Electrones Neutrinos y Quarks

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  • ELECTRONES, NEUTRINOS Y QUARKS

    FRANCISCO J. YNDURINReal Academia de Ciencias

    INTRODUCCIN: TAMAOS Y ENERGAS.ELECTRONES. EL TOMO DE RUTHERFORD;

    EL NCLEO ATMICO

    Segn los griegos, el hombre es la medida de todas lascosas. Diremos, pues, que algo es muy grande si lo es encomparacin con nosotros: la tierra, el sistema solar, lagalaxia y el mismo universo representan escalas de cre-ciente grandeza. Recprocamente, si dividimos ms y msnuestros constituyentes entraremos en el mundo del mi-crocosmos, que es el que vamos a explorar aqu: aunqueen algn momento resultar que ambos mundos, el mi-cro y el macrocosmos aparecern relacionados.

    Un ser humano es en un 80 % agua, H2O. Si subdivi-dimos esta sustancia, o cualquier otra (como la sal co-mn, ClNa) sus propiedades intrnsecas no cambian has-ta que llegamos a descubrir que estn constituidas pormolculas: si nuestro sentido del gusto estuviera infinita-mente afinado, encontraramos que una molcula de ClNasigue sabiendo salada.

    Para dividir una sustancia hasta el nivel molecular hacefalta energa. Para el agua esta energa es la de evapora-cin, correspondiente a cien grados centgrados. En estepunto es conveniente introducir otro tipo de unidad deenerga, que es la empleada en el mundo microscpico: esel electrn-voltio, abreviado a eVl. Es la energa que adquiereun electrn al aplicarle un potencial de un voltio. Dichoas, esto parece muy pequeo: pero no lo es. Si a cada par-tcula de una sustancia le aplicsemos la energa de un eV,la sustancia adquirira la temperatura de unos 10.000 gra-dos. As, la energa de evaporacin del agua es el equiva-lente de una centsima de Kpor partcula.

    Si queremos romper la molcula, por ejemplo de agua,necesitamos energas an mayores. Su magnitud aproxi-mada la podemos deducir como sigue: si quemamos hi-drgeno, obtenemos temperaturas de cerca de mil gra-dos. Por tanto, para descomponer el agua tendremos que

    restituir esta energa: en electrn-voltios, necesitamos unadcima de eV. Este es, en efecto, el tipo de voltaje de unacorriente elctrica como la que se utiliza en la descompo-sicin del agua por electrlisis, desde los tiempos de La-voisier a finales del siglo XVIII. A partir de este momentose identifican, descomponen y combinan la infinita va-riedad de sustancias presentes en la tierra en trminos deunas pocas, que son invariantes bajo estos cambios. As,si tomamos hidrgeno y lo quemamos en atmsfera deoxgeno, obtendremos agua; y si descomponemos sta, eloxgeno e hidrgeno resultantes tienen exactamente lasmismas propiedades que los iniciales. La combustin yposterior electrolizacin (si es ste el mtodo que utiliza-mos para descomponer el agua) no les han afectado. Estollev a Dalton, alrededor de 1808, a formular la teoraatmica segn la cual todos los elementos estn forma-dos por pequeas unidades. Durante todo el siglo XIX sepens que por el procedimiento de electrlisis, u otros si-milares, se poda reducir la materia a tomos indivisibles:pareca, pues, que los elementos estuviesen formados deunidades que se combinan unas con otras, pero que no su-fren cambios. De hecho, la palabra tomo quiere precisa-mente decir indivisible en griego.

    En 1897 J. J. Thomson, en un famoso experimento quediscutiremos con algn detalle ms adelante, descubrique la electricidad est formada por el movimiento departculas elementales, los electrones. Adems, identifica stos como componentes universales de los tomos: ala vez invalidando una de las ideas de Dalton (los tomosresultaban ser divisibles) pero confirmando la naturalezaelctrica de los enlaces qumicos. En su descubrimiento,que podemos tomar convenientemente como el origende la investigacin moderna en el mundo de lo infinita-mente pequeo, utiliz Thomson el tubo de rayos cat-dicos, artilugio inventado por Crookes algunos aos antes.

    Aparte de su importancia por otras razones, los experi-mentos de Thomson son interesantes porque muestran

    1 Adems del eV, se utilizan sus mltiplos: el MeV, un milln de electrn-voltios, el GeV, mil millones de eV y, ms recientemente, el TeV,

    un milln de millones de eV.

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  • FRANCISCO J. YNDURIN

    muy claramente la dependencia mutua de la ciencia y latecnologa. En efecto, durante mucho tiempo Thomsonfue incapaz de ver una desviacin de los rayos catdicosdebido a la presencia de gas en el tubo (...): era necesa-rio hacer un vaco ms perfecto. Pero la tcnica de pro-ducir vaco estaba en aquel tiempo en un estado rudi-mentario, y slo al ser perfeccionada pudo Thomson medirel efecto buscado. Y no slo dependi el descubrimientode la mejora en la tecnologa del vaco; sino del desarro-llo del control de la electricidad sin el que el tubo de Croo-kes hubiera sido imposible. Esto nos lleva a una breve des-cripcin del tubo, prototipo de tantas otras mquinas(aceleradores de partculas) utilizadas para la exploracindel microcosmos.

    El tubo de rayos catdicos consta de un recipiente en for-ma aproximadamente cilindrica, fabricado en cristal parapoder observar lo que ocurre en su interior, donde se hahecho el vaco. En un extremo se insertan dos cables elc-tricos que se conectan, en el interior, por un filamento. Alpasar la corriente el filamento se pone incandescente y loselectrones del mismo se desligan de los tomos, forman-do una nube alrededor del filamento. Podemos ahora ace-lerar los electrones por medio de un campo elctrico (es-tos electrones acelerados forman los rayos catdicos), ylanzarlos sobre una placa colocada al otro extremo deltubo donde podemos medir la carga elctrica depositadapor su llegada. Si no hay campos elctricos o magnticosen su recorrido, estos electrones impactarn en el centrode la placa; si conectamos un campo se desviarn. Mi-diendo esta desviacin podemos saber las propiedades(carga elctrica y masa) de las partculas.

    La tecnologa del tubo de Crookes es, esencialmente,la misma que la de los primeros aceleradores de partcu-las que se construyeron con este fin especfico, el de Coc-kroft-Walton en Cambridge, Gran Bretaa, (figura 1) y elde Van der Graaf en el M.I.T., operativos a partir de 1933y capaces de energas de unos pocos millones de electrn-voltios.

    Para poder arrancar todos los electrones de los tomos,y por tanto estudiar su estructura, necesitamos al menosuna energa igual a la que liga a stos; energa del ordende diez electrn-voltios, que no estaba disponible hastaprincipios del siglo XX. A finales del siglo XIX slo se dis-pona de energas del orden de unos pocas centsimas deelectrn-voltio y, por tanto, la cuestin de la estructuradel tomo nicamente se poda plantear de forma espe-culativa. Esto es algo recurrente, como veremos: la ex-ploracin de la estructura de la materia depende crucial-mente de la energa de que dispongamos para llevarla acabo. La nica indicacin fidedigna que se tena de la es-tructura del tomo en la poca de Thomson era que esposible arrancar algunos tctronts de los tomos, luego s-tos deben contener electrones. El propio Thomson pro-puso un modelo del tomo (equivocado) en el que ste con-tena una mezcla uniforme de partculas con carga elctricanegativa, los electrones, y otras con carga positiva, los pro-tones, descubiertos tambin por aquellas fechas.

    Fig. 1.-Acelerador de Cockroft-Walton. En la jaula, abajo, Cockroft.

    La situacin cambi pocos aos despus. Ciertamente,con la tecnologa de la poca era poco menos que impo-sible obtener energas localizadas muy superiores al elec-trn-voltio; pero en 1896 Becquerel primero y despusPierre y Marie Curie, en 1898, descubrieron que ciertassustancias naturales (uranio y radio, primeramente, y lue-go polonio y muchas otras) tienen la propiedad de emi-tir radiaciones de partculas muy energticas: de hasta 20millones de electrn-voltios. La radioactividad naturalproporcion a los cientficos de principios de siglo la po-sibilidad de explorar distancias muy pequeas, ya que es-tas radiaciones tenan un gran poder de penetracin, dehasta menos de una millonsima de millonsima de cen-tmetro. Lo que fue muy afortunado; no haba en el pri-mer tercio de siglo la posibilidad de obtener artificial-mente energas como las de las partculas alfa: los 20 mevde stas representan temperaturas muy superiores no sloa las obtenibles en el laboratorio, sino a las del centro delpropio sol, que slo llegan a 2 mev. Y as, Rutherford, enuna serie de experimentos brillantes y decisivos, aprove-ch la radiacin alfa proviniente de desintegraciones delpolonio (elemento que produca las partculas ms ener-gticas) lanzndolas sobre distintos blancos. En estos ex-perimentos mostr de manera incontrovertible que el to-mo consta de un ncleo con carga positiva, muy pesadoy pequeo (unas cien mil veces menor que el tomo) ro-deado, a gran distancia relativa, de una nube de electrones.

    Los resultados de los experimentos de Rutherford, rea-lizados a partir de 1910, planteaban ms problemas delos que resolvan. En primer lugar, de qu estaba hecho

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    el ncleo? Su masa era, aproximadamente, un mltiplode la del protn; su carga era tambin un mltiplo de ladel protn: pero ambos nmeros no coincidan. El pro-pio Rutherford, en 1920, sugiri que el ncleo poda con-tener, adems de protones, otras partculas de masa pare-cida pero sin carga elctrica. Son los neutrones, identificadospor Chadwick en 1932.

    Por otra parte, y adems de la existencia de esta nuevapartcula, todos estos resultados implicaban la de unosnuevos tipos de fuerza: los protones del ncleo, al tener to-dos carga positiva, deberan repelerse, y era necesaria unainteraccin que compensara esta repulsin. Interaccinque, para mantener el ncleo compactado en un espaciotan pequeo, casi una millonsima del tamao del to-mo, debera ser extraordinariamente intensa. Pero ade-ms debera tener muy corto alcance, o hubiera sido de-tectada antes. Y en efecto, Rutherford demostr que cuandolos proyectiles pasaban muy cerca del ncleo eran deflec-tados por una intensa interaccin a la