Notas de química

Viaje al centro del átomo

Tiempo de lectura estimado: 19 minutos

Imagina que te encuentras en un laboratorio científico de vanguardia, rodeado de científicos e instrumentos sofisticados. Te dispones a embarcarte en una aventura única: explorar las profundidades del átomo.

Una vez que te adentres en este fascinante mundo microscópico, descubrirás una realidad completamente nueva. Te sorprenderá la vasta cantidad de partículas subatómicas que existen, como los electrones, protones y neutrones, que forman la base de la materia.


¿Cómo vive el protón?

Todo lo que nos rodea, como lámparas, pisos y aire, está compuesto por moléculas. En el mundo hay una gran cantidad de moléculas, millones de ellas. Y cada sustancia es especial porque tiene su propia molécula única. Estos millones de moléculas diferentes se construyen a partir de átomos, de los cuales hay menos, un poco más de cien. De hecho, en la naturaleza, hay incluso menos que eso.

Los átomos tampoco son elementales: están compuestos por un núcleo muy pesado y compacto, y por capas electrónicas. Sin embargo, este núcleo pequeño (en comparación con el átomo) y muy pesado tampoco es elemental: está compuesto por protones y neutrones.

Todo esto se estudia en la escuela, y aunque parecen conceptos muy simples, en realidad se puede ver esta situación desde otro punto de vista al que normalmente no se presta atención. Me refiero al «principio de combinación».

Principio de combinación

¿Qué es eso? A primera vista, la idea es muy simple. Nos dice que objetos más complejos y pesados pueden formarse a partir de otros más simples simplemente agregando piezas adicionales. Cuanto más pesado sea el objeto, más piezas contendrá. Por lo tanto, el aumento de la complejidad del objeto está inevitablemente relacionado con un aumento en el número de piezas. Esto se aplica tanto a las moléculas comunes como a los átomos y los núcleos atómicos (existen núcleos muy pequeños, como la partícula alfa, que es un núcleo muy pequeño, pero si se le agregan protones y neutrones adicionales, se forman núcleos más pesados).

Parecería que ¿por qué hablar tanto de esto? Es todo elemental. Parecería que no puede ser de otra manera. Es tan obvio. Pero resulta que, si nos sumergimos en la profundidad del protón, será completamente diferente. Allí esto no funcionará.

Dentro de las profundidas

La física moderna ha «penetrado» en las profundidades de la materia. No es tan fácil como puede parecer, porque las pequeñas partículas no se pueden tocar con los dedos, no se pueden atrapar con pinzas pequeñas y no se pueden ver con luz. Como resultado, los físicos han intentado durante mucho tiempo comprender cómo «mirar» dentro de las partículas, y descubrieron que la forma más fácil es acelerarlas en aceleradores y hacer que choquen entre sí. Al examinar los resultados de las colisiones, los físicos comprenden de qué están hechas.

Analizando los resultados de diversas investigaciones, los científicos han llegado a la conclusión de que el protón tampoco es elemental. También tiene una estructura, y esta estructura es bastante simple: hay tres pequeños objetos compactos llamados quarks, y a su alrededor hay algo que se puede llamar «nube de gluones» (el «gluón» proviene de la palabra «pegamento», que parece unir estos quarks). Y estas fuerzas de gluones son muy inusuales.

La estructura del atomo sigue siendo estudiada
La estructura del átomo sigue siendo estudiada

Lo que sucede con grandes simplificaciones se ve más o menos así. Las fuerzas de la nube de gluones que atraen a los quarks de repente dejan de ser simplemente fuerzas, se materializan. Es decir, en términos simples, caen como precipitación, envuelven estos quarks y están cerca de ellos. Estos campos de repente comienzan a tener una vida propia. Adquieren una entidad material.

Por ejemplo, tienen peso: adquieren masa. Y dejan de ser simplemente «ayudantes» de estos quarks, no solo los atraen, sino que también se atraen a sí mismos. Es decir, las diferentes partes de la nube de gluones también se sienten entre sí y no permiten que esta nube se expanda, la contienen. Gracias a esto, el protón es bastante compacto. Gracias a esto, el quark no puede alejarse mucho.

Y, imagínate, si tomas estos quarks y tratas de separarlos, obviamente no con las manos, sino disparando algún electrón, el quark intentará alejarse con toda la fuerza que tenga, pero no puede escapar de la nube de gluones, porque él mismo genera esa nube. Como resultado, la nube de gluones intenta estirarse, se hincha, se vuelve más pesada y, como resultado, se descompone en partículas. El quark simplemente no puede escapar de esto, es una de las manifestaciones de la peculiaridad de las fuerzas de gluones.

Estructura subatómica

De aquí en adelante será aún más interesante. Gracias a esto, resulta que el principio de combinación que funcionaba perfectamente en los núcleos atómicos no funciona en absoluto en el protón. ¿Cómo se ve esto?

Imaginemos, por ejemplo, por analogía con el núcleo atómico. Supongamos que tenemos un protón que consta de quarks. Intentemos añadirle algunos quarks más para obtener un protón mega grande y grueso. Se realizaron experimentos de este tipo, pero ¿qué sucede? Resulta que estos quarks adicionales no quieren entrar en el interior. Intentamos meterlos, pero no quieren entrar, prefieren separarse. Y los físicos aún no comprenden completamente esta situación, no hay una imagen generalmente comprensible, desafortunadamente. Pero el resultado es que no se puede combinar muchos quarks juntos.

Podría parecer que está bien, si no se puede, entonces no se puede, intentemos estudiar lo que hay. Comenzamos a estudiar partículas y de repente vemos que en realidad hay análogos del protón (alrededor de una decena) que han sido descubiertos experimentalmente y estudiados experimentalmente, y todos ellos se parecen mucho al protón. Y lo más interesante es que tienen una masa mayor.

Los científicos se interesaron: ¿cómo es esto posible? ¿De qué están hechas entonces estas partículas? Se realizaron experimentos y se descubrió que todas están compuestas por los mismos tres quarks. Hay tres quarks aquí y hay tres quarks allá. Estos quarks son todos iguales. Pero la diferencia radica en su disposición. Están dispuestos de una manera ingeniosa con respecto a los demás y se mueven un poco de manera diferente.

Si lo piensas, esto también es algo muy inusual, porque en la vida cotidiana normal, si tomas y cambias las partes, por ejemplo, de un cubo de Rubik, no obtendrás algo nuevo, como un objeto más pesado. Pero aquí sucede precisamente eso: si de alguna manera cambias los quarks, entonces la nube de gluones se expande y, dado que también tiene masa, la masa resultante es mayor. Es decir, el principio de combinación se rompe por completo.

Conservación de masa y energía

En esta nube de gluones, no hay una ley de conservación de «la materia de la nube». Si tomas un trozo de esta nube y lo separas por la fuerza, esto también se puede hacer experimentalmente, entonces no quedará nada allí. Si intentas sacar la mitad de la nube, volverá a crecer porque los quarks no pueden existir sin ella.

La ley de conservación de la energía no se viola en esto. Simplemente, si realmente separas un trozo, estás afectando a ese protón (no puedes simplemente tomar y despegar un pedazo). Si deseas quitar un trozo de la nube de gluones del protón, debes tirar de él de alguna manera. Y en ese momento, estás añadiendo energía adicional a ese protón. Toda esa energía se gasta en el crecimiento de una nueva nube de gluones.

Esto se puede describir aproximadamente de la siguiente manera: hay fuerzas que conoces, las fuerzas electromagnéticas. Son las fuerzas de atracción entre cargas eléctricas. En cierto sentido, se pueden representar como el intercambio de partículas, estas partículas se llaman «fotones». Los fotones no interactúan entre sí. Si, por ejemplo, hay cierta cantidad de fotones en algún lugar y se agregan unos pocos más, no afectará en absoluto a los fotones anteriores. Esto se llama «principio de superposición».

Los campos eléctricos y magnéticos simplemente se suman y ya está. Pero con los campos de gluones no ocurre lo mismo. Si hay muy pocos gluones en la nube (por ejemplo, tomas la nube y le quitas la mitad), los gluones restantes emitirán nuevos gluones y se acomodarán de manera que todo sea estable y estacionario. Esa es una propiedad que las personas no conocían antes.

Masa no aditiva

Aquí no funciona el punto de vista normal sobre de dónde proviene la masa. Normalmente, la masa se compone de la masa de ciertos ladrillos. Si tenemos tres ladrillos, la masa total del montón de tres ladrillos será igual a tres veces la masa de un ladrillo individual. Pero en el caso de los quarks, la masa no es simplemente la suma de las masas de los quarks individuales. La masa del protón es mucho mayor que la suma de las masas de sus tres quarks constituyentes. Esto se debe a la interacción entre los quarks y los gluones, que contribuye significativamente a la masa total.

El principio de combinación que funciona en los núcleos atómicos, donde se pueden combinar muchos nucleones para formar núcleos más grandes, no se aplica de la misma manera a los protones. Aunque los protones están compuestos por tres quarks, no es posible combinar muchos quarks adicionales para formar protones más grandes. Además, se han descubierto partículas análogas al protón con una masa mayor, pero también están compuestas por tres quarks. La diferencia radica en la disposición y movimiento de estos quarks.

La nube de gluones que rodea a los quarks en el protón también desempeña un papel importante. No se puede separar un trozo de esta nube sin afectar al protón y agregando energía adicional. Además, los campos de gluones no siguen el principio de superposición, a diferencia de los campos electromagnéticos.

Estudiando los gluones

Cuando los físicos se dieron cuenta de esto, se sorprendieron y se preguntaron cómo podrían estudiar estas propiedades de la nube de gluones.

Como se mencionó anteriormente, las partículas se estudian de la siguiente manera: se toman y se chocan entre sí, se dispersan y puede surgir algo nuevo. Este método funciona muy bien si quieres saber, por ejemplo, qué energía se encuentra en estos quarks. Específicamente en los quarks, porque llevan la mayor parte de la energía. Sin embargo, desafortunadamente, esto no ayuda a comprender la estructura de la nube.

Y así, los físicos idearon un método: también es necesario chocar partículas a alta velocidad, pero prestar atención no a colisiones de frente, donde se genera un montón de cosas, sino a colisiones en las que se rozan ligeramente al pasar. Entonces los quarks vuelan sin sentir esta colisión. Pero las nubes, al rozarse ligeramente, interactúan y entre ellas se produce un pequeño trozo.

El atomo sigue guardando secretos
El átomo sigue guardando secretos

A este objeto que atraviesa se le llama «pomeron» en física. Durante el proceso de salto, existe por sí mismo. No está unido a ningún quark, como si estuviera localizado en el espacio, como si viviera por sí mismo. Incluso hay suposiciones de que puede vivir separado. Si se golpea un protón, bajo ciertas condiciones el pomeron puede desprenderse, alejarse y vivir por sí mismo durante algún tiempo, sin ningún quark.

Es decir, lo que antes era simplemente una fuerza ahora se ha materializado e incluso se ha desprendido de sus quarks parentales y está presente en el espacio. Los científicos han estado buscando tales objetos durante mucho tiempo, pero desafortunadamente aún no los han encontrado, aunque en principio es posible.

Fenómenos emergentes

Una de las cosas más importantes en la física es el fenómeno de la emergencia de la masa. En mi opinión, es uno de los principales descubrimientos en la física teórica. El descubrimiento radica en que existen fenómenos que pueden surgir por sí mismos, no es necesario incorporarlos inicialmente en pequeños detalles, ladrillos y fórmulas. Surgirán por sí mismos en la forma en que los vemos en la naturaleza. Es algo asombroso.

Tomemos otro campo como ejemplo. Existe un fenómeno llamado superconductividad. La superconductividad es cuando un cuerpo pierde por completo su resistencia eléctrica, la corriente puede fluir a través de él sin ninguna resistencia. Si cerramos un superconductor en un circuito y le enviamos corriente sin ningún voltaje, girará durante horas, días, años; se han realizado experimentos de este tipo. No se desvanece, gira y gira…

Si nos acercamos ingenuamente a la comprensión de la naturaleza, podríamos decir: si este fenómeno existe en una sustancia así, dividámoslo en átomos y examinemos cada átomo o molécula, intentemos encontrar su origen, algo que le confiera la superconductividad. Por supuesto, puedes hacerlo: dividirlo en átomos, dispersarlo, estudiar átomos individuales, teórica o experimentalmente, como desees. ¡Y no verás nada allí! No habrá ni la más mínima indicación de superconductividad, porque la superconductividad no sabe nada de átomos y los átomos no saben nada de superconductividad.

Si tomas un solo átomo, no tendrá superconductividad, simplemente será un átomo, y ya está. Si tomas dos o tres átomos, será lo mismo. Pero si tomas muchos átomos, de repente surge. Estos fenómenos emergen por sí mismos, simplemente debido a la interacción de las partículas. No fue necesario incorporarlos inicialmente.

O toma, por ejemplo, el fenómeno del magnetismo. Podrías pensar que, si un imán atrae el hierro, debería seguir haciéndolo, aunque lo dividamos en átomos individuales. En realidad, el magnetismo (o más correctamente, ferromagnetismo) en el hierro surge debido a la interacción. No hay nada especialmente peculiar o específico en los átomos de hierro. Todo esto surge después de que colocas muchos de estos átomos y consideras cómo interactúan entre sí. Es entonces cuando gradualmente se hace evidente la diferencia entre el hierro y los demás elementos.

«Los fenómenos emergentes» no solo existen en la física. También los encontramos en las matemáticas, en la economía e incluso en la biología. Si lo deseas, muchas cosas se pueden interpretar como fenómenos emergentes, es decir, fenómenos que surgen debido a la interacción.

Son fenómenos extremadamente interesantes. ¿Cómo trabaja realmente un físico teórico con esto? Cuando quiere investigar algún objeto, sabe algo al respecto, por ejemplo, cuando investiga una sustancia, sabe que está compuesta por átomos. Escribe ecuaciones: hay átomos y fuerzas de interacción entre ellos, eso es como tener datos iniciales. Es muy simple y no se ve nada en ellas. Luego intenta resolver esas ecuaciones. Es como en la escuela, pero resolver estas ecuaciones es muy difícil porque están muy entrelazadas entre sí. Sin embargo, intenta resolverlas.

Y esto es un espectáculo fascinante, porque no incorporaste nada inicialmente, pero algún fenómeno que ves en nuestro mundo surge de repente de las fórmulas.

Campo de Higgs

La fuente de masa del protón mencionada anteriormente (campo de gluones) es en realidad solo una de las posibles fuentes. En realidad, en la naturaleza actúan al menos dos fuentes. La segunda fuente de masa proporciona masa a partículas ligeras como electrones, quarks, etc. Y este es un mecanismo completamente diferente, y la teoría que lo describe también es completamente diferente. Esta teoría aún no ha sido completamente verificada, pero muchas de sus predicciones ya se han cumplido, y está siendo investigada de manera muy activa en el colisionador LHС.

En resumen, la teoría es la siguiente. Inicialmente, todas las partículas, como quarks, electrones, etc., eran completamente sin masa. Esto significa que, por ejemplo, una bandada de electrones volaba, una pequeña fuerza actuaba sobre ellos y se desviaban hacia un lado. Luego, debido a ciertas características (esto se está estudiando), todo el Universo está lleno de un cierto campo de Higgs invisible. «Higgs» proviene del apellido del científico inglés Peter Higgs, quien ideó esta idea.

Este campo llena uniformemente todo el Universo, no es visible porque todas las partículas se mueven a través de él. Sin embargo, cuando se mueven a través de él, se enganchan un poco. Esto significa que el campo no permite que las partículas se aceleren demasiado rápido. Las partículas pasan, alguna fuerza actúa sobre ellas, intentan alejarse, pero el campo les dificulta hacerlo. Como resultado, se alejan, pero de manera reacia, como si hubieran adquirido inercia adicional, como si simplemente no quisieran moverse. En términos de fórmulas, esto se ve como si hubieran adquirido masa.

Se puede dar una analogía: toma un trozo de poliestireno expandido (espuma de poliestireno) y desmenúzalo. Cuando se desmenuza en pequeños pedazos, obtienes pequeñas bolitas de poliestireno. Son muy ligeras. Puedes esparcirlas sobre una mesa y soplar sobre ellas: se dispersarán. Esta es una analogía de partículas sin masa, es decir, partículas con una inercia muy pequeña.

Ahora, vierte agua sobre la mesa con cuidado y desmenuza el poliestireno encima, y sopla sobre él de nuevo. Verás que las bolitas se alejan, pero de manera renuente. Si no viéramos el agua, podríamos pensar que han adquirido alguna inercia extra que antes no tenían. Esta inercia surge porque al moverse tienen que atravesar un medio. En este caso, a través del agua, en realidad, a través del campo de Higgs. Además, aún no se sabe de dónde proviene el propio campo de Higgs.

Bosón de Higgs

Esta teoría se considera ampliamente aceptada y funciona a través de manifestaciones indirectas, pero para demostrarla definitivamente, es necesario realizar un experimento en el Gran Colisionador de Hadrones y encontrar una partícula especial, el bosón de Higgs, la partícula por la cual las personas seguramente obtendrán el Premio Nobel.

El bosón de Higgs es una vibración en el campo de Higgs.

Este ejemplo también se puede ilustrar. Antes hablé de poliestireno y agua. Cuando soplas sobre el agua, no solo ves que las partículas mismas se mueven en alguna dirección, sino que a veces, especialmente si soplas fuerte sobre el agua, ves olas en la superficie del agua que se dispersan. Las olas son las vibraciones del medio que contiene las partículas. Entonces, el bosón de Higgs también es una vibración en el campo de Higgs. Para obtenerlo, es necesario colisionar partículas a alta velocidad y con alta energía. Por eso debe ser descubierto.

Por cierto, existe otro problema: la masa de este bosón hipotético, no se sabe en absoluto cuál es, además, no se sabe si existe.

Existe un término en la historia de la física: el éter. Es un medio postulado, cuyas vibraciones son ondas electromagnéticas. Así se creía hace más de cien años. El campo de Higgs puede parecer un poco similar al éter, porque también impregna todo el Universo. Pero en realidad, no posee las propiedades necesarias para el éter. Por ejemplo, no afecta en absoluto a los fotones. Los fotones simplemente pasan a través de él.

El hecho de que veamos cuásares muy distantes cuya luz nos llega después de 10 mil millones de años significa que los fotones no han experimentado cambios significativos durante ese tiempo. De lo contrario, se habrían dispersado de alguna manera y veríamos una imagen difusa de estos cuásares.

Gran colisionador de hadrones (LHC)

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es una herramienta central para los investigadores en la construcción del átomo. Se encuentra en el Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN).

El LHC es un acelerador de partículas colisionador, es la instalación experimental más grande del mundo, con un anillo-túnel de 27 km de longitud y un diámetro de casi 9 km, a una profundidad de alrededor de 100 metros.

Funcionamiento del LHC

Su funcionamiento es el siguiente: las partículas vuelan a lo largo del anillo. Son aceleradas a altas energías en secciones de aceleración especiales y luego se hacen colisionar en puntos específicos, rodeados por sensores sensibles. Estos sensores, de gran tamaño, se llaman «detectores».

Imagina esto: las partículas viajan a lo largo de un tubo de vacío con varios centímetros de diámetro, que se extiende a lo largo de 27 km. La trayectoria de las partículas es ajustada por campos magnéticos y eléctricos. Los grupos de partículas en movimiento no están en forma de un solo grupo compacto, como podría parecer, sino en forma de largas agujas. Son extremadamente delgadas, con un grosor menor que un cabello humano y tienen longitudes que van desde centímetros hasta decenas de centímetros.

Si se suman todas estas partículas y protones, no podrás verlas porque su cantidad es ínfima, alrededor de nanogramos. Sin embargo, cuando se aceleran, su energía total es comparable a la de un avión a reacción en movimiento.

Además, todo esto ocurre a temperaturas extremadamente bajas: hay apenas 2 grados Kelvin. El tubo no es simplemente una estructura, sino una tecnología muy precisa. Por ejemplo, cuando se emparejan las secciones del anillo acelerador, deben ser alineadas con una precisión de micrones en altura. No es simplemente conectar una pieza de tubería a otra. Dado que esta instalación es muy larga, para llegar al otro extremo de la instalación experimental, se necesita un recorrido en bicicleta bastante largo, o en ocasiones utilizan pequeños vehículos.

Toda esta tecnología no solo es compleja, sino también peligrosa. Ha habido casos, por ejemplo, de lesiones cuando las personas olvidaban desactivar el campo magnético. Cuando pasas cerca, y tienes una llave inglesa en el bolsillo, por ejemplo, debido a la fuerza magnética, simplemente sale volando del bolsillo y puede causar una herida. Allí hay enormes cantidades de energía, y realmente no dejan nada en el lugar donde impactan.

En el colisionador LHC hay dos detectores principales que se utilizan para todas las investigaciones: ATLAS y CMS, además de dos detectores más pequeños: ALICE y LHCb. Además, hay varios detectores aún más pequeños. Entonces, en realidad, habrá siete experimentos funcionando, pero los principales serán dos.

El detector CMS puede parecer pequeño, pero en realidad tiene el tamaño de una persona. Es un cilindro lleno de electrónica complicada. A la derecha hay un pequeño aumento para mostrar la cantidad de cables que van allí. Y por cada cable habrá una señal que indique qué partícula pasó por aquí, dejó una cierta cantidad de carga, y así sucesivamente. Cuando todo esto se analiza en conjunto, con decenas o cientos de miles de cables, eso es lo que brinda la imagen de lo que realmente sucedió.

Parte interna del detector CMS, parte del LHC
Parte interna del detector CMS, parte del LHC

¿llegamos al final del camino?

Podemos ver que hay dos mecanismos para la generación de masa sobre los cuales sabemos con certeza que existen. Sin embargo, esto no marca el final de la historia, ya que no se descarta la posibilidad de que existan otras formas de engendrar masa. Aquello que percibimos como un objeto masivo puede en realidad obtener su masa de mecanismos completamente distintos.

Este gran colisionador proporcionará respuestas a las preguntas que han estado atormentando a los físicos durante muchos años, ya que los teóricos han llegado al punto en el que no saben qué más inventar y necesitan que la naturaleza les responda. Además, también abrirá nuevas vías hacia teorías futuras. Los físicos comprenderán hacia dónde deben dirigirse y qué deben desarrollar.

Para más información Higgs boson: The ‘God Particle’ explained

Print Friendly, PDF & Email

Como citar este artículo:

APA: (2023-10-19). Viaje al centro del átomo. Recuperado de https://quimicafacil.net/notas-de-quimica/viaje-al-centro-del-atomo/

ACS: . Viaje al centro del átomo. https://quimicafacil.net/notas-de-quimica/viaje-al-centro-del-atomo/. Fecha de consulta 2024-04-17.

IEEE: , "Viaje al centro del átomo," https://quimicafacil.net/notas-de-quimica/viaje-al-centro-del-atomo/, fecha de consulta 2024-04-17.

Vancouver: . Viaje al centro del átomo. [Internet]. 2023-10-19 [citado 2024-04-17]. Disponible en: https://quimicafacil.net/notas-de-quimica/viaje-al-centro-del-atomo/.

MLA: . "Viaje al centro del átomo." https://quimicafacil.net/notas-de-quimica/viaje-al-centro-del-atomo/. 2023-10-19. Web.

Si tiene alguna pregunta o sugerencia, escribe a administracion@quimicafacil.net, o visita Como citar quimicafacil.net