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CAPITULO 37
PARTICULAS ELEMENTALES

37-1 CARGAS Y FUERZAS

37-2 LOS NUMEROS CUANTICOS DE LAS PARTICULAS ELEMENTALES
37-1 CARGAS Y FUERZAS
En las postrimerías del siglo anterior los físicos, como ya se ha indicado previamente, describían el universo material en términos de átomos, únicos y distintos para cada elemento. Se aventuró la conjetura de que los átomos podían explicar todas las reacciones químicas y la vasta complejidad de la naturaleza. Sin embargo, no se comprendían las razones de las diferencias entre los átomos de distintos elementos y el mecanismo de las reacciones químicas. El primer paso hacia la comprensión del átomo se dio en 1897, cuando J. J. THOMSON descubrió experimentalmente al electrón y razonó que formaba parte de todo átomo normal. Posteriores trabajos demostraron que hay electrones en todos los elementos y que cada electrón tiene una masa aproximadamente igual a 1/1837 de la masa del átomo de hidrógeno. Estos primeros trabajos con los electrones condujeron a los físicos a establecer dos nuevos conceptos:


  1. En la naturaleza existen partículas únicas y distintas, más pequeñas que los átomos químicos previamente conocidos; estas partículas son parte del átomo.

  2. Con estas partículas se asocian propiedades definidas, tales como la carga y la masa, que sirven para identificarlas.

Estos hallazgos señalaron el nacimiento de la rama de la física dedicada al descubrimiento y estudio de las partículas elementales. Los rayos cósmicos suministraron la primera rica fuente de primeras partículas, seguida por las producidas en los aceleradores gigantes. Las técnicas para el descubrimiento y estudio de las partículas varían ahora de las cámaras de niebla y los bloques de emulsiones fotográficos a las enormes cámaras de burbujas llenas de hidrógeno líquido.


Después de 35 años de haberse detectado el electrón, C. D. ANDERSON descubrió experimentalmente otra partícula con la misma masa y carga igual en magnitud, pero opuesta en signo, al electrón de Thomson. Esta era obviamente una partícula distinta, el positrón. La existencia de esta partícula había sido predicha por P. A. M. DIRAC cuando aplicó los principios de la mecánica relativista a la ecuación de onda del electrón. Dirac se halló forzado por la lógica a explicar las propiedades de simetría de la teoría de la relatividad en este caso, simetría con respecto a la inversión de un signo algebraico. Cuando al partícula predicha fue encontrada en la naturaleza, los físicos concluyeron que la naturaleza misma debía exhibir esta simetría. Por lo tanto, el descubrimiento del positrón demostró que es posible cambiar el signo algebraico de algunos símbolos matemáticos y términos usados para identificar y describir las partículas elementales y dar descripciones válidas de otras partículas elementales. Desde entonces se han encontrado simetrías aún más sutiles en la familia de las elementales, indicativas de cómo arreglarlas ordenadamente en forma de tabla y que señalan el camino para descubrir más partículas en al naturaleza. El descubrimiento de las partículas elementales ha sido impulsado tanto por alas predicciones teóricas como por los resultados experimentales. Se tiene ahora una lista bastante grande de estas partículas, y en los últimos años se ha vuelto un problema definir que significa elemental, debido a este gran número de partículas. Nuestro conocimiento de la naturaleza puede ser aún muy rudimentario para saber cuales partículas realmente son elementales en el sentido más fundamental. La lista de propiedades para cualquier partícula elemental dada puede empezar con la masa de reposo de la partícula y continuar con la carga eléctrica, el valor de un momento angular intrínseco siempre asociado a la partícula (su spin), los valores de otras clases de “carga” que determinan cómo interacciona la partícula con otras, y así sucesivamente. Estos, números junto con sus signos algebraicos, son los “números cuánticos” de las partículas elementales, y su lista constituye el verdadero nombre (o descripción) de cada una de las partículas.
Hemos implicado que cada uno de los números cuánticos de una partícula individual es una cantidad físicamente observable. A cada uno de estos números se les asigna cierta realidad física, ya que tiene una consecuencia física definida cuando una partícula interacciona con otra. Recordemos, sin embargo, que las bases filosóficas sobre las cuales está fundamentada cualquier observación física son únicamente intervalos en el espacio y en el tiempo. De estos datos derivan cantidades, que llamamos masa, carga, spin, etc. Tampoco debemos olvidar que estas limitaciones son válidas para cualquier rama de la física. En el caso de las partículas elementales, los intervalos medidos de espacio y tiempo están, de hecho, separados igualmente de la partícula misma por una cadena larga y compleja de eventos físicos. En otras palabras, lo que se mide es la amplificación de un evento local sobre los alrededores. Este método suministra intervalos de longitud y espacio lo suficientemente grandes para ser observados. Por consiguiente, los experimentos sobre partículas elementales tienen limitaciones.
Para medir longitudes y tiempos asociados con las posiciones sucesivas de una partícula elemental, es necesario primero localizar exactamente la partícula dentro de algún aparato medidor. Sin embargo, la partícula pude ser del orden de m de diámetro y por lo tanto completamente inobservable aún con los más poderosos microscopios. Una forma de vencer esta limitación consiste en lograr que la partícula afecte una región mucho mayor que su propio volumen, para observar los cambios en la región mayor. Dicho de otra forma, logrando la “amplificación” de un efecto local. Así, un electrón con dimensiones de tal vez m puede pasar a través de una placa fotográfica no revelada.
Su trayectoria lo llevará a través de muchos granos de haluro de plata, cada uno con dimensiones del orden de m. La excitación de pequeñas regiones en cada grano penetrado hace que todo el grano se vuelva revelable, dando por resultado un punto negro fácilmente observable con el microscopio apropiado. Un collar de tales granos en la placa revelada define entonces la trayectoria del electrón al pasar a través de la placa.
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