Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

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Quarks y Leptones


En el mundo de la física de partículas, todo lo que nos rodea está compuesto por partículas fundamentales. Estas son los bloques de construcción de los que están hechos los átomos y, en consecuencia, toda la materia. Las categorías más importantes de estas partículas incluyen quarks y leptones.

Comprender lo básico

Para entender la naturaleza de la materia, los científicos han desarrollado una teoría llamada el Modelo Estándar de la física de partículas. Describe cómo interactúan las partículas fundamentales y las fuerzas.

Quarks y leptones son las dos partículas fundamentales descritas por el Modelo Estándar. Ambos se consideran partículas elementales, lo que significa que no están compuestos por partículas más pequeñas. Echemos un vistazo más profundo a qué son estas partículas y por qué son tan importantes.

Quarks

Los quarks son las partículas fundamentales que conforman los bloques de construcción de protones y neutrones, que se pueden encontrar en el núcleo de un átomo.

Hay seis tipos (o "sabores") de quarks:

  • up (u)
  • down (d)
  • encanto (c)
  • extraño (s)
  • top (t)
  • abajo (b)

Cada quark tiene una carga eléctrica fraccionaria. Por ejemplo, un quark up tiene una carga de +2/3 e, y un quark down tiene una carga de -1/3 e, donde e representa la carga elemental.

Carga de quark:
  Arriba: +2/3 e
  Abajo: -1/3 e
  Encanto: +2/3 e
  Extraño: -1/3 e
  Top: +2/3 e
  Abajo: -1/3 e

Los cuarks se combinan para formar hadrones, los más estables de los cuales son los protones y los neutrones. Un protón está compuesto por dos quarks up y un quark down, dándole una carga neta de +1 e:

Protón = uud -> (2/3 e + 2/3 e - 1/3 e) = +1 e

El neutrón está compuesto por un quark up y dos quarks down, lo que le da una carga neutra:

Neutrón = udd -> (2/3 e - 1/3 e - 1/3 e) = 0
U U D

Representación visual de la estructura de quarks del protón.

Leptones

Los quarks son los bloques de construcción de la materia, mientras que los leptones son partículas fundamentales que no experimentan fuerzas fuertes. En cambio, los leptones son afectados por fuerzas electromagnéticas, débiles y gravitatorias.

Hay seis tipos de leptones y vienen en pares:

  • Electrón (e) y neutrino de electrón (νe)
  • Muon (μ) y neutrino de muon (νμ)
  • Tau (τ) y neutrino de tau (ντ)

Los leptones cargados (electrón, muon, tau) tienen una carga de -1 e. Los neutrinos son partículas neutras con masas muy pequeñas, que interactúan sólo a través de fuerzas débiles.

Los electrones son los leptones que encontramos todos los días, ya que orbitan los núcleos de los átomos, facilitando los enlaces químicos y la electricidad.

Carga de leptón:
  Electrón: -1 e
  Muon: -1 e
  Tau: -1 e
  Neutrinos: 0
E νe μ

Una representación visual de algunos leptones, mostrando el electrón, neutrino de electrón y muon.

Partículas mixtas

Los quarks se combinan para formar partículas compuestas llamadas hadrones. Las dos categorías principales son bariones y mesones.

Bariones

Los bariones están hechos de tres quarks. Los protones y los neutrones son los bariones más conocidos. La disposición de los quarks obedece a la regla de que la carga fraccionaria neta debe ser un número entero.

Mesones

Los mesones consisten en un par de un quark y un antiquark. Desempeñan un papel importante en las fuerzas entre nucleones en el núcleo.

Q Q̅ Mesón

Este SVG muestra un quark y un antiquark formando un mesón.

Fuerzas e interacciones

Los quarks y leptones interactúan a través de las fuerzas fundamentales conocidas:

  • Fuerza electromagnética: Afecta a partículas cargadas como electrones y quarks.
  • Fuerza nuclear débil: Responsable de la desintegración radiactiva, afecta a los neutrinos y quarks.
  • Fuerza nuclear fuerte: Mantiene unidos los quarks dentro de protones y neutrones.
  • Fuerza gravitatoria: La más débil pero afecta a partículas que tienen masa.

Cada interacción está gobernada por partículas conocidas como bosones de intercambio o de medida. Estos incluyen el fotón, los bosones W y Z, y el gluón.

Rol de los gluones

Los gluones median las fuerzas fuertes que unen a los quarks dentro de protones y neutrones, colectivamente conocidos como nucleones. Sin gluones, la estructura del núcleo de un átomo colapsaría.

G G

Una representación visual de los gluones que facilitan la fuerza fuerte entre los quarks.

Conclusión

Los quarks y leptones son la esencia de la materia en el universo. Comprender estas partículas y sus interacciones nos brinda información sobre el funcionamiento fundamental del universo. El Modelo Estándar, aunque no es perfecto, proporciona un marco robusto para predecir y explicar el comportamiento de las partículas a las escalas más pequeñas.

Los cuarks, con sus diferentes sabores, se combinan de formas interesantes para formar las partículas que vemos. Los leptones, especialmente los electrones, son importantes para comprender la estructura atómica y las reacciones químicas.


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