¿De qué está hecha la materia? 

La materia está formada por átomos y éstos por quarks, electrones y neutrinos 

Nebulosa M78 en la constelación de Orión. Imagen obtenida por Ignacio de la Cueva Torregrosa, astrofotógrafo aficionado de Ibiza. 

Desde comienzos del siglo XX se sabe que toda la materia está formado por átomos. Todo lo que hay en el Universo: las galaxias, las nebulosas, las estrellas, el Sol, los planetas, la Tierra, las montañas, los árboles, el mar, las nubes, la atmósfera y nosotros mismos, todo está formado por átomos. 

En esos años se descubrió que los átomos se componen de un núcleo muy pequeño con carga eléctrica positiva, en donde está concentrada casi toda la masa, y de una nube de electrones con carga eléctrica negativa. 

Entre los años 1950's y 1980's el esfuerzo y la tesón de muchos científicos llevó a la conclusión de que todos los átomos se componen de solamente 4 partículas: electrones, quarks up, quarks down y neutrinos. 

Estas cuatro partículas elementales, constituyen la familia del electrón, las cuales interactúan entre sí a través de otros cuatro elementos llamados interacciones básicas. La historia del descubrimiento de que casi todo lo que vemos a nuestro alrededor en la Tierra, y más allá, está compuesto por estas pequeñas partículas es la historia más apasionante de la ciencia. 

¿Particulas? 

El término "partículas", es una forma de hablar, y sirve para hacer más fácil la comprensión. Pero no hay que imaginarlas como pequeñas esferas. En realidad, no sabemos qué son. La materia real es algo muy distinto a lo que vemos. 

Es muy importante saber que estas partículas elementales están unidas y que se combinan e interactúan entre sí a causa de unas fuerzas. Se han encontrado cuatro tipos de fuerzas, las cuales en realidad son otros tipos especiales de partículas. 

Hace 400 años, en Occidente empezó la gran aventura de intentar conocer científicamente el universo. Durante 300 años se consiguió hacer un mapa bastante exacto de lo que hay en el cielo y de las leyes que rigen el movimiento de los astros. 

Pero en los últimos 100 años, la historia se ha hecho verdaderamente apasionante, porque se ha descubierto que todo, absolutamente todo lo que existe en la tierra y en los cielos está formado por los mismos elementos básicos. Estos elementos básicos son 4 partículas elementales. Casi toda la materia está formada por una familia de cuatro partículas que se combinan e interactúan a causa de otras que originan lo que llamamos fuerzas. 

A finales del siglo XX, se encontró la existencia de otras dos familias de partículas: la familia del múon y la familia del tauón. Ambas familias se producen en los laboratorios, pero se supone que, en el origen del universo, coexistían con la familia del electrón. 

Cada una de estas dos familias se componen también de cuatro partículas elementales. 

Hay pruebas bastante concluyentes, de que no es posible de que haya una cuarta familia. 

Familias de particulas 

Transcurrieron casi 100 años, desde el descubrimiento del electrón (1897) hasta el descubrimiento del quark top (1995), para que el mundo científico tuviera una clasificación bastante satisfactoria de las partículas elementales que componen la materia. En esta clasificación se consideran 3 familias de partículas. Hay pruebas convincentes de que no existe una cuarta familia. 

La primera familia está formada por electrones, quarks up, quarks down y neutrinos electrónicos. Toda la materia del universo: estrellas, Sol, planetas, Tierra, animales, árboles, insectos y nosotros mismos, está constituida solamente por estos cuatro elementos que forman la familia del electrón. 

Los elementos de la segunda familia tienen una vida muy efímera (fracción de segundo), se han encontrado solamente en los rayos cósmicos y en el laboratorio. Es la familia del muón. El muón es una partícula en todo similar al electrón, pero su masa es 200 veces mayor que la masa del electrón. Esta familia tiene también cuatro elementos: muones, quarks strange, quarks charm y neutrinos muónicos. 

Los elementos de la tercera familia también tienen una vida muy efímera (fracción de segundo), se han encontrado solamente en los rayos cósmicos y en el laboratorio. Es la familia del tauón . El tauón es una partícula en todo similar al electrón, pero su masa es 3.500 veces mayor que la masa del electrón. Esta familia tiene también cuatro elementos: tauones, quarks top, quarks bottom y neutrinos tauónicos. 

Tanto el electrón, como el muón y el tauón son los elementos con menos masa en las correspondientes familias. Por tal motivo, a estas tres partículas se las denomina leptones (en griego, leptón significa ligero). 

Primeras teorias 

El 5 de octubre de 1906, el científico austríaco Ludwig Boltzmann (1844-1906) se ahorcó en una habitación en un hotel del pueblo llamado Duino, cerca de Trieste. Este acontecimiento trágico no habría tenido tanta trascendencia si no fuera por el hecho de que Boltzmann decidió quitarse la vida impulsado por la depresión profunda que sufrió al ver rechazada con desprecio, por la comunidad científica de entonces, su tesis sobre la realidad del átomo y por afirmar que toda la materia está compuesta por los mismos pequeños bloques. 

Boltzmann había llegado a esta conclusión al estudiar el comportamiento de los gases. Su teoría era que éstos consisten en partículas que entrechocan entre sí en un movimiento caótico y que la energía de este movimiento es el calor. 

En la década de 1850, en barcos, fábricas y trenes se usaban potentes motores de vapor. Eran una necesidad urgente en el comienzo de la revolución industrial. 

Desde el punto de vista comercial, político y militar era esencial comprender y predecir el comportamiento del vapor de agua a altas temperaturas y a máxima presión. 

Boltzmann se había especializado en mecánica estadística y fue el autor de la llamada constante de Boltzmann, la cual es un concepto fundamental de la termodinámica. 

Ludwig Boltzmann y muchos científicos imaginaron que si el vapor se componía de millones de diminutas esferas rígidas, era posible desarrollar algunas ecuaciones matemáticas que fueron capaces de predecir el comportamiento del vapor. 

Boltzmann y sus colegas atomistas se vieron envueltos en una agria polémica con quienes negaban la existencia de átomos. 

Estos últimos arguían que los invisibles átomos en los que se basaban los cálculos eran sólo una convención matemática, pero no objetos reales. Dijeron que era presuntuoso y blasfemo reducir el milagro de la creación a una serie de colisiones entre esferas diminutas inanimadas. 

James Clerk Maxwell 

La afirmación de Boltzmann de que toda la materia está formada por átomos, era compartida por muchos científicos y químicos ilustres. 

Entre ellos, el físico escocés James Clerk Maxwell (1831-1879), y el físico estadounidense Josiah Willard Gibbs (1831-1879). 

La trágica ironía del suicidio de Boltzman es que, un año antes, en 1905, un joven científico había publicado un documento que de manera innegable e irrefutable proclamaba la realidad del átomo. Este joven era Albert Einstein. 

Este informe que Einstein envió a la revista científica "Annalen del Physik" fue decisivo para zanjar la polémica. 

Josiah Willard Gibbs 

Einstein y los atomos 

Resulta muy ilustrativo recordar cómo llegó Albert Einstein al descubrimiento de los átomos. 

Para ello, hay que remontarse al año 1827, cuando el ilustre botánico escocés, Robert Brown (1773-1858) roció unos granos de polen en un poco de agua y los examinó con un microscopio. Lo que observó fue algo realmente extraño. En lugar de granos flotando suavemente en el agua, vio que los granos se movían vertiginosamente como si tuvieran vida. 

Robert Brown 

Este fenómeno, conocido desde entonces como movimiento browniano permaneció 80 años olvidado como una anomalía física que a nadie interesó mayormente. 

En 1905, Einstein vio que el movimiento de los granos de polen podía resolver el debate acerca de la existencia de los átomos. Su argumentación era sencilla: si el agua estuviera compuesta por pequeñas partículas en movimiento, estarían golpeando continuamente a las partículas de polen. 

Einstein fue más allá de los argumentos verbales y llevó a cabo un impecable estudio matemático con el que demostró no sólo que existían los átomos, sino que no se veían porque su tamaño era de una décima de millonésima de milímetro. El grosor de un fino cabello humano es un millón de veces más ancho que un átomo. 

Albert Einstein 

Modelo atómico según Rutherford 

Según el modelo de Rutherford el átomo tiene un núcleo central rodeado de electrones 

El modelo atómico de Rutherford postulaba que los electrones orbitaban en un espacio vacío alrededor de una minúscula carga, situada en el centro del átomo. Esta teoría tropezó con varios problemas que, al intentar explicarlos, llevó al descubrimiento de nuevos hechos y teorías: 

a) Por un lado se planteó el problema de cómo un conjunto de cargas positivas podían mantenerse unidas en un volumen tan pequeño, en vez de repelerse unas a otras, al tener cargas de igual signo. La solución a este problema llevó a pensar que en el interior del núcleo actuaba una fuerza desconocida hasta ese momento. Hoy la conocemos como fuerza nuclear fuerte, una de las cuatro interacciones fundamentales reconocidas en la teoría estándar de la materia. 

b) Por otro lado, se decía que si los electrones son partículas con carga eléctrica, para mantenerse en órbita necesitan una aceleración, con lo cual producirían radiación electromagnética y eso les haría perder energía. Las leyes de Newton y las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo aplicadas al átomo de Rutherford llevan a que en un tiempo del orden de 10 − 10s, toda la energía del átomo se habría radiado, ocasionando la caída de los electrones sobre el núcleo. 

El modelo atómico de Rutherford es un modelo físicamente inestable, desde el punto de vista de la física clásica. En el modelo de Rutherford, las órbitas de los electrones no están definidas y solamente se dice que forman una estructura compleja. No obstante, los resultados de su experimento, permitieron calcular que el radio del átomo era diez mil veces mayor que el núcleo mismo, de lo que se deducía que existe un gran espacio vacío en el interior de los átomos. 

Modelo atómico según Niels Bohr 

Según el modelo de Rutherford el átomo tiene un núcleo central rodeado de electrones 

Resumiendo: Los electrones no irradiarían energía (luz) si permanecieran en órbitas estables. 

Pero si saltan de una órbita de menor energía a una de mayor energía, el electrón absorbe un cuanto de energía (una cantidad igual a la diferencia de energía asociada a las órbitas concernidas). 

Si el electrón pasa de una órbita de mayor energía a una de órbita más interna, pierde energía y la energía perdida es lanzada al exterior en forma de radiación (luz): el electrón desprende un cuanto de energía, un fotón. 

Niels Bohr dedujo que la frecuencia de la luz emitida por un átomo, está relacionada con el cambio de energía del electrón, siguiendo la regla cuántica de Planck "cambio de energía/frecuencia=constante de Planck". 

Trece años después de que Max Planck decidiera incorporar el cuanto a la teoría de la luz, Bohr introdujo el cuanto en la estructura atómica y el mayor éxito de su modelo fue la explicación del espectro de emisión de luz del hidrógeno. 

La teoría de Bohr sobre el átomo, fue uno de los momentos cruciales de la física. Bohr se hizo famoso y en 1922 era una gloria nacional para Dinamarca. 

Nuevos modelos atómicos del siglo XX 

Proton 

Avanzado ya el siglo XX, los científicos continuaron explorando las propiedades del núcleo atómico y descubrieron que los protones y los neutrones estaban compuestos por minúsculos quarks. 

Para ver los quarks no bastan los microscopios, por potentes que sean, pues se necesitaría una precisión de 10-17 cm y se hizo necesario idear otras técnicas más sofisticadas. Fue así como se inventaron los aceleradores de partículas. 

Neutron 

El modelo estandar de la materia 

Acelerador de partículas LHC en Ginebra 

El camino para explicar la composición de la materia y las leyes que la rigen, se había hecho extraordinariamente confuso a mediados del siglo XX. El trabajo y la imaginación de miles de científicos, entre los años 1950 y 1980, en el desarrollo teórico y experimental llevó a elaborar con notable éxito lo que se ha llamado "modelo estándar de la física de partículas". 

En los años 1980’s surgieron diversos modelos nuevos que son válidos en ciertas circunstancias, pero que tienen problemas de consistencia matemática. Las investigaciones siguen su curso, pues los nuevos experimentos han sacado a luz nuevas partículas. 

Sin embargo, al día de hoy, las evidencias experimentales más importantes del modelo estándar han ido encajando con las ideas teóricas que se habían planteado. 

Actualmente, este modelo estándar está ampliamente aceptado.