Elementos constitutivos de la materia

Un cubo de oro sólido de 1 kg (≈ 2 lb) tiene una longitud de arista de casi 3.73 cm (≈ 1.5 pulg). Si el cubo se corta a la mitad, las dos piezas resultantes retienen su identidad química como oro sólido. Pero ¿qué sucede si las piezas del cubo se cortan una vez más, de manera indefinida? Leucipo y Demócrito, filósofos griegos, no aceptaron la idea de que tales cortes pudieran continuar siempre. Reflexionaron por último que el proceso finaliza cuando se produce una partícula que no se pueda dividirse más. En griego, átomo significa "no divisible". De este término surge el término en ingles atom, alguna vez se creyó que era la partícula más pequeña de la materia, pero se encontró que está compuesta de partículas más elementales.
Naturalmente se puede representar el átomo como un diminuto Sistema Solar, con un núcleo con carga densa positiva, ocupando la posición del Sol y los electrones con carga negativa orbitando de manera parecida que los planetas. Este modelo del átomo, desarrollado por el gran físico danés Niels Bohr hace casi un siglo, condujo a comprender ciertas propiedades de los átomos más simples tal como el hidrógeno, pero deja de funcionar al explicar detalles más significativos de la estructura atómica.
Observe el tamaño de un átomo de hidrógeno, mencionado en "Valores aproximados de algunas longitudes observadas" (en este blog) y el tamaño de un potrón - los núcleos de un átomo de hidrógeno - unas 100 000 veces más pequeño. Si el protón fuera del tamaño de una bola de ping-pong, ¡el electrón sería una partícula dimituta casi del tamaño de una bacteria, orbitando el protón a un kilómetro de distancia! De la misma manera otros atómos están construidos. De este modo existe una cantidad extraordinaria de espacio vacío en la materia.
Después del descubrimiento del núcleo a principios de 1900, surgieron preguntas relacionadas con su estructura. Hoy en día la composición exacta de los núcleos no ha sido definida por completo, pero en 1930 los científicos determinaron que dos entidades básicas --protones y neutrones-- ocupan el núcleo. El protón es fundamental en la naturaleza, portador de carga positiva, igual en magnitud pero de signo opuesto a la carga del electrón. El número de protones en un núcleo determina de qué elemento se trata. Por ejemplo, un núcleo que contiene sólo un protón es el núcleo de un átomo de hidrógeno, independientemente de cuántos neutrones estén presentes. Neutrones extras correspondientes a diferentes isotopos de hidrógeno --deuterio y tritio-- que reaccionan químicamente de la misma forma que el hidrógeno, pero son más pesados. De la misma manera, un átomo que tiene dos protones en su núcleo, siempre es helio, aunque una vez más, son posibles diferentes números de neutrones.
Finalmente en 1932 se comprobó la existencia de neutrones. No tienen carga y tienen una masa casi igual a la del protón; una de sus finalidades básicas es de actuar como "pegamento" para mantener al núcleo unido. Si no estuvieran presentes los neutrones la fuerza eléctrica de repulsión entre los protones son carga negativa ocasionaría que el núcleo volara separado.
La división no se detiene en este caso; ahora se piensa que en su momento protones, neutrones y una variedad de otras partículas exóticas están compuestos de seis partículas denominadas quarks (en consonancia con "horcón", aunque en inglés rima algo con "tiburón"). A estas partículas se les ha dado los nombres de arriba, abajo, extraño, encanto, fondo y superior. Los quarks arriba, encanto y superior cada uno tiene una carga igual a +2/3 del próton, mientras que los quarks abajo, extraño y fondo cada uno tiene una carga igual a -1/3 la carga del protón. El protón está compuesto de dos quarks arriba y abajo, que produce la carga correcta para el protón, +1. El neutrón está compuesto de dos quarks abajo y un quark arriba y tiene una carga neta cero.
Los quarks arriba y abajo son suficientes para describir toda la materia común, de tal modo que la existencia de los otros cuatro quarks, observados indirectamente en experimentos de alta energía, son un poco de misterio. Además es posible que los mismos quarks tengan una estructura. Muchos físicos creen que la mayoría de las particulas fundamentales pueden ser espiras diminutas de resortes vibrantes.