UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

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El neutrón: Chandwick

Químicamente todo elemento se caracteriza sólo por el número de sus electrones, que es el mismo que el de los protones en su núcleo. Es decir que desde el punto de vista de sus propiedades químicas el número de neutrones que posee el núcleo de un átomo es irrelevante. Por otra parte, las fuerzas nucleares restringen la existencia de núcleos estables a aquellos cuyo número de neutrones sea parecido al de protones. En general, para cada elemento hay más de un número posible de neutrones en su núcleo. Para distinguir entre cada tipo de núcleo, de un mismo elemento, se utiliza el nombre de isotopo. Poco después del descubrimiento de la radioactividad se encontró que existían ciertos elementos con propiedades químicas idénticas pero propiedades radiactivas diferentes. Heisenberg había postulado que la descripción cuántica de una partícula implica una determinación en el conocimiento simultáneo de algunos fenómenos observables, lo que se conoce como principio de incertidumbre. Un par de estos fenómenos son la posición y el momento para los cuales el producto de la incerteza en la medida de uno por el de la incertidumbre en la medida del otro no puede ser inferior a una constante, pequeña pero finita, que se conoce como constante de Planck.

La primera evidencia experimental de la existencia del neutrón fue observada por Walter Bothe y su alumno Herbert Becker en Alemania. En sus experimentos bombardeaban berilio con partículas α que eran producto del decaimiento del polonio. Utilizando métodos eléctricos de detección encontraron que efectivamente aparecía cierto tipo de radiaciones muy penetrantes que ellos interpretaron como rayos γ. Chadwick realizó una serie de experimentos que lo llevaron a la conclusión de que las radiaciones de Bothe no eran otra cosa que los neutrones que él buscaba.

El positrón: Dirac y Anderson

El positrón es un electrón con carga positiva. La interacción con el electrón puede resultar en la aniquilación de ambos, con lo que se produce un par de fotones cuya energía equivale a la masa del par electrón – positrón.

Para garantizar la estabilidad del átomo, Bohr propuso que los electrones sólo se mueven en órbitas estacionarias. Los únicos cambios energéticos del sistema son aquellos en que los electrones pasan de una órbita estacionaria a otra. El segundo postulado de Bohr indica que la radiación electromagnética esperada clásicamente para un electrón que gira alrededor del núcleo, sólo ocurre durante la transición entre órbitas estables y no mientras la estructura electrónica se mantenga inalterada.

Pauli le dio una explicación al postular la existencia de un cuarto número cuántico y de una nueva ley fundamental de la naturaleza: el principio de exclusión. Según éste, en el átomo no puede haber dos electrones con los mismos números cuánticos. Esto implica que cada órbita electrónica está poblada por un número máximo de electrones, dependiendo de su momento angular.

La teoría de Dirac permite calcular la energía del electrón, incluida su masa en reposo. Sin embargo, predecía la existencia de un conjunto de estados de energía negativa, idénticos al conjunto de estados de energía positiva que él se proponía encontrar. Pero el único defecto a esta teoría fue predecir la existencia de la antimateria. Anderson describía la aparición de varios tipos de radiación que podían ser interpretados como protones, núcleos más pesados y electrones también encontró evidencias de trayectorias muy similares a las de los electrones pero con una curvatura invertida, como si se tratara de partículas con carga positiva.

El neutrino: Pauli, Fermi, Reines y Cowan

Al inicio del presente siglo, las investigaciones revelaron que los rayos α son iones del elemento helio; que los β son electrones de alta energía y que los γ son radiación electromagnética, también de gran energía. Según Fermi, cuando un neutrón se transforma en un protón, lo hace emitiendo un electrón y un neutrino. Una manera de detectar neutrinos sería un proceso inverso al del decaimiento β, en el que el neutrino y un electrón convergen simultáneamente sobre un protón para convertirlo en un neutrón. El neutrino, como se le denominó por ser pequeño y neutro, es una partícula muy difícil de detectar, al punto que pasó un cuarto de siglo antes de que Reines y Cowan la descubrieran experimentalmente.

El Muon y los Piones: Yukawa, Lattes, Occhialini y Powell

Hidekei Yukawa introdujo la idea de campo nuclear, en el mismo sentido en que las ecuaciones de Maxwell describen el campo electromagnético. Esta teoría introduce la idea de interacción a distancia a través del intercambio de algún tipo de partícula intermedia. En el caso del campo electromagnético, esta partícula es el fotón. Yukawa propuso la existencia de un nuevo tipo de partículas responsables de transmitir la fuerza nuclear, cuya masa debería ser aproximadamente doscientas veces mayor que la del electrón.

Los observadores de rayos cósmicos habían establecido la existencia de dos componentes principales en la radiación, una denominada suave por ser atenuada fácilmente en los detectores y que consiste principalmente de electrones y fotones, y otra denominada dura, por su gran penetración y que estaba formada predominantemente de muones.

Los piones neutros fueron las primeras partículas elementales, literalmente, producidas en aceleradores y no, como hasta entonces, asociadas a la radiación cósmica. Los piones neutros aparecen en cualquier combinación de la interacción entre nucleones (protones o neutrones); además, por ser menos masivos, el intercambio de estas partículas es más frecuente en el núcleo. Además de los muones, existen otras partículas insensibles a la fuerza fuerte se les conoce como leptones.

Proliferación Hadrónica: Mesones, Barones y sus descubridores.

Se encontraron nuevas partículas a las cuales se les dio el nombre de partículas V. Un año después se anunciaron evidencias independientes sobre la existencia de otra partícula cuya masa es 700 veces mayor que la del electrón llamada partícula T. En años posteriores las partículas V pasaron a llamarse Λ.

En 1953 se destaca la identificación de un protón y un pion negativo en el decaimiento de una Λ neutra. Se encontraron dos grupos de mesones K, aquellos que decaen vía la emisión de dos partículas denominados θ y aquellos que decaen 3 partículas, entre los que se hallaban T, las K y las