Asdrúbal Valencia Giraldo - Ciencia de los metales

En 1916, Arnold Sommerfeld modificó el modelo atómico de Bohr, en el cual los electrones solo giraban en órbitas circulares, al decir que también podían girar en órbitas elípticas.

Esto dio lugar a un nuevo número cuántico: el número cuántico azimutal o secundario, que determina la forma de los orbitales. Se lo representa con la letra l y tomó valores que van desde 0 hasta n – 1.

Los modelos atómicos de Bohr y de Sommerfeld nacieron de la combinación de aspectos de la mecánica clásica newtoniana con aspectos de la teoría cuántica de Planck, constituyendo la teoría cuántica antigua.

La imposibilidad de abordar el mundo subatómico con los principios de la mecánica clásica condujo al fracaso de ambos modelos y al desarrollo, en la segunda década del siglo xx, de una nueva mecánica cuántica.

El modelo atómico actual fue desarrollado durante el decenio de los veinte del siglo xx, sobre todo por Erwin Schrödinger y Werner Heisenberg. Es un modelo de gran complejidad matemática, tanta que, al usarlo, solo se puede resolver con exactitud el átomo de H. Para resolver átomos distintos al de H se recurre a métodos aproximados. De cualquier modo, el modelo atómico mecano-cuántico encaja muy bien con las observaciones experimentales. De este modelo sólo diremos que no se habla de órbitas, sino de orbitales. Un orbital es una región del espacio en la que la probabilidad de encontrar al electrón es máxima.

El descubrimiento de la estructura interna del átomo aclaró muchas cosas. En aquellos años, la teoría electromagnética era ya bastante bien conocida y por ella era sabido que los protones, que tenían una carga eléctrica de +1, se atraían con los electrones, que tenían una carga eléctrica de –1. Esto hacía, además, que el número de protones y electrones de un átomo tendiera a igualarse. Quedaba como un misterio, que tardaría todavía algunos años en ser resuelto, por qué los protones y los neutrones permanecían unidos en el núcleo, cuando la fuerza electromagnética entre los protones debería hacer que se repelieran entre sí.

Muchos de los resultados de la química empezaron a estar claros y a ser deducibles de la física. Los diferentes elementos químicos que se conocían se caracterizaban por el número de protones en su núcleo. La tabla periódica cobraba un significado físico muy concreto. Además, la mecánica cuántica empezaba a complicar lo que parecía un elegante esquema de cómo estaba compuesta la materia. Los electrones, protones y neutrones se comportaban a veces como pequeños corpúsculos y a veces como ondas. Igualmente se comprobó que la luz no era una radiación continua, sino que, asimismo, estaba formada por unas partículas llamadas fotones, los que también tenían este doble comportamiento onda-corpúsculo.

Lo anterior sólo confirma que las partículas elementales son algo “muy extraño”. Aunque a veces se puede hacer la imagen mental de que son pequeñas esferas, en realidad son algo mucho más complicado que no se alcanza a comprender aún.

El físico Paul Dirac estableció, en 1931, que para toda partícula elemental tenía que existir una antipartícula, con idénticas propiedades, pero con carga opuesta; concretamente, debía existir un antielectrón. Puesto que no se conocía dicha partícula, Dirac pensó que tal vez el antielectrón fuera el protón, a pesar de que no cuadraba el que los valores de sus masas fueran tan diferentes. No se atrevía a asegurar la existencia de una partícula que nunca nadie había visto, aunque pocos años después dicha partícula fue identificada y denominada positrón.

1.1. Muchas partículas

La mecánica cuántica establece cómo se comportan las partículas elementales y cómo las fuerzas se transmiten por unas partículas portadoras. Es decir, existen dos tipos de partículas: las que forman la materia, llamadas fermiones (por el físico Enrico Fermi), y las que transmiten las fuerzas, llamadas bosones (por el físico Santyendra Nath Bose). Sin embargo, la mecánica cuántica no nos dice nada sobre qué partículas y qué fuerzas son las que existen en la naturaleza, por lo que los físicos se lanzaron a inventariarlas.

Las décadas de los cincuenta y sesenta del siglo xx fueron los años de florecimiento de los grandes aceleradores de partículas. En esta época, los físicos estaban muy desconcertados. Continuamente se descubrían nuevas partículas elementales y nos mostraban una imagen de la naturaleza sumamente complicada.

Los aceleradores de partículas son grandes túneles, normalmente bajo tierra, algunos en línea recta y otros circulares, y a veces con longitudes de varias decenas de kilómetros. En un acelerador de partículas, estas se estimulan mediante campos magnéticos hasta acercarlas a velocidades muy próximas a la de la luz, para finalmente hacerlas chocar entre sí. Los hay de dos tipos, según las partículas que aceleran: los que hacen chocar entre sí electrones con positrones y los que hacen chocar entre sí protones y antiprotones.

Uno de los mayores laboratorios de física de partículas del mundo es el Centro Europeo para la Investigación Nuclear (CERN), consorcio de varios países europeos, con sede en Ginebra, que cumplió su cincuenta aniversario en 2004. En el CERN se ha realizado gran parte de los descubrimientos en física de partículas de los últimos años y, curiosamente, fueron los inventores de la web.

Es necesario recordar que las partículas elementales son los constituyentes básicos de la materia; más precisamente, son partículas que no están constituidas por otras más pequeñas ni se conoce que tengan estructura interna. Originalmente, el término “partícula elemental” se usó para toda partícula subatómica como los protones y neutrones, los electrones y otros tipos de partículas exóticas que solo pueden encontrarse en los rayos cósmicos o en los grandes aceleradores de partículas, como los piones, los muones o los kaones.

Por último, una teoría propuesta por Murray Gell-Mann, por la que recibió el Premio Nobel en 1969, simplificó totalmente el panorama, postulando que existían unas partículas más elementales aún que los protones y neutrones, que formaban a los mismos. Dichas partículas se denominan cuarks y pueden unirse de tres en tres para generar protones y neutrones, o de dos en dos para constituir otros muchos tipos de partículas, como los piones y kaones. En la actualidad, el nombre “partícula elemental” se usa para las partículas, que hasta donde se sabe, no están formadas por partículas más simples.

Las fuerzas gravitatoria y electromagnética eran bien conocidas en la década del treinta, pero para poder explicar cómo los neutrones y los protones están unidos entre sí, fue necesario postular una nueva fuerza, llamada fuerza nuclear fuerte. Con el descubrimiento de los cuarks fue posible establecer una teoría coherente de la fuerza nuclear fuerte, que tiene una extraña característica, denominada libertad asintótica, que impide que los cuarks puedan ser vistos libremente. El Premio Nobel de Física de 2004 fue otorgado a los tres físicos que descubrieron esta propiedad de la fuerza nuclear fuerte en 1973: David Gross, David Politzer y Frank Wilczek.

Además de estas tres fuerzas, existe una cuarta: la fuerza nuclear débil. Sin embargo, en la actualidad se cuenta con una teoría que establece que las fuerzas electromagnética y nuclear débil son distintos enfoques de una única fuerza, llamada electrodébil. La unificación de estas dos fuerzas está vista por muchos físicos como algo artificiosa, por lo que se siguen identificando como diferentes en muchas clasificaciones.

1.1.1 El modelo estándar

Todos estos descubrimientos llevaron, en los años setenta, a la formulación de una teoría, el modelo estándar de la física de partículas (MEFP; en inglés, Standard Model —SM—), que establece qué partículas y fuerzas existen en la naturaleza y cuáles son sus propiedades.