Esta es una pregunta bastante cargada, así que perdóname si no respondo de manera adecuada. Primero, abordemos las ideas de electrones que tienen una carga de -1 e. ¿Por qué tienen una carga negativa? Bueno, porque decidimos nombrar su carga negativa y la carga de protones positiva. ¿Pero por qué tienen cargo? Realmente no lo sabemos. Ellos simplemente … lo hacen. Los electrones son, hasta donde sabemos, partículas fundamentales, lo que significa que no pueden descomponerse en nada más pequeño. Una de las propiedades fundamentales de los electrones es su carga. No sabemos por qué tienen una carga, podemos observarla cuantitativamente, que es parte de lo que hace que la física sea tan especial.
Ahora, para los protones y los neutrones, la respuesta es un poco más complicada, pero aún así se reduce a la respuesta fundamental de “no sabemos”. A diferencia de los electrones, los protones y los neutrones no son partículas fundamentales.
- ¿Cómo se crearon los electrones?
- ¿A qué industria puedo ir con un título en física de alta energía?
- ¿Se puede localizar un fotón de luz?
- ¿La energía de banda prohibida depende del tamaño de partícula? Si es así, ¿por qué?
- ¿Qué pasa si suponemos que en alguna parte del universo el campo de Higgs Bosson no existe? ¿Qué pasará allí?
Este es un gráfico que muestra las partículas fundamentales del modelo estándar. Como puede ver, los electrones están en este gráfico y se consideran fundamentales. Sin embargo, no encontrará protones o neutrones en este gráfico, porque no son fundamentales. En cambio, los protones y los neutrones están formados por quarks, que se ven en el color púrpura de esta tabla. Específicamente, un protón está compuesto por dos quarks arriba y un quark abajo (uud), y un neutrón está compuesto por un solo quark arriba y dos quarks abajo (udd). Ahora, algo que es un poco extraño sobre los quarks son sus cargos. Un quark up tiene una carga de +2/3 e, mientras que un quark down tiene una carga de -1/3 e. Por lo tanto, en el caso de un protón, que es uud, su carga total es [matemáticas] \ frac {2} {3} + \ frac {2} {3} – \ frac {1} {3} = 1 [/ matemática], mientras que para un neutrón (udd) es [matemática] \ frac {2} {3} – \ frac {1} {3} – \ frac {1} {3} = 0 [/ matemática]. Por eso, un protón y un neutrón tienen cargas de +1 e y 0 e, respectivamente. Pero al igual que los electrones, no tenemos idea de por qué los quarks tienen cargas, simplemente las tienen.
Las partículas que atraen y repelen son una pregunta aún más difícil de responder, pero intentaré dar una breve descripción. Básicamente, hay cuatro fuerzas fundamentales que se hacen sentir en las partículas. Son los siguientes, de más fuerte a más débil:
- Fuerza potente
- Fuerza electromagnetica
- Fuerza débil
- Fuerza gravitacional
La fuerza fuerte es, como su nombre lo indica, increíblemente poderosa. Sin embargo, se basa en algo llamado carga de color , que es una carga separada de la carga eléctrica que realmente no existe en nuestro mundo macro. Esto es lo que mantiene unidos a los quarks en un protón o neutrón, y solo los quarks tienen carga de color. Las partículas que componen los quarks son de color neutro, lo que significa que la fuerza fuerte no se siente directamente entre los nucleones. Su rango también es muy pequeño. Sin embargo, esta fuerza es tan fuerte que sus efectos residuales son los que componen la fuerza nuclear , que es lo que mantiene unidos a los nucleones en el núcleo, a pesar de la repulsión de Coulomb entre ellos.
La fuerza electromagnética es algo a lo que estás acostumbrado en nuestro macro mundo, y es responsable de la atracción y repulsión de partículas cargadas eléctricamente. No voy a elaborar mucho sobre este, ya que en realidad se ve en nuestro mundo macro y ya debería tener algo de familiaridad. Existen numerosas diferencias al estudiar el electromagnetismo en una escala cuántica, pero eso está más allá del alcance de esta respuesta.
La fuerza débil es difícil de explicar, pero es la responsable de la desintegración radiactiva, y esos son sus efectos en el mundo macro. Esto es mucho más difícil de explicar sin una discusión sobre los bosones y cómo interactúan las partículas.
La fuerza gravitacional es una fuerza atractiva entre objetos con masa. Sin embargo, es, con mucho, la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales. De hecho, ¡el modelo estándar ni siquiera incluye la gravedad! A menudo se piensa que es tan débil que no afecta mucho a las partículas pequeñas.
Espero sinceramente que mi explicación haya sido lo suficientemente buena para que comprenda, al menos un poco, sobre por qué ciertas partículas tienen ciertas cargas y las fuerzas que interactúan entre las dos. Es difícil explicar mucho más dentro del alcance de esta respuesta. Si desea obtener más información, le recomiendo leer algunos artículos de Wikipedia, o si tiene cálculo y física básica (mecánica clásica y electromagnetismo) en su haber, tome un libro de texto sobre Partículas / Física Nuclear o mire un curso en línea (hay un gran curso en Coursera que no requiere mecánica cuántica o teoría de campo cuántico, o si los tiene, entonces MIT OpenCourseWare es fantástico).
