leyes de conservación

Leyes de Conservación

Leyes de Conservación – Análisis de Datos mediante Gráficas – Histogramas – Unidades o Vectores en la Física de Partículas

En toda la física sólo hay seis leyes de conservación. Cada una describe una cantidad que se conserva, es decir, la cantidad total es la misma antes y después de que ocurra algo. Estas leyes tienen la restricción de que el sistema es cerrado, es decir, el sistema no es afectado por nada fuera de él.

Conservación de la carga Conservación del momento Conservación de la masa/energía

Conservación del momento angular Conservación de los bariones Conservación de los leptones

Vamos a repasar las leyes de conservación que conoces de la física clásica. A continuación, describiremos dos leyes de conservación de la física de partículas.

Conservación de la carga
Se utiliza todo el tiempo en química. La carga total del sistema se conserva.

Na+OH- + HCl
Na+OH- + H+Cl- Na+ Cl- + H+ OH- sal en el agua
1+ + 1- + 1+ + 1- = 0 = 0 + 0 Comprueba esta interacción de partículas:
p+ + no p+ + p+
1+ + 0 1+ + 1+
1 2. ¡Esta reacción no puede ocurrir!

Conservación del Momemtum
El Momemtum, p, (un vector) es igual a la masa, m, (un escalar) por la velocidad, v, (un vector).

(p = m v)

Considera una colisión de coches de juguete:

Antes de la colisión		Después de la colisión
m1 = 1 kg	m2 = 2 kg	m1 = 1 kg	m2 = 2 kg
v1 = +5 m/s	v2 = -5 m/s	v1′ = -3 m/s	v2′ = -1 m/s

Calcula la velocidad total y el momento total antes y después de la colisión. Recuerda que v y p son vectores.

Antes de la colisión		Después de la colisión
m1 = 1 kg	m2 = 2 kg	m1 = 1 kg	m2 = 2 kg
Sv = +5 m/s + – 5 m/s = 0		Sv = -3 m/s + -1 m/s = -4
Sp = +5 kg m/s + -10 kg m/s = -5 kg m/s		Sp = -3 kg m/s + -2 kg m/s = -5 kg m/s

Entonces, la velocidad total NO se conserva, ¡pero el momento sí!

Mira estas huellas de partículas (calculadas por un ordenador) cuando un electrón y un positrón colisionan. ¿Qué concluyes?

Antes:

Después:
Parece que el momento no se conserva a menos que haya una o más partículas invisibles.

En la década de 1930, cuando la conservación del momento parecía violarse en tales eventos, los físicos de partículas se dieron cuenta de que debía haber partículas invisibles. Así es como se postularon por primera vez los neutrinos, pero no se descubrieron hasta mucho más tarde.

Conservación de la energía/masa>
Consideremos la siguiente reacción:

po g g. Es decir, po (pi-cero) decae en 2 fotones. En el marco de referencia en el que el po está en reposo, no hay energía cinética inicial, pero como los fotones se mueven, hay claramente energía cinética en el estado final. ¿Cuál es la fuente de esta energía? La masa del po se ha convertido en energía cinética (KE). En otras palabras, la masa es una forma de energía, E = mc2, a menudo llamada energía de la masa en reposo (RME). Ahora, la conservación de la energía toma la siguiente forma:KEi + RMEi = KEf + RMEf.

En este ejemplo KEi = 0. Nótese que no es necesario considerar la energía potencial porque los estados inicial y final no interactúan.

Conservación del momento angular
El momento angular (L) implica la posición de la masa (R), así como su velocidad angular, w.

L = m R v = I w

A medida que una estrella colapsa (o una patinadora sobre hielo tira de sus brazos), R se hace más pequeño, Si el momento angular se conserva, o bien m o bien v deben aumentar, cuando R disminuye. Aumentar v para un patinador sobre hielo es mucho más fácil que aumentar m. Un aumento de v permite la conservación de L.

m1 R1 v1= m2 R2 V2

Espín
A veces se oye hablar del «espín» de los electrones u otras partículas.
¿Cómo pueden tener espín las partículas «sin dimensiones»? Y, ¿cómo puede ser una característica intrínseca? Al fin y al cabo, una pelota de béisbol no mantiene su espín cuando la coges.

El artículo Ask the Expert de Scientific American ofrece información sobre el espín y la historia de su nombre.
La búsqueda del transistor de espín de la IEEE analiza el espín y habla de estudios más recientes.

Conservación del número de bariones
Los bariones son hadrones (partículas compuestas por quarks) formados por tres quarks cualesquiera. El número de bariones se conserva en una reacción. Hay que contar cada barión como +1 y cada antibarión como -1. Los no bariones tienen un número de bariones de 0.

p- + p+ no + p- + p+
Es un suceso observado que conserva tanto la carga eléctrica como el número de bariones.

p+ p+ + po
Esto conserva la carga pero no el número de bariones, por lo que no ocurre.

Conservación del número de leptones
Hay seis leptones: tres tienen carga eléctrica y tres, llamados neutrinos, no la tienen. El electrón es el leptón más conocido. El tau y el muon son los otros dos leptones cargados. Cada neutrino está asociado a uno de los leptones cargados.

El número de leptones también se conserva en las reacciones. De nuevo, los leptones tienen un número leptónico de +1, los antileptones tienen -1 y los no leptones tienen 0.

e+ + e-p+ + p-
Este es un evento observado que conserva tanto la carga eléctrica como el número de bariones.

p-e- + g
La carga se conserva, pero el número de leptones no. No hay leptones a la izquierda, pero hay uno a la derecha. Esto no puede ocurrir.

Por si te lo preguntas, NO hay ley de conservación para el tercer tipo de partículas, los mesones, como p.