r Modelos de composición de la materia. Una historia emocionante

Presentación del tema: "r Modelos de composición de la materia. Una historia emocionante"— Transcripción de la presentación:

1 r Modelos de composición de la materia. Una historia emocionante
Ya desde los tiempos de la Antigua Grecia, Demócrito de Abdera, más por razones de índole filosófica que de índole científica, había postulado la posibilidad de que la materia no era infinitamente continua, esto es, no podía continuarse subdividiendo hasta el infinito, y que eventualmente llegaríamos hasta cierto punto en el cual no nos sería posible continuar sub-dividiendo la materia con un cuchillo por filoso que fuera. A las partículas incapaces de ser subdivididas más allá de cierto límite mediante simples cortes seccionales las llamó átomos, que en griego significa “no susceptible de corte” (a = no, negación, tomos = corte).

2 Los cuatro elementos clásicos griegos tierra, agua, fuego y aire datan de los tiempos presocráticos
Tales de Mileto  →el agua  Anaxímenes ,  el aire Heráclito  , el fuego  Jenófanes  , la tierra Aristóteles , "éter"

3 Aristóteles La teoría de las cuatro raíces de Empédocles (cerca del 450 a. C.) es El fuego es a la vez caliente y seco. La tierra es a la vez seca y fría. El agua es a la vez fría y húmeda. El aire es a la vez húmedo y caliente.

4 Los cuatro Humores De acuerdo con Galeno, los elementos fueron usados por Hipócrates cuando describía el cuerpo humano, asociándolos con los cuatro humores: la bilis amarilla (fuego), la bilis negra o melancolía (tierra), la flema o pituita (agua), la sangre (aire).

5 Dalton El modelo atómico de Dalton surgido en el contexto de la química, fue el primer modelo atómico con bases científicas, formulado en 1808 por John Dalton. Proponía: 1. La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos, que son indivisibles y no se pueden destruir. 2. Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, tienen la misma masa y propiedades. Los átomos de diferentes elementos tienen masas diferentes. Comparando las masas de los elementos con los del hidrógeno tomado como la unidad propuso el concepto de peso atómico relativo. 3. Los átomos permanecen sin división, aun cuando se combinen en las reacciones químicas. 4. Los átomos, al combinarse para formar compuestos guardan relaciones simples. 5. Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar más de un compuesto. 6. Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de dos o más elementos distintos.

6 Thomson descubrió el electrón en 1898
"La suposición de que exista un estado de la materia más reducido y finamente subdividido que los átomos de un elemento es una hipótesis sorprendente" Una vez confirmada la existencia de los minúsculos portadores con carga eléctrica negativa ( se les bautizó con el nombre de electrones), nombre acuñado por G.H. Stoney en 1891 (lo que él consideraba entonces como las "unidades básicas de electricidad“).

7 ¿Por qué dedujo Thomson que los rayos catódicos estaban formados por partículas de carga negativa? Para el electrón: Su masa era   veces la masa de un átomo de hidrógeno. Su carga era  −1,6𝑥10 −19  C. A partir del grado de desviación de los rayos en función del campo eléctrico aplicado pudo encontrar la relación entre la carga eléctrica y la masa de estas partículas, que denominó electrones: Su masa era 

8 Un nuevo modelo Rutherford
El modelo atómico de Rutherford es un modelo atómico o teoría sobre la estructura interna del átomo propuesto por el químico y físico británico-neozelandés Ernest Rutherford para explicar los resultados de su"experimento de la lámina de oro", realizado en 1911.

9 𝑥=2𝜋−2 𝑐𝑜𝑠 −1 2𝐾 ( 𝐸 0 𝑏) 1+ 2𝐾 𝐸 0 𝑏 2 𝑏= 2𝐾 𝐸 0 𝑐𝑜𝑡 𝑥 2
𝑥=2𝜋−2 𝑐𝑜𝑠 −1 2𝐾 ( 𝐸 0 𝑏) 𝐾 𝐸 0 𝑏 𝑏= 2𝐾 𝐸 0 𝑐𝑜𝑡 𝑥 2 La mecánica newtoniana en conjunción con la ley de Coulomb predice que el ángulo de deflexión de una partícula alfa relativamente liviana por parte de un átomo de oro más pesado, depende del "parámetro de impacto" o distancia entre la trayectoria de la partícula y el núcleo.

10 Importancia del modelo y limitaciones de Rutherford
Residió en proponer por primera vez la existencia de un núcleo en el átomo (término que, paradójicamente, no aparece en sus escritos). Lo que Rutherford consideró esencial, para explicar los resultados experimentales, fue "una concentración de carga" en el centro del átomo,

11 Modelo del átomo

12 Lord Ernest Rutherford
Los experimentos ,  apoyados con argumentos elementales de balística demostraron en forma concluyente que la materia no es tan absolutamente sólida como se creía, Materia fantasmal. Núcleo ,concentración de masa Electrón

13 Núcleo atómico de Rutherford
El radio atómico era diez mil veces mayor que el núcleo mismo. "una concentración de carga“ “Una concentración de la masa”

14 Dificultades técnicas del modelo
Problema de las cargas. Dificultades  electrodinámica   Radiación electromagnética, Perdida de energía Violación de las leyes de la mecánica clásica. Violación de las leyes de Maxwell. Tiempo de radiacion del orden de  10 −10 s, Inestabilidad atómica.

15 ¿Resolviendo el problema? O ¿se complica el problema?
Rutherford propone: Modelo orbital indefinido Los resultados de su experimento le permitieron calcular que el radio atómico era diez mil veces mayor que el núcleo mismo, y en consecuencia, que el interior de un átomo está prácticamente vacío.

16 El modelo de Bohr. 1911.(físico danés)
El modelo atómico de Rutherford fue sustituido muy pronto por el de Bohr. Bohr intentó explicar fenomenológicamente que sólo algunas órbitas de los electrones son posibles. Lo cual daría cuenta de los espectros de emisión y absorción de los átomos en forma de bandas discretas.

17 Postulados del modelo de Niels Bohr (1885-1962)
Cualquiera que sea la órbita descrita por un electrón, éste no emite energía. Las órbitas son consideradas como estados estacionarios de energía. A cada una de ellas le corresponde una energía, tanto mayor, cuanto más alejada se encuentre del núcleo. No todas las órbitas son posibles. Sólo pueden existir aquellas órbitas que tengan ciertos valores de energía, dados por el número cuántico principal, n.Solamente son posibles las órbitas para las cuales el número cuántico principal (n) toma valores enteros:  n = 1, 2, 3, 4…. Las órbitas que se correspondan con valores no enteros del número cuántico principal, no existen La energía liberada al caer un electrón desde una órbita superior, de energía E2, a otra inferior, de energía E1, se emite en forma de luz. La frecuencia (f ) de la luz viene dada por la expresión: ∆𝐸=ℎ𝑓

18 Un poquito de historia.

19 Espectros de absoción.

20 espectro de emisión

21 Resuelve : El problema de la electrodinámica, mecánica cuántica
Propone un nuevo modelo orbital. Hidrógeno presentaba el espectro más simple entre todos los elementos. Espectro de emisión: distribución serial. ¡Asombro! la fórmula de Rydberg:

22 ¡La materia se ordena! Se encontró que las diferentes líneas en las regiones visibles y no visibles estaban distribuidas sistemáticamente en varias series. En forma asombrosa se encontró que todas las longitudes de onda del átomo de hidrógeno se obtienen mediante una relación empírica sencilla, conocida como la fórmula de Rydberg R es una constante conocida como la constante de Rydberg (en honor al físico suecoJohannes Rydberg) cuyo valor sobre unidades Angstrom para el átomo de hidrógeno es: R = ·10-3 /Å

23 ¿Números cuánticos? b = ·10-8 centímetro = Angstroms = Å m = 3, 4, 5, ... En 1885 un maestro suizo, Johann Balmer, encontró que las líneas en el espectro del hidrógeno podían ser representadas mediante la siguiente fórmula:

24 Para el átomo de Hidrógeno
Para ,na = 1 y nb = 2, 3, 4, ... da la serie de Lyman (región ultravioleta) Para , na = 2 y nb = 3, 4, 5, ... da la serie de Balmer (región visible) Para ,na = 3 y nb = 4, 5, 6, ... da la serie de Paschen (región infrarroja) Para, na = 4 y nb = 5, 6, 7, ... da la serie de Brackett (región del infrarrojo lejano) Para, na = 5 y nb = 6, 7, 8, ... da la serie de Pfund (región del infrarrojo lejano)

25 Saltos del fotón Una vez definidas las capas energéticas discretas, Bohr postuló la hipótesis de que un fotón de luz con la suficiente energía pudiese hacer “brincar” un electrón de una capa inferior a una capa superior (por ejemplo, de n = 1 a n= 5), absorbiendo el fotón y dejando con ello un “hueco” en el espectro de absorción. También era posible que saltase de un nivel energético superior a un nivel energético inferior emitiendo un fotón cuya energía debía ser igual a la diferencia entre los niveles energéticos de las capas. Esto podía explicar los espectros de emisión:

26 Niveles de energía.

27 “Saltos de energía”

28 Dificultades del modelo:
El primer postulado iba en contra de la teoría electromagnética de Maxwell. El segundo postulado era aún más sorprendente. Inestabilidad orbital. El tercer postulado afirmaba que la luz se emitía en forma de pequeños paquetes o cuantos.

29 Comienzo de la Física cuántica.
En la década de 1920, una nueva generación de físicos (Schrödinger, Heisenberg, Dirac…) elaborarán una nueva física, la Física Cuántica, destinada a la descripción de los átomos, que supuso una ruptura con la física existente hasta entonces.

30 El modelo estándar En la historia, la más sofisticada teoría matemática sobre la naturaleza. A pesar de la palabra “modelo” en su nombre, el Modelo Estándar es una teoría comprensiva que identifica las partículas básicas y especifica cómo interactúan. Todo lo que pasa en nuestro mundo (excepto los efectos de la gravedad) es resultado de las partículas del Modelo Estándar interactuando de acuerdo con sus reglas y ecuaciones . “Gordon Kane (2003)”  

31 ¿Qué es un Quarks? (Hadrones)
Modelo propuesto por Murray Gell-Mann y Kazuhiko Nishijima (1964) Murray Gell-Mann, nacido enNueva York en el año 1929, recibió el premio Nobel de Física en 1969por su aporte en la teoría de las partículas atómicas.

32 grito de la gaviota (Three quarts for Mister Mark)
Gell-Mann dijo sobre esto que: En 1963, cuando asigné el nombre de quark a los constituyentes fundamentales de los nucleones, yo tenía el primer sonido, sin ortografía, que podría haber sido kwork. Luego, en uno de sus ocasionales lecturas de Finnegans Wake, por James Joyce, me crucé con la palabra quark en la frase Three quarks for Muster Mark. Entonces quark (que significa, por un lado, el grito de la gaviota) fue el claro intento de rimar con Mark, como con bark y otras palabras parecidas. Yo tuve que encontrar una excusa para pronunciarla así como kwork. Pero el libro representa el sueño de un publicano llamado Humphrey Chimpden Earwicker. Las palabras en el texto suelen proceder de varias fuentes a la vez, como la palabra portmanteau en Through the Looking Glass. De vez en cuando, las frases que aparecen en el libro son determinadas para denominar a las bebidas en un bar. Yo argumenté, por lo tanto, que uno de los múltiples recursos de la frase Three quarks for Muster Mark podría ser Three quarts for Mister Mark, en ese caso la pronunciación de "kwork" podría justificarse totalmente. En cualquier caso, el número tres encajaba a la perfección en el modo en que los quarks aparecen en la naturaleza.

33 Hay seis Quarks en el modelo

34 El electrón es el más conocido

35 Materia.

36

37

38 Tamaño de particulas elementales

39 Descubrimiento experimental
La serie de experimentos en el SLAC centre 1967 y 1973 (50 GeV) ( Rutherford - núcleo atómico)., lo suficiente para que estos puedan traspasar nucleones. El análisis teórico de las colisiones inelásticas que tuvieran lugar entre el electrón y el protón lo había trabajado James Bjorken.    premio Nobel de Física de 1990 a Taylor, Kendall y Friedmann, líderes de los experimentos en el SLAC.

40 Diferentes sabores Al principio se creía que sólo existían el quark arriba, abajo y extraño. En 1970, Sheldon Glashow, John Iliopoulos y Luciano Maianicon postularon la existencia del quark encantado para impedir cambios no físicos de sabor en las desintegraciones débiles que podrían aparecer en el modelo estándar. Se descubre el mesón J/ψ en 1974 ( un quark encantado y su antiquark) Luego, se planteó la hipótesis del quinto y sexto quark, llamados quark cima y fondo. La existencia de una tercera generación de quarks fue predicha por Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa en 1973. El quark fondo fue descubierto en 1977 y el quark cima en 1996.

41 ¡Color de los quarks!

42 Antiquarks

43 Pero aún queda más……

44 Hadrones Las partículas que tienen estructura interna se llaman hadrones; están constituidas por quarks: la gran mayoría de las llamadas partículas elementales son hadrones y éstos HADRONES están formados por tres quarks

45

46 Composición de Protón

47

48 Bariones.

49 mesones

50 Meson +𝜋

51 Carga de un quarks

52 ¿Existen quarks aislados?

53 Carga de un Protón +1e

54 Interacciones fundamentales en la naturaleza
Gravitacional Electromagneticas Fuertes Débiles.

55 Así, hay también cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza
Fuerza gravitacional, (gravitones Fuerza electromagnética (fotones Fuerza color (gluones) fuerza débil. (partículas w , z)

56 Resumiendo

57

58 Traje de los electrones.
¿Electrón desnudo o desnudado? Electrón vestido. el viejo y querido electrón) explica por qué la Ley de Coulomb no vale para dos electrones a una distancia inferior a 10-11cm.

59 Partículas desnudas y vestidas.
Así como en la Electrodinámica Cuántica los electrones están envueltos por una nube de positrones virtuales, en la Cromodinámica Cuántica, los quarks están envueltos en una nube de gluones (el vacuo también está lleno de gluones, partículas igualmente virtuales). Entonces, se puede hablar también de quarks “desnudos” y quarks “vestidos” o, de manera general, de “partículas desnudas” y “vestidas”.

60 El boósn de Higgs El campo y el bosón de Higgs ¿Vacuo? ¿fantasmas?
¿Sólo campos fundamentales?, Higgs y, por consiguiente, por una partícula mediadora que sería el bosón de Higgs

61 En teoría, un campo de Higgs no nulo atraviesa el universo, y las partículas están siempre interactuando con él, desplazándose a través de él como personas vadeando en el agua. Esa interacción les da su masa, su inercia. Bosones de Higgs son partículas previstas teóricamente, en 1964, por el físico escocés Peter Higgs y usadas, posteriormente, por Steven Weinberg (1967) y Abdus Salam (1968) para explicar por qué otras partículas, los bosones W y Z, tienen masa

62 Pero ¿por qué tienen masa las partículas que tienen masa
Pero ¿por qué tienen masa las partículas que tienen masa? ¿Cómo se explica la masa? Éste es un problema que el Modelo Estándar espera resolver con el campo y el bosón de Higgs. Concluyendo, los términos “masa de reposo” y “masa relativística” (o “masa de movimiento”) no deben ser más usados y masa debe significar siempre la masa relativísticamente invariante de la mecánica cuántica. Masa es, entonces, simplemente masa, una propiedad intrínseca de ciertas partículas elementales. Los quarks, por ejemplo, tienen masa. Los fotones y otras partículas virtuales no tienen masa. Pero la gravedad actúa también en fotones, o sea, actúa sobre energía, no sólo sobre masa. Energía y masa están relacionadas por la ecuación de Einstein 𝐸=𝑚 𝑐 2 , pero eso no significa que la masa sea dependiente de la velocidad.  

63 : La subestructura, el una nueva partícula entra en escena.
Nuevas extensiones del modelo estándar de física de partículas. En el   modelo estándar de física de partículas  los quarks no sería la frontera. Las llamadas subestructuras de los quarks se denominan preones

64 y…volvemos al principio
¿porque hay doce partículas de masa? ¿por qué los cuarks y los leptones son diferentes? ¿porque hay cuatro fuerzas, ni donde encaja la gravedad en la imagen? ¡Hay muchos misterios que resolver! ¡Explorando la frontera cuántica!

65 ……surgen más interrogantes
¿Qué es la antimateria? ¿Cómo se presenta en la realidad? ¿Existen los universos paralelos? ¿Cómo se relaciona el tiempo con esto? ¿El tiempo , tiene existencia real o también es virtual o relativo? ¿Qué es el presente , el pasado , el futuro?¿los conos de luz…?. ¿¿¿¿¿¿¿¿¿¿?????????. Nos vemos en la próxima, para hablar de estos temas. Agradecido Montoya.-