Proyecto de investigación

Erausquin Carolina (carolinnee.95@gmail.com)

D. N. I.: 38.698.754

Proyecto institucional científico

“ El origen de las cargas eléctricas en el átomo”

El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquin

Índice

Introducción....................................................................................................3

Estructura del átomo......................................................................................6

Partículas elementales...................................................................................8

Quarks: sabores y propiedades....................................................................11

Conclusión....................................................................................................13

Bibliografía....................................................................................................14

Anexo: E-mail recibido de Ingo Allekotte, especialista

del Observatorio Pierre Auger, Malargüe, Mendoza, Argentina..................15

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El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquin

Introducción

1) Objetivos de investigación

El fin de este proyecto es investigar acerca del origen de las cargas eléctricas en

el protón y el electrón, y por qué los neutrones no poseen carga alguna, y si esto

tiene relación con el movimiento en orbitales de los electrones y con la

distribución de estas partículas en el átomo.

Actualmente se sabe que el átomo es la porción de materia más pequeña, que no

se puede dividir a través de procesos químicos, y que mantiene las propiedades

del elemento al cual pertenece. Sin embargo, que no sea divisible no significa que

no esté formado por partículas aún más pequeñas. El átomo, primeramente

mencionado por Demócrito, y cuyo primer modelo con evidencia científica fue

hecho en 1808 por Thomas Dalton, está formado por tres tipos de minúsculas

porciones 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 por

la fuerza nuclear mediados por gluones (partículas elementales que están a cargo

de la interacción nuclear fuerte), los cuales están orientados dos hacia arriba y

uno hacia abajo, lo que produce que tenga carga positiva. Cada neutrón, por otro

lado, está formado por tres quarks, pero con las cargas distribuidas de tal manera

que éstas se neutralizan. Los electrones, por otro lado, son un tipo de partículas

llamadas fermiones, las cuales no pueden encontrarse dos iguales en un mismo

lugar. Esto da origen al movimiento de los electrones, el cual se realiza para que

los fermiones se alejen entre sí, pero como se ven a su vez atraídos por los

protones del núcleo, se ven obligados a trasladarse en círculos, de manera similar

a 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 entender

que carece de gluones, lo que a su vez indicaría que no está compuesto por

quarks, o sólo está compuesto por uno.

Las partículas subatómicas tienen masas distintas: el neutrón es el componente

más pesado, con 1,675 x 10-24g, seguido por el protón, cuya masa es apenas más

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El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquin

liviana (1,673 x 10-24g). Finalmente, se encuentra el electrón, cuya masa es

despreciable, y exactamente la 1837ª parte de un protón, con 9,1093 x 10 -28 g de

masa. 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 estas

pequeñas partículas poseen carga eléctrica (protones y electrones, cargas

positivas y negativas respectivamente), sino que además los protones, junto a los

neutrones, forman un núcleo en el centro del átomo, y los electrones giran

alrededor de él en orbitales de variadas formas y diferente capacidad de los

mismos en cada nivel de energía. También se ha descubierto que el número total

de electrones en un átomo es el mismo que el número de protones, lo que hace a

esta partícula diminuta una fracción de masa sin carga eléctrica, o más bien con

carga neutra, ya que las fuerzas eléctricas de cada protón se cancelan con las

fuerzas de cada electrón. Más aún, todas las propiedades eléctricas y magnéticas

del universo físico tienen como base a los electrones.

2) Descripción del contenido

Si se supiera el origen de estas cargas, se podría entender de una manera más

precisa la fuerza eléctrica y magnética, lo que podría revolucionar el campo de la

física, ya que no serían necesarias muchas actividades de obtención de energía

eléctrica, como por ejemplo la construcción de diques, represas y embalses, los

cuales provocan un gran cambio en el ecosistema y producen un gran impacto

ambiental, o las centrales nucleares, que eliminan desechos radioactivos y

altamente contaminantes, además de funcionar a base de uranio, elemento que

es muy difícil de conseguir, y que por lo tanto es muy costoso. Por lo tanto, la

pregunta que debemos formularnos es ¿cuál es la causa de las cargas eléctricas

en las partículas subatómicas?

3) Procedimiento metodológico

Para ampliar la información se entrevistará a dos personas: al bioquímico

Mauricio Cymerman y al licenciado en química Héctor Lacarra. Más aún, se

entrará en contacto con especialistas del Observatorio Pierre Auger, el cual se

encuentra en Malargüe, provincia de Mendoza, para recopilar información del

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El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquin

comportamiento de las partículas subatómicas, además de realizarse la lectura de

material relacionado al tema.

4) Cronograma

28/8 -

3/9

4/9 -

10/9

11/9 -

17/9

18/9 -

24/9

25/9 -

1/10

Recopilación de información de

diversas fuentes

X X X X X

Entrevista a Héctor Lacarra X

Entrevista a Mauricio Cymerman X

Contacto con el Observatorio

Pierre Auger

X X X

Respecto al cronograma del proyecto, se planea entregar el anteproyecto el día

20 de junio del 2012, y se espera poder realizar una entrevista al bioquímico

Mauricio Cymerman antes del día 15 de julio del año en curso, y a Héctor Lacarra

antes del 31 del mismo mes. Además, se tiene pensada la realización de un Prezi

que ayude a la comprensión de las ideas para el día 15 de agosto del corriente

año. Para completar el proyecto de investigación, se planea ponerse en contacto

con el Observatorio Pierre Auger, en Malargüe, Mendoza, con el fin de obtener

opiniones e ideas, y recibir conocimientos de especialistas.

5) Presupuesto

Los gastos producidos para el desarrollo de este proyecto son reducidos. Se

necesitarán hojas para la impresión del informe final. Quizás también es probable

que se tenga que invertir en sobres y los gastos de envío que se requieran para el

intercambio de correo con el Observatorio Pierre Auger, en el caso de que el

intercambio de información sea mediante correo tradicional, y no electrónico.

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El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquin

Estructura del átomo

Desde hace siglos, la humanidad se ha preguntado cuál es la fracción de materia

más pequeña que existe en el universo, y la cual no puede fraccionarse en partes

más pequeñas. En el siglo V A. C., Leucipo y Demócrito creyeron haber

descubierto una partícula indivisible, que componía a toda la materia existente, a

la cual denominaron “Átomo” (“Sin división” en griego). A estas partículas se las

imaginaba como pequeñas esferas que interactuaban entre sí y formaban la

materia. Mucho

más adelante, en

1911, Rutherford

realizó toda una

serie de

experimentos, y

llegó a la

conclusión que un

átomo sí se puede

dividir en partes

más pequeñas, y que está compuesto por un núcleo, ubicado en el centro, y

electrones (e-), que giran alrededor del núcleo tal como los planetas en el sistema

solar lo hacen alrededor del sol. El modelo atómico de Rutherford, también

conocido 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 los

cuales existe la posibilidad de

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Modelo atómico de Rutherford, o modelo planetario del átomo.

Diferentes orbitales presentes en los átomos

El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquin

encontrar un electrón. Más aún, se supo ya desde los inicios que dentro de los

átomos existían cargas electromagnéticas. En el núcleo, los protones poseen

carga positiva, y los neutrones, carga neutra, como su nombre lo indica. Por otro

lado, los electrones poseen carga negativa, lo que explica el hecho de que éstos

giren en torno al núcleo, ya que las cargas opuestas se atraen, aunque hace

aparecer la pregunta de cómo es que los protones se mantienen juntos en el

núcleo, si las cargas del mismo signo se repelen. Por estas mismas razones, se

puede notar que el radio atómico de los elementos varía no solamente por la

cantidad de niveles de energía que tienen, si no que también debido a la cantidad

de electrones que se

encuentran en el último

nivel, es decir, cuanto más

electrones un átomo

posea en el último nivel de

energía, menor será el

radio, ya que al haber más

electrones la fuerza de

atracción entre éstos y los protones presentes en el núcleo es mayor, y logran

acercarse más al mismo. Por ende, visto desde la tabla periódica de los

elementos, el radio atómico aumenta a medida que se avanza hacia abajo y hacia

la izquierda.

Asimismo, se sabe que la carga eléctrica de un electrón es de -1,602x10-19

Coulombs, y como todos los átomos sin ionizar o estar unidos a otros átomos son

neutros en la suma total de cargas, se pudo asumir que la carga de los protones

es la misma, a diferencia de que ésta es positiva, y que la cantidad de electrones

en un átomo es igual al número de protones en su núcleo.

La masa de los electrones, por otro lado, es casi despreciable comparados con

los 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.

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Progreso del radio atómico

Tabla de masas y cargas de partículas subatómicas

El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquin

Partículas fundamentales

Se le llama partículas fundamentales a aquellas formas más pequeñas y simples

de la materia, que no poseen estructura interna ni pueden fraccionarse. Como ya

se ha mencionado anteriormente, el átomo se puede dividir en fracciones más

pequeñas, por lo que queda claro que no son partículas fundamentales. Este tipo

de partículas se encuentran dentro del átomo.

Existen dos tipos de partículas fundamentales: los bosones y los fermiones. Los

primeros son los responsables de las fuerzas e interacciones entre las otras

partículas elementales, y las que explican todos los fenómenos físicos. A este tipo

de partículas fundamentales les corresponden valores enteros de espín de la

constante 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 se

1 La constante de Planck es la relación entre la cantidad de energía y frecuencia asociadas a una

partícula fundamental.

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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, por

otro lado, son

partículas de espín

semi-enteros

correspondientes a

la constante de

Planck. Dentro de

los fermiones, se encuentran los hadrones, compuestos por quarks, y los

leptones, que son las partículas fundamentales más livianas con masa que se

pueden encontrar. Las cargas eléctricas de los leptones siempre son múltiplos de

la carga eléctrica de los electrones, ya que éste es un leptón. A diferencia de los

quarks, los leptones no necesitan agruparse, y gracias a esto los podemos

encontrar solos, o en presencia de otros leptones, pero sin fuerzas entre sí que

los mantengan unidos.

Se conocen seis leptones: los electrones, los muones, los tauones, y sus

respectivos neutrinos. Los electrones, como ya se ha mencionado anteriormente,

poseen una masa de 9,109x10-28 gramos, mientras que los muones tienen una

masa 207 veces mayor a la de los electrones. A su vez, la masa de los tauones

es 3500 veces la masa de los electrones. Tanto los neutrinos electrónicos, como

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Bosones y sus respectivas interacciones

El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquin

los muónicos y los tauónicos casi no poseen masa, y tanto ellos como los

antineutrinos viajan en línea recta, sin interactuar con ninguna otra partícula,

salvo en ocasiones con su leptón correspondiente. En otras palabras, los

neutrinos electrónicos sólo pueden interactuar con electrones, los neutrinos

muónicos con muones, y los neutrinos tauónicos con tauones.

Los hadrones, compuestos por quarks, se clasifican en bariones y mesones,

dependiendo de la cantidad de quarks con los que esté compuesto. Los bariones

están compuestos por tres quarks, como por ejemplo los protones y los

neutrones. Estos hadrones serían los más pesados y masivos, pero sin embargo

existen mesones que los superan, ya que los quarks que componen a algunos

mesones serían

más grandes que

los que

compondrían por

ejemplo a un

protón.

Los mesones, por

otro lado, se

componen por un

quark y su respectivo anti-quark. Estos son altamente inestables, y rápidamente

se desintegran, ayudados por las fuerzas débiles que producen los bosones W y

Z, en menos de una millonésima parte de segundo. Los dos mesones más

conocidos son los piones y los kaones, y también son aquellos que hasta lo que

ha descubierto el hombre hasta el momento, son los que más tiempo de vida

tienen, con un tiempo de desintegración de una cienmillonésima de segundo.

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Los leptones y sus características

Ejemplos de bariones

El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquin

Quarks: sabores y propiedades

Los quarks son la fracción de materia más pequeña, junto con los leptones. Éstos

son fermiones, y como se ha desarrollado anteriormente, se agrupan en bariones

y mesones. En la naturaleza, se pueden encontrar mucho más fácilmente a los

bariones que a los mesones, ya que, como ya se ha mencionado anteriormente,

son extremadamente inestables y se descomponen en una millonésima fracción

de 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 que

los quarks D, Strange (S), y Bottom (B),

tienen

una carga de -1/3. De cualquier forma que estos

seis sabores de quarks se combinen, la carga

total va a sumar +1 o 0. Por ejemplo, en el caso

del protón, que está compuesto por dos quarks U

y 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 de

los D a la del U da como suma total 0. Esto

también se puede ver en el caso del barión

Lambda, que consta de un quark U, un quark D y un quark S, y que la suma de

las carga de los tres quarks da 0, al igual que la del neutrón.

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Quarks presentes en un neutrón

Las tres generaciones de la materia,

incluyendo quarks, leptones, y bosones

El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquin

De los seis sabores de quarks que se conocen, el U y el D son los dos más

comunes y los que se pueden encontrar en la materia, debido a que los otros

cuatro son muy inestables y se descomponen muy fácilmente. Esta inestabilidad

se debe en gran parte al gran tamaño de estos quarks, y la diferencia de masa

entre los U, que son los más livianos, y los T, que son los más masivos, ya que el

quark U pesa alrededor de dos cienmilésimas partes del peso de un electrón, y un

quark T tiene una masa 174 veces mayor a la de un protón. Por esta razón, los

quarks 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,

a pesar de que éstas

no posean masa, y sean tan sólo una onda de energía. Los bosones encargados

de la interacción débil actúan en el centro de los quarks, mientras que los fotones

y los gluones actúan alrededor del quark. Más específicamente, cada gluón se

encuentra totalmente ligado dos quarks, de los cuales no puede desprenderse.

Como ya se ha aclarado previamente, seis de los ocho gluones presentes en un

barión cambian de color, y junto con su respectivo quark poseen un color en

conjunto, el cual se mantiene siempre, ya que los gluones “codifican para” un

color-anticolor. Por esta razón, cuando un quark emite o absorbe un gluón, el

color del quark cambia para que se mantenga

en su totalidad el equilibrio de los colores.

Estas emisiones y absorciones ocurren con

tanta rapidez y frecuencia que no se puede

determinar el color de un quark solo. Más aún,

la suma de todos los colores de los quarks juntos produce la neutralidad de color,

llegando a formar blanco.

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Masas y cargas de los quarks

Emisión de un gluón

El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquin

Conclusión

En base a lo investigado a lo largo del proyecto de investigación, se llega a la

conclusión de que las cargas positivas en el átomo provienen de los protones, que

a su vez poseen carga positiva debido a que los mismos están formados por tres

pequeñas 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 de

que los neutrones también están formados por quarks, éstos contienen dos con

carga -1/3 y uno de +2/3, por lo que se demuestra que las cargas se cancelan y la

partícula queda neutralizada.

En el caso de los electrones, al ser éstos leptones, no son divisibles, y no se

puede observar más detalladamente el origen de su carga eléctrica. Se sabe, sin

embargo, que todos los leptones, no sólo los electrones sino que también los

muones y los tauones poseen carga -1. Si bien no existe una fundamentación de

porqué estas partículas poseen esta carga, ya que es su naturaleza, se podría

intentar deducir la carga que éstas poseen utilizando la ley de conservación de la

carga, la cual dice que una partícula tendrá la carga equivalente a la suma de las

cargas de los elementos que la componen. En otras palabras, si un átomo no

posee carga, es decir, es neutro, y contiene protones que lo hacen positivo, y si

en 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 átomo

permanece neutro. Por lo que la carga eléctrica del electrón debe ser -1.

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El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquin

Bibliografía

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• Diego Romero (2011). Los quarks. Disponible en:

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• Manuel Vázquez Cervantes (2009). ¿Dónde está el electrón? Disponible

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• César D. Paz (2011). Modelo Atómico de Rutherford (1911). Disponible en:

http://www.fullquimica.com/2011/03/modelo-atomico-de-rutherford-

1911.html

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El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquin

• Anónimo (2010). La constante de Planck. Disponible en:

http://astrojem.com/teorias/constantedeplanck.html

Anexo: E-mail recibido de Ingo Allekotte, especialista del

Observatorio Pierre Auger, Malargüe, Mendoza, Argentina

Ingo Allekotte (ingoalle3@gmail.com)

Hola, Carolina,

las cargas electricas son una propiedad fundamental de las particulas

elementales. Como vos sabras, los átomos tienen en sus núcleos

protones y neutrones. Los protones están compuestos por dos quarks "u" y

un 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 el

quark "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 carga

que tienen, simplemente podemos decir que la naturaleza es así.

Así como tampoco podemos explicar por qué las particulas elementales

son las que son, ni por qué tienen la masa que tienen, tampoco hay

una forma de deducir las cargas. Para deducir la carga de las partículas

compuestas por otras, se puede aplicar la ley de conservación de carga,

una partícula tendrá la carga que es la suma de las cargas de sus

componentes (con el signo adecuado, obviamente).

Si querés leer más sobre el tema, te recomiendo esta página:

http://www.particleadventure.org/spanish/index.html

Cordiales saludos,

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El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquin

Ingo Allekotte

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