Los bosones son los mediadores de fuerza o partículas portadoras de las interacciones fundamentales, puesto que los campos electromagnéticos, electrodébil, fuerte y presumiblemente el gravitatorio, están asociados a partículas de espín entero. La descripción cuántica de estas interacciones fundamentales consiste en el intercambio de una partícula que será siempre un bosón virtual. Así, la interacción de dichos bosones virtuales con fermiones reales es lo que da lugar a dichas interacciones o fuerzas fundamentales. El alcance de tal interacción viene dado, en general, por la masa de la partícula intercambiada. A los bosones involucrados en estas interacciones se les denomina bosones gauge. Estos son:
Los bosones W y Z para la interacción débil.
Los gluones para la interacción fuerte.
Los fotones para la fuerza electromagnética.
Los teóricos gravitones para la fuerza gravitatoria.
La fuerza nuclear fuerte es la responsable de mantener unidos a los nucleones (protón y neutrón) que coexisten en el núcleo atómico, venciendo la repulsión electromagnética entre los protones que poseen carga eléctrica del mismo signo (positiva) y haciendo que los neutrones, que no tienen carga eléctrica, permanezcan unidos entre sí y también a los protones.
La interacción débil, frecuentemente llamada fuerza débil o fuerza nuclear débil se debe al intercambio de los bosones W y Z, que son muy masivos. Los efectos más conocidos son el decaimiento beta (de los neutrones en el núcleo atómico) y la radiactividad. La palabra “débil” deriva del hecho que su campo de fuerzas es de 1013 veces menor que la interacción nuclear fuerte. Aun así, esta interacción es más fuerte que la gravitación a cortas distancias.
La interacción electromagnética es la interacción que se da entre las partículas con carga eléctrica. Desde un punto de vista macroscópico, suele separarse en dos tipos: la interacción electrostática, que actúa sobre cuerpos cargados en reposo respecto al observador, y la interacción magnética, que actúa solo sobre cargas en movimiento respecto al observador. Las partículas fundamentales interactúan electromagnéticamente mediante el intercambio de fotones entre partículas cargadas.
La gravedad, denominada también fuerza gravitatoria, fuerza de gravedad, interacción gravitatoria o gravitación, es la fuerza teórica de atracción que experimentan entre sí los objetos con masa.
En resumen, la descripción conjunta de la fuerza débil y la electromagnética constituye la llamada interacción electrodébil, que fue la primera generalización.
Luego, esta interacción electrodébil se integró con la fuerza nuclear fuerte para lograr la teoría de la gran unificación. Sin embargo, no ha sido posible incluir la fuerza gravitatoria para establecer la Teoría del Todo.
En la figura 1.2 se muestran los conceptos enunciados del MEFP.
Por otro lado, los cuarks y leptones constituyen la materia. Los cuarks tienen carga eléctrica fraccionaria y son seis tipos: arriba, abajo, sabor, rareza, fondo y tapa. En la figura 1.3 se muestra la familia de los cuarks.
Varias especies de cuarks se combinan de manera específica para formar partículas como protones y neutrones (véase figura 1.4).
Figura 1.2 Modelo estándar
Fuente: Wikimedia (s. f.).
Figura 1.3 La familia de los cuarks
Figura 1.4 El protón y el neutrón están constituidos por cuarks
El electrón (del griego ἤλεκτρον, ámbar), representado por el símbolo e−, es una partícula subatómica o partícula elemental (véase figura 1.5). Los electrones tienen una masa pequeña respecto al protón, y su movimiento genera corriente eléctrica y flujo de calor en la mayoría de los metales. Desempeñan un papel primordial en la química, ya que definen las atracciones con otros átomos.
Figura 1.5 Un electrón en movimiento
La grabación muestra un electrón en un haz de luz después de haber sido arrancado de un átomo. Lo que se ve en la película es el patrón que muestra los puntos en los que el electrón golpea la placa detectora en cada ciclo del pulso de luz.
Fuente: Microsiervos (s. f.).
2
La picoestructura de los metales
Teoría cuántica y teoría del electrón libre
2.1. Teoría cuántica del átomo
A fines del siglo xix se distinguían en el universo dos entidades físicas: la materia y la radiación. La primera se consideraba compuesta de partículas dotadas de masa, que obedecían a las leyes de Newton, o sea que el estado de cada partícula estaba definido en cada instante por sus variables dinámicas: posición y velocidad. Esta fue la teoría corpuscular de la materia cuyo resultado más acabado fue la teoría cinética de los gases.
En cuanto a la segunda, la radiación, en 1855, James Clerk Maxwell (1831-1879) (véase figura 2.1) había demostrado que estaba constituida por ondas electromagnéticas o vibraciones en los campos eléctricos y magnéticos que se propagaban de acuerdo con las leyes del electromagnetismo (véase figura 2.2).
Figura 2.1 James Clerk Maxwell, autor de la teoría ondulatoria de la radiación
Tal teoría ondulatoria de la radiación explica los fenómenos luminosos, incluidos la óptica geométrica y la interferencia, estudiadas antes por Augustin Jean Fresnel (1788-1827) (véase figura 2.3).
Esta síntesis entre la óptica y la electricidad fue confirmada por Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) (véase figura 2.4), al descubrir las ondas radioeléctricas.
De este modo, la concepción física del universo parecía haber llegado a la máxima perfección posible.
Figura 2.2 Espectro electromagnético
Figura 2.3 Augustin Jean Fresnel
Este físico estudió la óptica geométrica y la interferencia, consistente con la teoría ondulatoria de la radiación.
Figura 2.4 Heinrich Rudolf Hertz. Descubrió las ondas radioelectrónicas
Fuente: Wikipedia (s. f. 2).
Sin embargo, a principios del siglo xx surgieron otras ideas. En 1900, Max Planck (1858-1947) (véase figura 2.5) señaló que el transporte de energía luminosa no ocurría de manera continua como en la propagación de una onda, sino que se daba en forma de incrementos finitos, pequeños paquetes o cuantos indivisibles.
Figura 2.5 Max Planck. Formuló la teoría cuántica
Fuente: Aprende a usar la tecnología (s. f.).
Y en 1905 Albert Einstein (1879-1955), usando la hipótesis de Planck, dio una explicación del efecto fotoeléctrico,