Ejercicio resuelto de Física cuántica · Física · 2024

T4. Interacciones fundamentales. (1 punto)

$\mathbf{\text{T4.}}\mathbf{\text{Interacciones}}\mathbf{\text{fundamentales.}}\mathbf{\text{(1}}\mathbf{\text{punto)}}$

Toda la variedad de fenómenos físicos conocidos se explica mediante solo cuatro interacciones fundamentales. Cada una se caracteriza por su intensidad relativa, su alcance, las partículas sobre las que actúa y la partícula mediadora que la transmite.

La interacción gravitatoria actúa entre cuerpos por el hecho de tener masa. Es siempre atractiva y su intensidad viene dada por la ley de Newton, $F=G{\displaystyle \frac{m_1{m}_2}{r^2}}$. Su alcance es infinito, pero es con diferencia la más débil de las cuatro. Aun así domina a escala astronómica, porque la masa es siempre positiva y sus efectos se acumulan sin que nada los cancele. Es la responsable del peso, de las órbitas planetarias y de la estructura de estrellas y galaxias.

La interacción electromagnética actúa entre partículas con carga eléctrica, puede ser atractiva o repulsiva y sigue la ley de Coulomb, $F=K{\displaystyle \frac{q_1{q}_2}{r^2}}$. También tiene alcance infinito y es unas ${10}^{36}$ veces más intensa que la gravitatoria. Su mediador es el fotón. Mantiene a los electrones ligados al núcleo y a los átomos entre sí, de modo que es la responsable del enlace químico, de la estructura de la materia ordinaria y de las fuerzas de contacto.

La interacción nuclear fuerte es la más intensa de las cuatro y se toma como referencia. Es de muy corto alcance, del orden del tamaño del núcleo, y actúa entre quarks uniéndolos para formar protones y neutrones; de forma residual mantiene unidos a los nucleones venciendo la repulsión eléctrica entre los protones. Su mediador es el gluón, y de ella proceden la estabilidad nuclear y la energía de la fisión y la fusión.

La interacción nuclear débil es responsable de la desintegración $\beta$, en la que un neutrón se transforma en protón con emisión de un electrón y un antineutrino. Su alcance es aún menor que el de la fuerte y sus mediadores son los bosones $W^{\pm }$ y $Z^0$. Resulta esencial en las reacciones que tienen lugar en el interior de las estrellas.

Interacción	Intensidad relativa	Alcance	Mediador Nuclear fuerte	$1$	$\sim {10}^{-15}\text{ m}$	gluón Electromagnética	${10}^{-2}$	infinito	fotón Nuclear débil	${10}^{-6}$	$\sim {10}^{-18}\text{ m}$	bosones $W^{\pm },Z^0$ Gravitatoria	${10}^{-39}$	infinito	gravitón

Por intensidad decreciente el orden es, por tanto, fuerte, electromagnética, débil y gravitatoria; por alcance, las dos primeras columnas del cuadro separan las de alcance infinito de las confinadas al núcleo. Uno de los objetivos centrales de la física actual es unificarlas: la electromagnética y la débil ya se describen conjuntamente en la teoría electrodébil.