Bienvenidos a esta nueva sesión del curso energías sustentables.
Mi nombre es Julio Vergara, profesor de la escuela de ingeniería UC.
En esta ocasión,
se presentarán los modelos clásicos de la materia,
que evolucionan marcadamente en el siglo XX,
enseguida se presentan algunas dimensiones y escala física de la materia
y se introduce el modelo estándar del átomo
que hoy día rige.
Recordemos que Einstein dijo que materia y energía
era la misma manifestación.
Además, señala que existe energía en la masa
e insinúa que ciertos procesos con algunos elementos o isotopos
producen, después de una reacción, energía cinética pudiendo propagarla.
Entonces si energía y materia es esencialmente lo mismo,
importa saber qué es la masa y cómo llega esta a liberar energía.
Hasta fines del siglo XIX, la materia estaba constituida por moléculas enlazadas
y estas por átomos.
Para Jhon Dalton el átomo era un bola muy pequeña,
no muy distinta de la descrita por Demócrito 400 años antes de Cristo.
A comienzos del siglo XX, Joseph Thomson,
poco tiempo después de descubrir el electrón,
propone por un breve tiempo un nuevo modelo atómico.
Propone una especie de budín o masa formada por una gran carga positiva
y electrones para un equilibrio eléctrico,
con un tamaño cercano a 10 elevado a menos 10 metros.
Hacia el año 1910, Ernest Rutherford,
ex alumno de Thomson, propone
un átomo compuesto por un núcleo central de protones rodeado por una nube de electrones.
En poco tiempo este modelo remplaza al de Thomson.
Aún era incompleto
al no explicar cómo conviven protones con cargas positivas sin repelerse,
con un tamaño que es 1000 veces más pequeño que el modelo de Thomson.
En el año de 1932, James Chadwick, ex alumno de Rutherford,
descubre el neutrón y es capaz de determinar su masa.
La existencia del neutrón
mejora la compresión acerca de la estabilidad del núcleo,
aún insuficiente,
al intercalarse partículas neutras entre los protones y reducir la repulsión.
Este descubrimiento, que se pensaba serviría para la lucha contra el cáncer
que aún se investiga,
habilitó más adelante el proceso de fisión nuclear
y describe algunos fenómenos de la fisión natural.
Entonces desde los años 40 y 50
se conoce que la materia basada en redes con arreglos de moléculas,
y estos de átomos, la forman protones y neutrones organizados en un núcleo,
y electrones, orbitando al núcleo.
Abajo aparece una escala relativa en metros para entender las dimensiones
físicas en este nivel de la materia.
Sin embargo,
desde los años 60 a 80 se comienza a construir una teoría ampliada,
donde ya se sabe que los protones y neutrones
están constituidos cada uno por tres quarks
por una leve diferencia entre ellos.
Luego la materia está formada por quarks up y down,
más electrones y algo más.
La gráfica relativa suele engañar, porque es una escala
que se va reduciendo en un factor 10 en cada marca.
Por eso, conviene generar un simil con distancias y tamaños comunes.
Supongamos que tenemos un bolso o mochila, y eso le volamos a un núcleo atómico.
Entonces el protón y el neutrón, que es levemente más grande que el protón,
serían el equivalente de pelotas de tenis dentro de la mochila.
Por ejemplo, el núcleo de fierro tendría unas 50 pelotas en la mochila,
y un núcleo de litio seria poco más grande que una taza.
En este caso, los quarks
y los electrones serían del tamaño de los granos de arena
que se acumulan en la mochila.
Pero estos últimos, los electrones,
existirían en una esfera de varios kilómetros de diámetro.
Por ejemplo, el equivalente a la altura de vuelo de un Airbus 380.
En este cuadro se muestra una cifra de la masa relativa del neutrón y protón,
así como de los quarks y electrones.
Falta aún un constituyente fundamental,
el neutrino de una masa 10 elevado a menos ocho millones de electrón volts sobre C al cuadrado.
Junto al electrón, integra los leptones.
Estos, sumando los quarks que participan en tríos dentro de protones y neutrones,
integran los fermiones.
Entonces en el mundo actual normal existen dos quarks y dos leptones.
Y falta aún los bosones, que veremos después.
Estas son claves en la liberación de energía y en su conversión.
Esto no es todo, ha habido fermiones de segunda y tercera generación.
Estos existieron en un breve tiempo después del Big Bang,
y reaparecen en explosiones de supernovas
o en laboratorios de física de alta energía,
como el acelerador o el colisionador de hadrones.
También se sabe que existe la antimateria,
que corresponde a los mismos fermiones pero con carga contraria.
Por otro lado, se investigan teorías más avanzadas y complejas,
como la supersimetría o SUSI y otras formas de arreglar la materia.
En este cuadro,
se organizan los fermiones con sus quarks y leptones.
Los fermiones de segunda y tercera generación no se ven en la vía normal
pues decaen en fermiones de primera generación.
Existieron por un breve tiempo y decayeron a fermiones más livianos.
Algunos reaparecen en supernovas, por ejemplo,
los muones cósmicos que se crean en laboratorios
de alta energía para la investigación.
En el lado izquierdo se muestra una tabla de bosones,
que se revisaran más adelante.
Podemos resumir
que la compresión del átomo ha evolucionado
desde Demócrito hasta el presente
en especial en el siglo pasado.
Pasó un pequeño corpúsculo por Dalton a protones más electrones por Rutherford,
y luego se le unieron neutrones por Chadwick.
Hoy se sabe que el átomo está constituido por quarks
y leptones integrados por bosones portadores de fuerza.
Julio VergaraPhD in Nuclear Materials Engineering
César Sáez NavarreteDoctor en Ciencias de la Ingeniería
