Presentación sobre el origen de la estructura de la materia, desde el big-bang. Fermiones: Quarks y Leptones Bosones; Z, W, Gluón, Fotón

1. PARTÍCULASPARTÍCULAS
ee
INTERACCIONESINTERACCIONES

2. Hipótesis:Hipótesis:
La materia está constituidaLa materia está constituida
por “partículas discretas”por “partículas discretas”
indivisibles, inmutables yindivisibles, inmutables y
eternaseternas que dependiendoque dependiendo
del número y disposicióndel número y disposición
relativa, pueden dar lugarrelativa, pueden dar lugar
a estructuras mayoresa estructuras mayores
Leucipo y Demócrito
Dalton

3. DEFINICIÓN DE MATERIADEFINICIÓN DE MATERIA
Es todo lo que existe que tiene masa y energía y ocupa un
espacio.
La materia es de lo que están hechos todos los objetos
materiales

4. M A S AM A S A
La masa de un cuerpo corresponde a la cantidad de materia que
éste posee y su unidad de medida es el gramo.
La masa de un objeto es una cantidad invariable, independiente
de la posición del objeto.
La masa de un objeto se puede medir en una balanza al
compararla, con otras masas conocidas.
Comparación de masa entre
Marte y la Tierra

5. MATERIAMATERIA
Macroscópico:
Biomoléculas,organelos,
células,tejidos,órganos,
sistemas
Representaciones:
Símbolos, fórmulas, ecuaciones, cálculos
Microscópica:
Quarks,electrones,protones,
núcleos,átomos,moléculas,
PUNTOS DE VISTAPUNTOS DE VISTA

6. EE
LL
II
NN
II
CC
II
OO

7. 10 –6
sec 10 –4
sec 3 min 15 billones de años
Plasma
Quark-Gluón Nucleones Núcleos Átomos
Universo
Experimento
Big Bang
 A medida que se incursiona en el micromundo, cada vez más se percibeA medida que se incursiona en el micromundo, cada vez más se percibe
como fue el Universo en sus primeros momentos.como fue el Universo en sus primeros momentos.
 Hay un momento en que confluyen el micromundo y el macromundo .Hay un momento en que confluyen el micromundo y el macromundo .
Microcosmos yMicrocosmos y
macrocosmos…macrocosmos…
…mundos independientes relacionados…mundos independientes relacionados

8. DEL MICROMUNDO AL MACROMUNDODEL MICROMUNDO AL MACROMUNDO
La cinta métrica de la MateriaLa cinta métrica de la Materia

9. AcceleradoresAcceleradores MicroscopiosMicroscopios TelescopiosTelescopiosBinocularesBinoculares
DEL MICROMUNDO AL MACROMUNDODEL MICROMUNDO AL MACROMUNDO
La cinta métrica de la MateriaLa cinta métrica de la Materia

10. OBSERVANDO LOOBSERVANDO LO
INVISIBLEINVISIBLE
(E(El LHC y sus detectores)l LHC y sus detectores)
Sin duda cambiará nuestra visión del Universo.

11.  Reveladores de partículas…Reveladores de partículas…
CONTADORES GEIGERCONTADORES GEIGER :: Lo invisible hace ruidoLo invisible hace ruido
Partículas arrancan electrones, electrones acelerados en cascada,Partículas arrancan electrones, electrones acelerados en cascada,
“ruido”.“ruido”.
CÁMARAS DE BURBUJASCÁMARAS DE BURBUJAS :: Rastros de lo invisibleRastros de lo invisible
Sustancia “inestable”, partículas cargadas que perturban, formaciónSustancia “inestable”, partículas cargadas que perturban, formación
de trazos macroscópicosde trazos macroscópicos
DETECTORES RADIOQUÍMICOS: Contando átomosDETECTORES RADIOQUÍMICOS: Contando átomos
Partícula modifica átomo, nuevos átomos formados son contados.
DETECTORES CERENKOV: Una piscina para lo invisible:DETECTORES CERENKOV: Una piscina para lo invisible:
partícula produce eléctrones veloces, electrones emiten luz
cerenkov, luz es registrada y rastreada
¿Cómo ver lo invisible?¿Cómo ver lo invisible?

13. PARTÍCULAS SUBATÓMICASPARTÍCULAS SUBATÓMICAS

15. Un panorama general sobre las partículas que
constituyen las sustancias materiales presupone la
existencia de dos tipos:
De Unión (BOSONES):
Partículas de espín entero (0, 1, 2...) responsables de transmitirlas
fuerzas fundamentales de la naturaleza. No están obligadas a
cumplirel principio de exclusión de Pauli
De consistencia (FERMIONES):
Partículas de espín semientero (1/2, 3/2) obligadas a cumplirel
principio de exclusión de Pauli
PartículasPartículas
FundamentalesFundamentales

16. BOSONESBOSONES

Fotones (Fotones (γ)) : Fuerza electromagnética (campo electromagnético).: Fuerza electromagnética (campo electromagnético).
 W-ones, Z-onesW-ones, Z-ones :: Interacción nuclear débil (campo débil). CInteracción nuclear débil (campo débil). Cambianambian
elel saborsabor de fermiones durante el decaimiento o desintegración beta.de fermiones durante el decaimiento o desintegración beta.
 GluonesGluones :: Interacción nuclear fuerte. Poseen carga de color y unen aInteracción nuclear fuerte. Poseen carga de color y unen a
los quarks (fermiones) creando unlos quarks (fermiones) creando un campo de colorcampo de color con estructura encon estructura en
forma de cuerda con inmensa fuerza. Si se intenta separar un par deforma de cuerda con inmensa fuerza. Si se intenta separar un par de
quarks, el campo de color tira de ellos con mucha más fuerza; es comoquarks, el campo de color tira de ellos con mucha más fuerza; es como
si los quarks estuvieran unidos por un "muelle gluónico" que intentasi los quarks estuvieran unidos por un "muelle gluónico" que intenta
volver a su longitud inicial.volver a su longitud inicial.
 Gravitones (?)Gravitones (?) :: Para la fuerza gravitatoria se especula con laPara la fuerza gravitatoria se especula con la
existencia de estas partículas pero hasta el momento su existencia noexistencia de estas partículas pero hasta el momento su existencia no
ha sido confirmada experimentalmente.ha sido confirmada experimentalmente.
Pegantes cuantizados…Pegantes cuantizados… Partículas portadoras de fuerza.

17. FUERZAS DE INTERACCIÓNFUERZAS DE INTERACCIÓN

18. PROPIEDADES W y Z
(W±
y Z0
)
Gluón (g) Fotón (γ)
Clasificación Bosón de gauge Bosón de gauge Bosón de gauge
Interacción nuclear débil nuclear fuerte Electromagnetismo
Masa
W±
: 80,425 (38) GeV/c2
Z0
: 91,1876 (21) GeV/c2 Nula Nula
Carga eléctrica
W±
: ±1 e
Z0
: Neutra
Neutra Neutra
Carga de color Neutra Color-anticolor Neutra
Spin
Vida media ~10−25
s Estable Estable
Antipartícula
W+
: Bosón W−
Z0
: Ella misma
Ella misma Ella misma
Interacciona con
Gravedad
Electromagnetismo
Interacción fuerte − − − −
BOSONESBOSONES

19. Tipo Nombre Símbolo Carga
electromagnética
Carga débil
Carga
fuerte
(color)
Masa
Leptón
Electrón e-
-1 -1/2 0 0,511 MeV/c²
Muón µ- -1 -1/2 0 105,6 MeV/c²
Tauón τ- -1 -1/2 0 1,784 GeV/c²
Neutrino electrónico νe 0 +1/2 0 < 50 eV/c²
Neutrino muónico νµ 0 +1/2 0 < 0,5 MeV/c²
Neutrino tauónico ντ 0 +1/2 0 < 70 MeV/c²
Quark
up u +2/3 +1/2 R/G/B ~5 MeV/c²
charm (encanto) c +2/3 +1/2 R/G/B ~1.5 GeV/c²
top t +2/3 +1/2 R/G/B >30 GeV/c²
down d -1/3 -1/2 R/G/B ~10 MeV/c²
strange (extraño) s -1/3 -1/2 R/G/B ~100 MeV/c²
bottom b -1/3 -1/2 R/G/B ~4,7 GeV/c²
FERMIONESFERMIONES

20. Son solitarios y existen sin compañía
LEPTONESLEPTONES
FERMIONESFERMIONES

21. QUARKSQUARKS
Solo existen en grupo para formar Hadrones
Presentan carga fraccionaria
FERMIONESFERMIONES

22. Bariones:
Constituidos por tres quarks (qqq)
Protones 2 quarks up y 1 quark down (uud)
2/3 + 2/3 – 1/3 = 3/3 = 1
QUARKSQUARKS HADRONESHADRONES

23. Bariones:
Neutrones 1 up y 2 down (udd).
2/3 -1/3 -1/3 = 0
QUARKSQUARKS HADRONESHADRONES

24. Mesones:
Constituidos por un quark (ϕ) y un antiquark (ϕ).
Por ejemplo, un pión negativo ( ) es ( ).
QUARKSQUARKS HADRONESHADRONES

25. MOLECULASMOLECULAS

26. NATURALEZA DE LANATURALEZA DE LA
MATERIAMATERIA
Sistema periódico actual de los bloques fundamentales de la materia.

27. FUERZAS DE INTERACCIÓNFUERZAS DE INTERACCIÓN
Fuerza
Electrodébil
Fuerza Electromagnética
QED
Fuerza Débil
Modelo Estándard
Fuerza Fuerte
QCD
Fuerza Gravitacional
Relatividad General
galaxia
1021
m
materia
10-1
m
cristal
10-9
m
átomo
10-10
m
núcleo
atómico
10-14
m
electrón
nucleón
10-15
m
<10-18
m
quark
ADN
10-8
m
La investigación con
haces de iones y
antiprotones
Interacciones ión-materia
Plasmas densos
Campos EM intensos
Nucleos al extremo
Estructura de quarks y
gluones de los hadrones
Materia de quarks
Plasma quark-gluón
Excitación del vacío
Iones pesados → 12 TW/g
Núcleos exóticos (1 GeV/u)
Antiprotones 0-15(30) GeV
Iones relativistas (35 GeV/u)
J. Benlliure

28. Fuerzas y PartículasFuerzas y Partículas

29. InteracciónInteracción
FuerteFuerte
 Los núcleos están formados por protones y neutrones, y estos a su vez por
quarks. Tanto los quarks entre sí como los neutrones y protones se mantienen
pegados porque la interacción nuclear fuerte les obliga a ello.
 El acoplamiento de los quarks dependen de lo que los científicos han llamado
“color”: rojo, azul y verde. Para que una unión pueda ser llevada a cabo, el
resultado ha de dar color blanco, y es análogo a mezclar diversas tintas para
conseguir el color deseado.
 Por ejemplo, el protón está formado por dos quarks del tipo llamado arriba y
un quark del tipo llamado abajo, de forma que uno es rojo, otro azul y otro
verde.
 Puede parecer paradójico que dos quarks arriba tengan distinto color, sin
embargo, la explicación se halla en que la interacción nuclear fuerte se
manifiesta mediante el intercambio de gluones, que son los bosones
correspondientes a esta interacción. Dichos gluones tienen la propiedad de
cambiar la carga de color de los quarks, de forma que cada quark puede
presentar cualquiera de los tres colores.
 Esta fuerza tiene un alcance muy corto, alrededor de una billonésima de

30. La gravedad nos pega a nuestro planeta.
Es extremadamente débil en comparación con las fuerzas anteriores. Su intensidad
es aproximadamente 1x10 30
de veces menor que la interacción nuclear débil. No
obstante, en presencia de grandes acumulaciones de partículas, es decir,
de cuerpos de gran masa, puede tener un efecto enorme, llegando a
colapsar estrellas bajo la fuerza gravitatoria interna de su propia masa,
dando lugar a los famosos agujeros negros y a las no tan famosas
estrellas de neutrones.
Esta fuerza no tiene límite en su alcance, aunque su influencia se reduce
según aumenta la distancia
La Ley de gravedad rige la Teoría General de la Relatividad,
mayor reto para la física actual, en tanto que las otras tres fuerzas se
explican mediante la llamada Teoría Cuántica, y hay graves dificultades
para unificar ambas teorías y conseguir una única que explique todo, los
intentos para relacionar el bosón de la gravedad, el llamado gravitón, con
los demás bosones no fructifican.
InteracciónInteracción
GravitacionalGravitacional

31. InteracciónInteracción
ElectromagnéticaElectromagnética
Fuerza entendida como campos electromagnéticos o como intercambio de
fotones, con intensidad de 100 veces más débil que la fuerte.
Cuenta con la particularidad de que puede ser de dos tipos: positiva y
negativa.
Así, los átomos son posibles porque los protones de carga positiva y los
electrones de carga negativa se atraen para formar elementos químicos,
con la inestimable ayuda, en lo que a los núcleos se refiere, de la fuerza
nuclear fuerte.
La interacción electromagnética no es de alcance restringido como la
fuerte, y es la responsable de fenómenos a gran escala presentes en
nuestra vida diaria, como la propagación de la luz, la corriente eléctrica o
las señales de radio y televisión.

32. Fuerza presente en los llamados fenómenos radiactivos de tipo beta, que
no son otra cosa que desintegraciones de partículas y núcleos atómicos.
U intensidad es del orden a diez mil millones de veces más débil que la
electromagnética y con un alcance aún menor que la interacción fuerte.
Lla interacción nuclear débil provoca que uno de los quarks arriba se
convierta en un quark abajo, de forma que el protón se transformará en
un neutrón. Este acontecimiento, aparentemente tan extraño, se está
dando continuamente en el interior de estrellas como el Sol, y es de
esperar que se pueda reproducir algún día cercano para obtener energía
barata y limpia mediante fusión nuclear.
Se presenta en en el fenómeno de degradación del Carbono 14, famoso
por su utilización en la datación de fósiles.
La interacción nuclear débil, que se engendra mediante el intercambio de
los bosones llamados W+, W- y Z0, restringe la materia estable a los
consabidos protones y neutrones. Otras partículas más complejas se
degradan inmediatamente por la actuación de esta fuerza.
InteracciónInteracción
Nuclear DébilNuclear Débil

33. MATERIAMATERIA
NATURALEZA
DE LA MATERIA
MATERIA MOLECULAS ATOMOS

35. Átomos:Átomos: Una simple unidadUna simple unidad
de unde un elementoelemento se denominase denomina
átomo.átomo.
El átomo es la unidad másEl átomo es la unidad más
básica de la materia quebásica de la materia que
compone todo lo que noscompone todo lo que nos
rodea.rodea.
Cada átomo retiene todas lasCada átomo retiene todas las
propiedades químicas ypropiedades químicas y
físicas de su elemento matriz.físicas de su elemento matriz.
ATOMOSATOMOS

36. ATOMOSATOMOS
Descubierto elDescubierto el
átomo, el hombreátomo, el hombre
no vaciló en abrirlono vaciló en abrirlo
y en liberar suy en liberar su
energía latente; yenergía latente; y
según la teoríasegún la teoría
electrónica, elelectrónica, el
átomo está formadoátomo está formado
por:por:
ATOMO
PROTONES
NEUTRONES
ELECTRONES

37. MOLECULASMOLECULAS

38. BIOMOLECULASBIOMOLECULAS

39. MEZCLASMEZCLAS
Una mezcla es un material formado por laUna mezcla es un material formado por la
combinación física de dos o más sustanciascombinación física de dos o más sustancias
en proporciones variables, donde no ocurreen proporciones variables, donde no ocurre
una reacción química por lo que cadauna reacción química por lo que cada
sustancia mantiene su identidad ysustancia mantiene su identidad y
propiedades. Dado que sus componentespropiedades. Dado que sus componentes
no están químicamente combinados y no seno están químicamente combinados y no se
forman nuevas sustancias, susforman nuevas sustancias, sus
constituyentes pueden separarse porconstituyentes pueden separarse por
medios físicos (destilación, evaporación,medios físicos (destilación, evaporación,
cristalización, etc)cristalización, etc)

40. UnaUna disolucióndisolución (del(del latínlatín disolutiodisolutio) es una mezcla) es una mezcla
homogénea a nivelhomogénea a nivel molecularmolecular de una o másde una o más
especies químicas que no reaccionan entre sí.especies químicas que no reaccionan entre sí.
Toda disolución está formada por una fase dispersaToda disolución está formada por una fase dispersa
llamadallamada solutosoluto y un medio dispersante denominadoy un medio dispersante denominado
disolventedisolvente. La sustancia que existe en menor. La sustancia que existe en menor
cantidad en la disolución es el soluto. En lascantidad en la disolución es el soluto. En las
disoluciones, el tamaño de partícula es el de lasdisoluciones, el tamaño de partícula es el de las
moléculas, átomos o iones y se consideran menormoléculas, átomos o iones y se consideran menor
a 1 nanómetro (nm). Una disolución puede estara 1 nanómetro (nm). Una disolución puede estar
formada por uno o más solutos y uno o másformada por uno o más solutos y uno o más
disolventes. Una disolución será una mezcla en ladisolventes. Una disolución será una mezcla en la
misma proporción en cualquier cantidad quemisma proporción en cualquier cantidad que
tomemos (por pequeña que sea la gota), y no setomemos (por pequeña que sea la gota), y no se
podrán separar porpodrán separar por centrifugacióncentrifugación ni filtración.ni filtración.
DISOLUCIÓNDISOLUCIÓN

41. Un sistema de dispersión es aquel enUn sistema de dispersión es aquel en
el cual la fase dispersa consiste deel cual la fase dispersa consiste de
granos o gotas de un componente engranos o gotas de un componente en
el seno de la fase dispersora. Tanto lael seno de la fase dispersora. Tanto la
fase dispersa como el medio defase dispersa como el medio de
dispersión pueden ser sólidos,dispersión pueden ser sólidos,
líquidos o gaseosos. Como los gaseslíquidos o gaseosos. Como los gases
son totalmente miscibles, no se tienenson totalmente miscibles, no se tienen
dispersiones coloidales de gas - gas,dispersiones coloidales de gas - gas,
pero existen otras combinacionespero existen otras combinaciones
posiblesposibles
SISTEMA DESISTEMA DE
DISPERSIÓNDISPERSIÓN

42. SuspensiónSuspensión es unaes una mezclamezcla heterogénea donde partículasheterogénea donde partículas
sólidas muy pequeñas están en un líquido, sin disolversesólidas muy pequeñas están en un líquido, sin disolverse
y distribuidas de manera uniforme. Ely distribuidas de manera uniforme. El solutosoluto o partículaso partículas
en suspensión no solubles (fase dispersa) que seen suspensión no solubles (fase dispersa) que se
dispersan en un medio líquido (dispersante o dispersora).dispersan en un medio líquido (dispersante o dispersora).
Las partículas son suficientemente grandes como paraLas partículas son suficientemente grandes como para
poder ser vistas mediante un microscopio o a ojopoder ser vistas mediante un microscopio o a ojo
desnudo (eventualmente, se precipitan de la mezcla).desnudo (eventualmente, se precipitan de la mezcla).
Cuando uno de los componentes es agua y los otros sonCuando uno de los componentes es agua y los otros son
sólidos suspendidos en la mezcla, son conocidas comosólidos suspendidos en la mezcla, son conocidas como
suspensiones mecánicas. Las suspensiones presentan lasuspensiones mecánicas. Las suspensiones presentan la
característica de que sus partículas son mayores a lascaracterística de que sus partículas son mayores a las
contenidas en lascontenidas en las disolucionesdisoluciones y losy los coloidescoloides, lo que, lo que
permite observarlas a simple vista. Sus partículas sepermite observarlas a simple vista. Sus partículas se
sedimentan si la suspensión se deja en reposo. Lossedimentan si la suspensión se deja en reposo. Los
componentes de la suspensión pueden separarse porcomponentes de la suspensión pueden separarse por
medio demedio de centrifugacióncentrifugación ,, decantacióndecantación,, filtraciónfiltración yy
evaporaciónevaporación
SUSPENSIÓNSUSPENSIÓN

43. Coloide es una mezcla, donde partículas finamente
divididas de un material (fase dispersa) se dispersan en
un medio de dispersión. Sólidos finamente divididos que
no sedimentan cuyo tamaño está entre los de una
solución y una suspensión, típicamente, entre 1 y 100
nm (0,0001 micrón y 1 micrón; 1 micrón es 0,001
milímetro), Partículas tan finas que no sedimentan si no
se someten a una coagulación previa. Los coloides son
una transición entre las soluciones homogéneas y las
suspensiones heterogéneas La diferencia entre
disolución y coloide radica en el tamaño de las partículas
en disolución, cuando esta comprendido entre 0,2u
(micras, siendo 1u=10-3 mm) y 1mu (milimicra, 10-6 mm)
se trata de una dispersión coloidal, y si es menor que
1mu se puede hablar propiamente de solución.
COLOIDECOLOIDE

45. COMPLEJIDAD BIOLÓGICACOMPLEJIDAD BIOLÓGICA
(Células, Tejidos, Órganos, Aparatos)(Células, Tejidos, Órganos, Aparatos)