1. 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”

2. 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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3. 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 g, seguido por el protón, cuya masa es apenas más
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4. El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquin
liviana (1,673 x 10 g). Finalmente, se encuentra el electrón, cuya masa es
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despreciable, y exactamente la 1837ª parte de un protón, con 9,1093 x 10 g de
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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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5. 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 - 4/9 - 11/9 - 18/9 - 25/9 -
3/9 10/9 17/9 24/9 1/10
Recopilación de información de X X X X X
diversas fuentes
Entrevista a Héctor Lacarra X
Entrevista a Mauricio Cymerman X
Contacto con el Observatorio X X X
Pierre Auger
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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6. 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 Modelo atómico de Rutherford, o modelo planetario del átomo.
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
Diferentes orbitales presentes en los átomos
cuales existe la posibilidad de
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7. 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 Progreso del radio atómico
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.
Tabla de masas y cargas de partículas subatómicas
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8. 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
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La constante de Planck es la relación entre la cantidad de energía y frecuencia asociadas a una
partícula fundamental.
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9. 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
Bosones y sus respectivas interacciones
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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10. 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 leptones y sus características
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 Ejemplos de bariones
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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11. 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
Las tres generaciones de la materia, los quarks D, Strange (S), y Bottom (B),
incluyendo quarks, leptones, y bosones 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
Quarks presentes en un neutrón
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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12. 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,
Masas y cargas de los quarks 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, Emisión de un gluón
la suma de todos los colores de los quarks juntos produce la neutralidad de color,
llegando a formar blanco.
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13. 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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14. El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquin
Bibliografía
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• Mithworld1 (2011). La Materia. PROTONES, NEUTRONES Y ELECTRONES.
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• Mithworld1 (2010). ¿De qué está hecha la materia? QUARKS. Disponible
en: http://www.youtube.com/watch?v=3udGCbEfsfg
• EducAr (2006). Quarks y leptones. Ministerio de Educación de la Nación
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• Diego Romero (2011). Los quarks. Disponible en:
http://www.slideshare.net/eaglewatsh/los-quarks
• 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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15. 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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16. El origen de las cargas eléctricas en el átomo Carolina Erausquin
Ingo Allekotte
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