La mayoría de la gente, al imaginar un átomo, imagina un núcleo pequeño, formado por protones y neutrones, alrededor del cual se mueven uno o más electrones. Esta visión se basa en una interpretación de la mecánica cuántica basada en partículas. Pero no es suficiente describir los átomos en condiciones estándar.
Si quieres revelar los secretos del universo, solo necesitas interrogarlo hasta que te dé respuestas de tal forma que puedas entenderlas. Cuando interactúan dos cuantos de energía, ya sean partículas o antipartículas, masivas o sin masa, fermiones o bosones, su resultado, en principio, puede informarle sobre las reglas y leyes que obedece este sistema. Si conocemos todas las posibles variantes de los resultados de cualquier interacción, incluidas sus probabilidades relativas, solo entonces podremos decir que comprendemos lo que está sucediendo.
Sorprendentemente, todo lo que sabemos sobre el universo puede estar ligado de una forma u otra a la entidad más humilde que conocemos: el átomo. Un átomo es la unidad de materia más pequeña que aún conserva las características únicas del mundo macroscópico, como las propiedades físicas y químicas. Y al mismo tiempo es fundamentalmente una entidad cuántica, con sus niveles de energía, propiedades y leyes de conservación. Además, este átomo sin complicaciones está asociado con las cuatro interacciones fundamentales conocidas. En un solo átomo, puedes ver toda la física. Y esto es lo que puede decirnos sobre el universo.
Desde escalas macroscópicas hasta subatómicas, el tamaño de las partículas fundamentales juega un papel pequeño en la determinación del tamaño de las estructuras compuestas. Aún no se sabe si estos bloques de construcción son partículas verdaderamente fundamentales y puntuales, pero entendemos cómo funciona el universo desde escalas cósmicas grandes hasta escalas pequeñas subatómicas. El cuerpo humano contiene alrededor de 10 28 átomos.
Aquí en la Tierra hay alrededor de 90 elementos que aparecieron naturalmente, como resultado del curso de los procesos cósmicos que los crearon. Esencialmente, un elemento es un átomo cuyo núcleo está formado por protones, (y posiblemente) neutrones. Hay varios electrones alrededor del núcleo, cuyo número es igual al número de protones. Cada elemento tiene su propio conjunto de propiedades, que incluyen:
- dureza,
- Color,
- punto de fusión y ebullición,
- densidad (cantidad de masa por volumen),
- conductividad (qué tan fácil es que los electrones se muevan cuando se aplica un voltaje eléctrico)
- electronegatividad (la fuerza con la que un núcleo atómico se aferra a los electrones cuando está unido a otros átomos),
- energía de ionización (cuánta energía se requiere para eliminar un electrón),
así como muchos otros. Curiosamente, el tipo de átomo (y, por lo tanto, todas sus propiedades) está determinado por una sola cantidad: el número de protones en el núcleo.
La variedad de átomos y las reglas cuánticas que gobiernan los electrones que se mueven en órbita alrededor de los núcleos (partículas idénticas) hacen posible, sin exagerar, decir que todo lo que hay debajo del Sol consiste en átomos, de una forma u otra.
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Cada átomo con un conjunto único de protones en el núcleo forma enlaces únicos con otros átomos, por lo que puede haber un número casi infinito de tipos de moléculas, iones, sales y estructuras más grandes. Las partículas subatómicas actúan entre sí principalmente con la ayuda de fuerzas electromagnéticas. Como resultado, con el tiempo, se forman estructuras macroscópicas, que observamos no solo en la Tierra, sino en todo el Universo.
La propiedad común de todos los átomos es su masa. Y cuantos más protones y neutrones haya en el núcleo, mayor será la masa del átomo. Y aunque estas son entidades cuánticas, y el diámetro de un átomo no excede un angstrom, el rango de acción de la gravedad no está limitado por nada. Cualquier objeto con energía, incluida la energía en reposo que da masa a las partículas, deformará el tejido del espacio-tiempo de acuerdo con la teoría de la relatividad general de Einstein. No importa cuán pequeña sea la masa, no importa cuán pequeña sea la distancia, la curvatura del espacio-tiempo causada por cualquier número de átomos, ya sean 10 57 átomos en una estrella, 10 28 átomos en un cuerpo humano o un átomo de helio. ocurrirá exactamente de acuerdo con la relatividad general.
La aparición de masa en una celosía tridimensional vacía hace que sus líneas se doblen de cierta manera. Parecen estirarse hacia la masa. La curvatura del espacio debido al efecto gravitacional de la Tierra es una de las formas de visualizar la gravedad y la diferencia fundamental entre la relatividad general y la especial.
También hay partículas cargadas eléctricamente en los átomos. Los protones tienen carga eléctrica positiva; los neutrones son neutrales; la carga de los electrones es igual en magnitud y de signo opuesto a la carga de los protones. Todos los protones con neutrones están unidos en un núcleo atómico con un diámetro de solo 10-15m (femtómetro), y los electrones están en una nube 100.000 veces más grande. Cada electrón se encuentra en su propio nivel de energía único y puede moverse de un nivel a otro solo con un cambio discreto de energía.
Esto es notable por dos razones. Primero, cuando un átomo se acerca a otro (o un grupo de átomos), pueden interactuar. A nivel cuántico, sus funciones de onda pueden superponerse y los átomos se unen para formar moléculas, iones y sales. Estas estructuras conectadas tienen sus propias formas y configuraciones únicas de nubes de electrones. En consecuencia, tienen sus propios niveles de energía únicos, absorbiendo y emitiendo fotones solo en ciertas longitudes de onda.
Las transiciones electrónicas atómicas en el átomo de hidrógeno y las longitudes de onda de los fotones resultantes demuestran la energía de enlace y la relación electrón-protón en la física cuántica.
Estas transiciones electrónicas en un átomo o un grupo de átomos son únicas: son diferentes para cada átomo o configuración de un grupo de átomos. Al detectar las líneas espectrales de un átomo o molécula, no importa si es absorción o emisión, puede saber inmediatamente qué tipo de átomo o molécula es. Las transiciones electrónicas internas son consistentes con un conjunto único de niveles de energía, y las transiciones de electrones indican sin ambigüedad el tipo y la configuración del átomo / átomos.
En todo el universo, los átomos y las moléculas obedecen las mismas reglas: las leyes de la electrodinámica clásica y cuántica, que gobiernan todas las partículas cargadas. Incluso dentro del propio núcleo atómico, que consta de quarks cargados y gluones sin carga eléctrica, las conexiones electromagnéticas juegan un papel fundamental. Esta estructura interna explica por qué el momento magnético de un protón es casi tres veces más fuerte que el momento magnético de un electrón (y tiene el signo opuesto), mientras que un neutrón tiene un momento magnético que es casi el doble que el de un electrón y tiene el mismo señal.
El nivel de energía más bajo de hidrógeno (1S) en la parte superior izquierda tiene una nube de electrones probabilística muy densa. A niveles de energía más altos, las nubes son similares, pero tienen una estructura más compleja. Para el primer estado excitado, existen dos configuraciones independientes: 2S y 2P, que por un efecto casi imperceptible producen diferentes niveles de energía.
Aunque la interacción eléctrica funciona a distancias bastante largas, de hecho, como la gravedad, tampoco tiene limitaciones, la neutralidad eléctrica del átomo en su conjunto juega un papel increíblemente importante en la comprensión del comportamiento de todo el universo. La interacción electromagnética es increíblemente fuerte: ¡dos protones son repelidos con una fuerza 10 36 veces mayor que su atracción gravitacional!
Pero dado que los objetos macroscópicos que estamos acostumbrados a consistir en tantos átomos, y dado que los átomos mismos son eléctricamente neutros, notamos algo solo si:
- el objeto tiene una carga eléctrica, como un electroscopio cargado,
- cuando la carga fluye de un lugar a otro, como en un rayo,
- cuando las cargas se separan, creando un potencial eléctrico, como en una batería.
Uno de los ejemplos más simples e interesantes de estos procesos se puede ver frotando un globo en su propia camiseta y luego tratando de apoyarlo contra su cabello o una pared. La bola se pegará porque la transición o redistribución de una pequeña cantidad de electrones le da al objeto una carga que puede vencer la fuerza de la gravedad. Estas son fuerzas de van der Waals , actúan entre moléculas e incluso los objetos en general neutros pueden tener una interacción electromagnética que puede resistir la gravedad a distancias cortas.
Frotando dos materiales diferentes, como tela y plástico, puede transferir cargas de uno a otro, provocando que ambos objetos se carguen.
En los niveles clásico y cuántico, una gran cantidad de información asociada con interacciones electromagnéticas está codificada en el átomo, mientras que la relatividad general "clásica" (no cuántica) es suficiente para explicar las interacciones atómicas y subatómicas que hemos encontrado. Si profundiza aún más en el átomo, dentro de los protones y neutrones, puede revelar la naturaleza y las propiedades de las interacciones fundamentales restantes: débiles y fuertes.
A medida que baja a la escala del femtómetro, primero comienza a notar los efectos de las interacciones fuertes. Por primera vez, se manifiesta entre diferentes nucleones: protones y neutrones, de los que consta cualquier núcleo. La interacción eléctrica entre dos nucleones los repele (las cargas de los protones son las mismas) o no surge (los neutrones no tienen cargas). Pero a distancias pequeñas, hay una interacción que es incluso más fuerte que la electromagnética: una fuerte interacción que funciona entre quarks a través del intercambio de gluones. Diferentes protones y neutrones pueden intercambiar pares de quarks-antiquarks-mesones, esto los une en el núcleo y con una configuración adecuada supera la fuerza de repulsión electromagnética.
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En las profundidades del núcleo atómico, la fuerte interacción se manifiesta de una manera diferente: los quarks individuales intercambian gluones constantemente. Además de la carga gravitacional (masa) y la carga electromagnética inherente a la materia, también existe una carga característica de los quarks y gluones: de color. No siempre se atraen, como la gravedad, o tienen dos cargas que pueden ser repelidas o atraídas como las eléctricas. Tienen tres colores independientes (rojo, verde y azul) y tres anti-colores. Se encuentran sólo en una combinación "incolora", en la que se combinan los tres colores (o anti-colores), o se combinan combinaciones de color-anti-color.
Mantener los protones y neutrones intactos es el intercambio de gluones, especialmente cuando los quarks se alejan y la fuerza fuerte aumenta. Cuanta más energía pueda transferir a través de colisiones con partículas subatómicas, más quarks, antiquarks y gluones podrá ver. Parece que el interior del protón está lleno de todo un mar de partículas, y cuanto más fuerte lo golpeas, más pegajosas se vuelven. Profundizando en la cantidad de energía máxima disponible para nosotros, todavía no vemos ninguna restricción en la densidad de estas partículas subatómicas dentro de los núcleos atómicos.
El protón no son solo tres quarks con gluones. Es todo un mar de partículas densas y antipartículas. Cuanto más estudiamos el protón, más energía gastamos en colisiones inelásticas, más estructura interna encontramos en él.
Pero no todos los átomos pueden vivir para siempre en una configuración estable. Muchos átomos sufren desintegración radiactiva; tarde o temprano emiten una o más partículas, lo que cambia fundamentalmente sus propiedades. El tipo más común de desintegración es la desintegración alfa , en la que un átomo inestable escupe un núcleo de helio con dos protones y dos neutrones. El segundo tipo más común es la desintegración beta , en la que un átomo escupe un electrón y un neutrino antielectrón, y uno de los neutrones del núcleo se convierte en un protón.
Esto requiere otra fuerza nueva: la fuerza nuclear débil. Depende de su tipo de carga: débil, que es una combinación de hipercarga débil y isospin débil . Las cargas débiles han demostrado ser extremadamente difíciles de medir, ya que las interacciones débiles son millones de veces más débiles que las fuertes o electromagnéticas, hasta que se descienden a escalas extremadamente pequeñas, como el 0,1% del diámetro de un protón. Se pueden observar interacciones débiles en un átomo adecuado, listo para la desintegración beta. Resulta que las cuatro interacciones fundamentales se pueden probar simplemente estudiando el átomo.
Representación esquemática de la desintegración beta de un núcleo atómico masivo. El neutrón se convierte en un protón, un electrón y un neutrino anti-electrón. Antes del descubrimiento de los neutrinos, parecía que la energía y el impulso no se conservaban en las desintegraciones beta.
De esto se deduce algo notable: si se toma cualquier partícula del Universo, aunque aún no esté abierta, pero sujeta a una de estas interacciones, también interactuará con los átomos. A través de interacciones con partículas dentro de un átomo común, hemos descubierto una gran cantidad de partículas, incluidos todo tipo de neutrinos y antineutrinos. Un átomo es tanto de lo que estamos hechos como una ventana a la verdadera naturaleza de la materia.
Cuanto más profundizamos en los componentes básicos de la materia, mejor entendemos la naturaleza del propio universo. Solo interrogando al Universo sobre qué reglas obedecen todas las partículas y antipartículas, y cómo se unen entre sí, podemos comprender su estructura. Y aunque la ciencia y la tecnología, sujetas a nosotros, nos permiten profundizar cada vez más, sería una pena rechazar la investigación solo porque no pueden garantizarnos un nuevo descubrimiento revolucionario. Lo único que se sabe con certeza: si no profundizamos, nunca encontraremos nada.