Esas maravillosas partículas – 1/22 – El electrón

Esta entrada inicia una nueva serie, Esas maravillosas partículas, en la que (a sugerencia de Miguel y cruzki) vamos a hablar brevemente de una partícula en cada artículo, de más comunes a más “raras”. La de hoy es una de las más conocidas - el electrón.

¿Cómo definir un electrón? Voy a hacerlo de modo que introduzca algunos conceptos que nos serán muy útiles durante esta serie de artículos. Vamos a hablar de muchos nombres que encantan a los físicos cuánticos, de modo que prepárate para lo que tal vez sea un poco aburrido. En cualquier caso, muchos los repetiremos a lo largo de la serie.

En primer lugar, un electrón es una partícula elemental. Esto quiere decir que no está compuesto de partículas más simples (que sepamos, por supuesto). Pues claro, puede decir algún lector avezado. ¿Quién no sabe que un electrón es una partícula elemental? ¿Por qué lo dices como si fuera especial?

Bien, hago énfasis en esto porque mucha gente llama “partículas elementales” a cosas que no lo son. Por ejemplo, los protones y los neutrones (cada uno de los cuales tendrá su entrada particular en esta serie) no son partículas elementales. Ya veremos por qué otras partículas están constituidos cuando llegue la hora. Pero el electrón sí lo es - que sepamos nosotros, no tiene estructura interna.

En segundo lugar, un electrón es un fermión. Esto quiere decir, dicho llanamente, que es una partícula “individualista”: sólo un electrón puede ocupar un estado cuántico determinado. Si ya hay un electrón ocupando ese estado, otros electrones no lo ocupan. Los fermiones, básicamente, son las partículas que constituyen la materia.

Si los electrones no fueran fermiones, un átomo con (por ejemplo) 20 electrones los tendría a todos apelotonados cerca del núcleo y no existirían ni los niveles de energía, ni las valencias, ni las reacciones químicas ni nosotros. El hecho de que los electrones, en el átomo, se organicen en “capas” como una cebolla se debe a que son fermiones.

En tercer lugar, un electrón es un leptón. Esto significa que no se ve afectado por la fuerza nuclear fuerte. Esta fuerza es la que mantiene unidos los núcleos de los átomos - pero, como sabes, los electrones no están en el núcleo, y esa es precisamente la razón de que no lo estén: si los electrones no fueran leptones, serían afectados por la fuerza nuclear fuerte y no estarían formando una “nube” alrededor del núcleo, sino formando parte de él.

En cuarto lugar, un electrón tiene una carga eléctrica de valor -1 (en unidades atómicas), y por lo tanto decimos de él que tiene “carga negativa”. Algún día dedicaremos una Falacia iracunda a lo de la “energía positiva (buena)” y “energía negativa (mala)” de diversas pseudociencias, pero baste decir lo siguiente: llamamos a la carga “positiva” y “negativa” porque nos da la gana. Podríamos haberlas llamado “verde” y “roja”, y tan a gusto.

Lo que pasa es que es muy conveniente (por varias razones, como para sumar una y otra y poder cancelarlas, para poder multiplicarlas fácilmente…) utilizar + y -. Pero cuál es cuál y que sean signos es algo que nos hemos inventado nosotros.

En cualquier caso, al tener carga, el electrón se ve afectado por la fuerza electromagnética - ésa es la razón de que se encuentre “dando vueltas” alrededor del núcleo cargado “positivamente”. De hecho, los electrones que se mueven por los conductores son los que llevan la corriente eléctrica a nuestras casas (ya sé que lo sabes, pero bueno).

En quinto lugar, un electrón tiene una masa de unos 10-30 kg. A pesar de que tú, querido lector, tienes miles de cuatrillones de electrones en tu cuerpo, su masa total sólo es de unos pocos gramos. Sin embargo, veremos otras partículas que no tienen masa o tienen incluso menos que el electrón (aunque otras, como el protón, son casi 2000 veces más pesadas).

Casi todos los electrones del Universo (y se piensa que hay unos 1079 de ellos) están en átomos de hidrógeno (que tienen un protón y un electrón). Por supuesto, todos los átomos los tienen, y de hecho son la razón de que exista la tabla periódica.

Como hemos dicho antes, al ser fermiones, los electrones en un átomo no pueden ocupar el mismo estado cuántico. Si no fuera así, los electrones irían lo más cerca posible del núcleo, donde tendrían menor energía, como una canica en el interior de un cuenco.

Pero, al ser fermiones, es como si el cuenco tuviera “escalones” y los electrones los ocuparan y no dejaran que ningún otro lo hiciera, de modo que según un átomo tiene más electrones tienen que ocupar escalones más y más “altos” y alejados del núcleo - esta estructura es la que da a cada elemento sus propiedades y su lugar en la tabla periódica, aunque por supuesto si es un átomo (neutro) tiene el mismo número de protones que de electrones.

En resumen - un electrón es una partícula elemental, dentro de ellas un fermión, dentro de ellos un leptón, y dentro de éstos el que tiene carga -1 y masa unos 10-30 kg. Su importancia fundamental, en mi opinión, es que son los responsables de los enlaces entre átomos y, por tanto, las reacciones químicas. Sin ellos, el Universo sería un lugar muy aburrido en el que todos los átomos se comportarían más o menos igual y nunca jamás se unirían para formar moléculas…

Espero que el haber empezado con una partícula tan “normal” no haya aburrido a más de uno. Os prometo que más adelante nos pelearemos con partículas exóticas, pero quería empezar con una conocida para empezar a disparar nombres “raros” con algo que no fuera “raro”. Si quieres, por cierto, conocer más acerca del descubrimiento del electrón, puedes leer acerca de ello en la entrada sobre el Nobel de Física de 1906, concedido a J. J. Thomson precisamente por este motivo.

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Pedro Gómez-Esteban González. (2009). El Tamiz. Recuperado de: https://eltamiz.com