naturaleza para los grandes elementos del universo (macrocosmos), son distintas de la leyes de la naturaleza que rigen la relación entre átomos y elementos del átomo (microcosmos). Como son diferentes, los científicos buscan una teoría que unifique todas las leyes de la naturaleza. Una especie de Ley universal. Pero todavía no la han encontrado.

- La fuerza nuclear fuerte. Los protones del núcleo tienen cargas electricas positivas. Las cargas opuestas se atraen, y las similares se repelen. Si los protones tienen todos cargas positivas, ¿por qué están unidos en el núcleo? Por la fuerza nuclear fuerte. Por lo tanto, podemos hacer la siguiente pregunta: Entre los protones hay una fuerza eléctrica que tiende a repelerlos. Y una fuerza nuclear fuerte que tiende a unirlos. Por lo tanto ¿Qué fuerza es mayor, la electromagnética o la nuclear fuerte? Deducimos que la nuclear fuerte, ya que en caso contrario, no existirían los núcleos de los átomos. La fuerza nuclear fuerte sólo se da entre los elementos del núcleo de un átomo. No tiene lugar entre dos átomos. Concluimos, que la fuerza nuclear fuerte es la que mantiene el núcleo del átomo unido.

- La fuerza nuclear débil. Los protones están formados por quark, que tienen diferentes cargas eléctricas. Es necesario mantener el equilibrio de las cargas eléctricas de los quarks, para que el resultado sea un protón de carga positiva. La fuerza nuclear débil es la que une los quarks dentro del potrón. Y la fuerza núclear débil dentro del neutrón (sin carga eléctrica) es más complicada todavía, porque consigue un equilibrio que permita el resultado de una carga eléctrica anulada. En el apartado siguiente veremos que las particulas que transporta la energía electromagnética son los fotones, que se desplazan a largas distancias. Sin embargo, las partículas que transportan la fuerza nuclear débil son los bosones W y Z. Tienen masa superior a la del potrón, y por lo tanto, las distancias de transporte son cortas. Es decir. Tenemos unas partículas que son los protones, que dentro tienen quarks. La relación entre quarks produce fuerza nuclear débil, que es transportada por bosones, que tienen una masa superior a la del bosón. Los científicos no se explican por qué el boson tiene tanta masa, porque lo lógico es que tuviera menos que la de un potrón.

- El electromagnetismo. Está relacionado con el traspaso de electrones de unos átomos a otros. Las particulas que transmiten la fuerza electromagnética son los fotones. Ya hemos hablado antes de cómo los fotones inciden en los electrones, y en su liberación del átomo, y transporte a otro átomo al que le falten electrones. Los fotones, como no tienen masa, pueden transportar la energía electromagnética a grandes distancias. Pero es un tema que merece un capítulo aparte.

3-. FÍSICA CUÁNTICA

Todo esto hay que complicarlo un poquito más con la visión cuántica. El protón no sería una partícula del átomo, sino una carga con distintas probabilidades de posición. Por lo tanto, lo tendríamos que interpretar como una especie de nube. Esa nube estaría formada por las múltiples posibilidades de situación de la carga. A lo que hay que añadir la figura del observador. Por ejemplo, según se observe un electrón, va a estar en una capa externa del átomo o en otra. La medición del electrón cambia su posición.

4-. ANTIMATERIA.

En otra parte del blog, hablo de la antimateria. Con los aceleradores de particulas, han descubierto que las particulas de los átomos, a grandes velocidades, pueden invertir sus cargas, de manera que se forman átomos de antimateria: en el núcleo del átomo, una carga negativa, y en la orbita del átomo, una carga positiva. El resultado es el mismo, porque al tener cargas opuestas, se atraen, y forman materia.

5-. UN PASO MÁS. LA MATERIA Y LA ENERGÍA OSCURA.

La materia y energía oscura se descubrieron en 1930. Lo que ha cambiado ahora es que antes se pensaba que en la materia oscura, las particulas no se relacionaban entre sí, mientras que ahora se descubre que existen relaciones y fuerzas entre estas partículas desconocidas.

Si son oscuras, y por tanto, invisibles ¿por qué sabemos que existen? Porque ejercen fuerza gravitatoria sobre el cosmos visible. Si un planeta o una galaxia se comporta de manera ilógica, cómo si una fuerza la moviese, es que existe una materia oscura que la mueve. Se cree que las galaxias se localizan dentro de conjuntos de aglomeración de materia oscura. Es como si fuera una estructura o armazón dentro del cual se va ubicando la materia visible.

La materia oscura se parece más a lo primitivo. La materia visible se ha ido formando por complejos químicos, derivados de las relaciones entre átomos cada vez más complejas. Si en la materia oscura, la relación entre particulas en menor, ha permanecido más inalterada desde el origen del universo.

Una de las particulas que los científicos están buscando, pero que es difícil, porque son invisibles, son las denominadas WIMP, que son partículas que sólo van a interactuar entre ellas, cuando exista una fuerza nuclear débil, pero no cuando hay electromagnetismo, porque no les afecta. (si les afectaría la gravedad, pero débilmente).

También se teoriza sobre otra particula, la super-WIMP, que sólo se vería afectada por la fuerza de la gravedad, no de la fuerza núclear débil.

FUENTES

Revista “Investigación y Ciencia”. Enero 2011. Jonathan Feng y Mark Trodden. http://www.investigacionyciencia.es/productos.asp?cat=1

http://www.molwick.com/es/materia/163-fuerza-nuclear.html

http://www.vagos.es/showthread.php?t=765458

http://www.elforro.com/ciencia-y-naturaleza/558453-duda-atomos.

http://espanol.answers.yahoo.com/question/index?qid=20081119102214AA8mU8b

http://www.monografias.com/trabajos/atomo/atomo.shtml

DESCUBRIMIENTOS DE LA NASA

Un nuevo descubrimiento extraordinario ha llevado a cabo la NASA. Existen otras estructuras distintas a las actualmente existentes de ADN. De manera que no sólo caben las basadas en fósforo, sino que ha aparecido una bacteria cuyo ADN está basado en el arsénico. El descubrimiento se va a explicar en Amazon y en la revista SCIENCE.

La moraleja es que “todo es posible”, y que nada tiene de malo jugar a imaginar e inventar. Como decía Lee Smolin: “En el fondo, los científicos somos gente con suerte: podemos jugar a lo que queramos durante toda la vida”.

Para más información, recomiendo este enlace http://www.elmundo.es/blogs/elmundo/cosmos/2010/12/01/la-nasa-y-los-extraterrestres-busca-el.html o este otro http://www.sciencemag.org/content/early/2010/12/01/science.1197258

MATERIA Y ANTIMATERIA

He visto este enlace, donde trata lo que es la materia y la antimateria, y me parece muy bien explicado. Además, también plantea cómo los científicos del CERN han conseguido crear antimateria.

“La antimateria es, sencillamente, materia donde alguna de las cargas está invertidacon respecto a la materia corriente. Veámoslo con un electrón, que se comprende muy bien. El electrón, como leptón que es, tiene masa y spin pero sólo una carga: la eléctrica, siempre negativa. Su antipartícula, llamada positrón, posee exactamente la misma masa, spin y carga eléctrica; sin embargo, en este caso la carga eléctrica es positiva.

De esta forma el positrón mantiene todas las propiedades de su antipartícula el electrón pero electromagnéticamentereacciona al revés. Por ejemplo: dos electrones, por tener carga negativa, tienden a repelerse entre sí. Pero un electrón y un positrón, aunque en todo lo demás sean idénticos, tienden a atraerse entre sí porque uno tiene carga eléctrica negativa y el otro positiva. Y así con todo.”

http://www.lapizarradeyuri.com/2010/11/21/38-antihidrogenitos/

Hidrógeno y antihidrógeno.