En física, las interacciones fundamentales , también conocidas como fuerzas fundamentales , son interacciones entre partículas elementales que no parecen reducirse a interacciones más básicas. Estas interacciones gobiernan cómo interactúan las partículas y también los objetos macroscópicos y cómo se desintegran ciertas partículas. Generalmente, se pueden clasificar en una de cuatro fuerzas fundamentales :
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Interacción fuerte - Fuerza fuerte
La interacción fuerte o fuerza fuerte es una de las cuatro fuerzas fundamentales e implica el intercambio de los bosones gauge del vector conocidos como gluones . En general, la interacción fuerte es una interacción muy complicada, porque varía significativamente con la distancia. La fuerza nuclear fuerte mantiene unida la mayor parte de la materia ordinaria porque confina a los quarks en partículas de hadrones como el protón y el neutrón . Además, la fuerza fuerte es la fuerza que puede mantener unido un núcleo contra las enormes fuerzas de repulsión ( fuerza electromagnética) de los protones es realmente fuerte. Desde este punto de vista, tenemos que distinguir entre:
- Fuerza fuerte fundamental. La fuerza fuerte fundamental, o la fuerza fuerte, es una fuerza de rango muy corto (menos de aproximadamente 0,8 fm, el radio de un nucleón), que actúa directamente entre quarks . Esta fuerza mantiene unidos a los quarks para formar protones, neutrones y otras partículas de hadrones. La fuerte interacción está mediada por el intercambio de partículas sin masa llamadas gluones que actúan entre quarks, antiquarks y otros gluones.
- Fuerza fuerte residual. La fuerza fuerte residual, también conocida como fuerza nuclear , es una fuerza de rango muy corto (alrededor de 1 a 3 fm), que actúa para mantener unidos a los neutrones y protones en los núcleos. En los núcleos, esta fuerza actúa contra la enorme fuerza electromagnética repulsiva de los protones. El término residual está asociado con el hecho de que es el residuo de la fuerte interacción fundamental entre los quarks que forman los protones y los neutrones. La fuerza fuerte residual actúa indirectamente a través de los mesones virtuales π y ρ , que transmiten la fuerza entre los nucleones que mantiene unido el núcleo.
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Interacción débil - Fuerza débil
La interacción débil o fuerza débil es una de las cuatro fuerzas fundamentales e implica el intercambio de los bosones vectoriales intermedios, W y Z. Dado que estos bosones son muy masivos (del orden de 80 GeV, el principio de incertidumbre dicta un rango de unos 10-18 metros, que es menos que el diámetro de un protón, por lo que la interacción débil tiene lugar sólo a distancias subatómicas muy pequeñas.
La interacción débil responsable de algunos fenómenos nucleares como la desintegración beta , que se puede entender en términos de la fuerza débil que opera sobre los quarks dentro del neutrón . Uno de los dos quarks abajo se transforma en un quark arriba por la emisión de un W - Higgs (se lleva una carga negativa). El W - Higgs luego se desintegra en un partícula beta y un antineutrino . Este proceso es equivalente al proceso en el que un neutrino interactúa con un neutrón.
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Interacción electromagnética: fuerza electromagnética
La fuerza electromagnética es la fuerza responsable de todos los procesos electromagnéticos. Actúa entre partículas cargadas eléctricamente. Es una fuerza de rango infinito, mucho más fuerte que la fuerza gravitacional , obedece a la ley del cuadrado inverso, pero ni la electricidad ni el magnetismo se suman de la forma en que lo hace la fuerza gravitacional. Dado que hay cargas positivas y negativas (polos), estas cargas tienden a anularse entre sí. El electromagnetismo incluye la fuerza electrostática que actúa entre partículas cargadas en reposo y el efecto combinado de fuerzas eléctricas y magnéticas que actúan entre partículas cargadas que se mueven entre sí.
El fotón , el cuanto de radiación electromagnética , es una partícula elemental, que es el portador de fuerza de la fuerza electromagnética. Los fotones son bosones gauge que no tienen carga eléctrica ni masa en reposo y tienen una unidad de giro. Todos los fotones tienen en común la velocidad de la luz , la constante universal de la física. En el espacio vacío, el fotón se mueve en c ( la velocidad de la luz: 299 792 458 metros por segundo ).
Las fuerzas entre partículas cargadas eléctricamente estáticas se rigen por la ley de Coulomb . La ley de Coulomb se puede utilizar para calcular la fuerza entre partículas cargadas (por ejemplo, dos protones). La fuerza electrostática es directamente proporcional a las cargas eléctricas de las dos partículas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las partículas. La ley de Coulomb se establece como la siguiente ecuación.
Tanto la ley de Coulomb como la fuerza magnética se resumen en la ley de fuerza de Lorentz. Fundamentalmente, tanto las fuerzas magnéticas como las eléctricas son manifestaciones de una fuerza de intercambio que implica el intercambio de fotones.
La fuerza electromagnética juega un papel importante en la determinación de las propiedades internas de la mayoría de los objetos que se encuentran en la vida diaria. Las propiedades químicas de los átomos y las moléculas están determinadas por el número de protones, de hecho, por el número y la disposición de los electrones .
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Interacción gravitacional - Fuerza gravitacional
La gravedad fue la primera fuerza que se investigó científicamente. La fuerza gravitacional fue descrita sistemáticamente por Isaac Newton en el siglo XVII. Newton afirmó que la fuerza gravitacional actúa entre todos los objetos que tienen masa (incluidos los objetos que van desde átomos y fotones, hasta planetas y estrellas) y es directamente proporcional a las masas de los cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los cuerpos. Dado que la energía y la masa son equivalentes , todas las formas de energía (incluida la luz) causan gravitación y están bajo su influencia. El rango de esta fuerza es ∞ y es más débil que las otras fuerzas. Esta relación se muestra en la siguiente ecuación.
La ecuación ilustra que cuanto mayor es la masa de los objetos o menor es la distancia entre los objetos, mayor es la fuerza gravitacional . Entonces, aunque las masas de los nucleones son muy pequeñas, el hecho de que la distancia entre los nucleones sea extremadamente corta puede hacer que la fuerza gravitacional sea significativa. La fuerza gravitacional entre dos protones que están separados por una distancia de 10 a 20 metros es de aproximadamente 10 a 24 newton. La gravedad es la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales de la física, aproximadamente 10 38 veces más débil que la fuerza fuerte. Por otro lado, la gravedad es aditiva.. Cada partícula de materia que coloca en un bulto contribuye a la gravedad general del bulto. Dado que también es una fuerza de muy largo alcance, es la fuerza dominante a escala macroscópica y es la causa de la formación, forma y trayectoria (órbita) de los cuerpos astronómicos.
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Cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza
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Física nuclear y de reactores:
- JR Lamarsh, Introducción a la teoría de los reactores nucleares, 2ª ed., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
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- WSC Williams. Física nuclear y de partículas. Prensa de Clarendon; 1 edición, 1991, ISBN: 978-0198520467
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- Robert Reed Burn, Introducción a la operación de reactores nucleares, 1988.
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Física avanzada de reactores:
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Ver también:
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