Gama de portadores de fuerza
Hagamos un experimento mental. Imagínese que sale con un amigo y se aleja una cierta distancia y llámalo. Luego te llaman lo que dijiste. Si pueden escucharse, aumente la distancia entre ustedes dos y repita el proceso. Continúe haciendo esto hasta que ya no pueda escucharse el uno al otro. La distancia a la que están separados en este momento es el rango del sonido que hace. Este experimento es una analogía de hasta qué punto operan los portadores de fuerza creando las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Un portador de fuerza es un objeto en la escala atómica que cuando es expulsado de una partícula y absorbido por otra partícula, transmite una fuerza. Cada una de las fuerzas fundamentales del universo tiene un portador de carga específico. Repasemos cada uno de ellos.
Portador de fuerza de gravedad
La fuerza fundamental más débil del universo es la fuerza gravitacional. Es únicamente una fuerza atractiva entre masas. De acuerdo con la ley de gravitación de Newton, la magnitud de la fuerza gravitacional se puede calcular multiplicando las masas, la constante gravitacional universal ‘G’ y dividiendo por el cuadrado de la distancia entre los centros de las masas.
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No hay límite para el rango de la fuerza de gravitación, y el portador de fuerza es la partícula hipotética llamada gravitón . Esta partícula no se ha observado en la naturaleza, pero debe existir para que exista la gravedad. Dado que esta fuerza actúa a distancias infinitas, no debe tener masa en sí misma.
Portador de fuerza nuclear débil
La fuerza nuclear débil es aproximadamente 10 10 más fuerte que la fuerza gravitacional. La fuerza nuclear débil puede ser más fuerte que la fuerza gravitacional, pero solo actúa a una distancia del tamaño de un protón, que es de alrededor de 10 a 18 metros. El portador de fuerza de la fuerza nuclear débil son los bosones vectoriales débiles , que tienen los símbolos W + , Z 0 y W -. El intercambio de estas partículas hace que un tipo de partícula cargada se convierta en otro tipo de partícula cargada. Por ejemplo, cuando el núcleo de un átomo tiene demasiados neutrones en comparación con la cantidad de protones, se produce una interacción entre bosones vectoriales débiles. Esto hace que un neutrón neutro se convierta en un protón cargado positivamente. Para mantener la conservación de la masa y la carga eléctrica, una partícula de carga negativa sin masa llamada partícula beta menos es expulsada del núcleo del átomo. Este proceso se conoce como desintegración radiactiva. Pasemos ahora a la siguiente fuerza fundamental más fuerte, que es la fuerza electromagnética.
Portador de fuerza electromagnética
La fuerza electromagnética es casi 10 40 veces más fuerte que la fuerza gravitacional. Una forma fácil de demostrar que la fuerza electromagnética es más fuerte es sujetar un imán y colocarle un clip. La gravedad está tirando del clip hacia abajo, pero la fuerza electromagnética lo contrarresta fácilmente.
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La magnitud de la fuerza electromagnética que existe entre partículas cargadas sigue la misma estructura de ecuación que la fuerza de gravitación, pero la constante es la constante ‘k’ de Coulomb. Esto significa que el rango de esta fuerza también es infinito, pero solo existe entre partículas cargadas. Dado que hay dos tipos de carga, esta fuerza puede ser repulsiva entre cargas similares o atractiva entre cargas opuestas. Los fotones son los portadores de carga que transmiten la fuerza electromagnética. La última fuerza fundamental que necesitamos discutir es la más fuerte y se llama fuerza nuclear fuerte.
Portador de fuerza nuclear fuerte
La fuerza nuclear fuerte es alrededor de 100 veces más fuerte que la fuerza electromagnética. El rango sobre el que actúa esta fuerza es el tamaño del núcleo de un átomo, que es de unos 10-15 metros. Los portadores de carga asociados con la fuerza nuclear fuerte se denominan gluones . Una forma fácil de recordar esto es pensar que «los gluones unen el núcleo del átomo». La energía nuclear y las armas nucleares convierten la fuerza nuclear fuerte en enormes cantidades de energía cinética y térmica. Ahora condensemos toda esta información en un gráfico.
Portadores de fuerza
| Portadores de fuerza | |||
|---|---|---|---|
| Fuerza | Fuerza relativa | Portador de fuerza | Rango |
| Fuerte nuclear | 100 | Gluón | Núcleo atómico (≈ 10-15 metros) |
| Electromagnético | 1 | Fotón | Infinito |
| Débil nuclear | 10 -10 | W + , Z 0 y W – bosones | Diámetro del protón (≈ 10-18 metros) |
| Gravedad | 10 -40 | Graviton (no detectado en la naturaleza) | Infinito |
Resumen de la lección
De las cuatro fuerzas fundamentales del universo, la fuerza nuclear fuerte es la más fuerte. El portador de fuerza para esta fuerza es el gluón y está activo en el rango del núcleo atómico. La siguiente fuerza más fuerte es la fuerza electromagnética, que actúa entre partículas cargadas a distancias infinitas. El portador de carga de esta fuerza es el fotón . A continuación, en orden de fuerza decreciente, se encuentra la fuerza nuclear débil y sus portadores de carga son los bosones W + , Z 0 y W – . Estas partículas interactúan a distancias del tamaño de un protón, que es el rango más pequeño de cualquiera de los portadores de fuerza. La fuerza fundamental más débil es la fuerza gravitacional. Su portador de fuerza es ungravitón , que aún no se ha detectado en la naturaleza. Esta fuerza actúa sobre distancias infinitas.
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