36.- El núcleo atómico y el modelo estándar

8/12/2019 36.- El ncleo atmico y el modelo estndar

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6 El ncleo atmico y el modelo estndar


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Nad ie e nte nd i muy bi en por qu raz n Rurherfo rd haba empezado a fantasear co n probab ilidades ra n exticassin que viniera mucho a cuento.Pero entre los asisten te s a la co nfe ren

cia estaba Jam es Chadwick, un joven -sico que co laboraba con Rurh erford yque se tom en se rio las di vagaci ones desu maes tro. Pens que Rutherford es taba postulando una pa rtcula neutra, unanueva partcul a qu e podra ll am ar seneut rn.Durante mucho tiempo Chadwick se

dedi c a persegu ir al neutrn sin ning n resul cado. Pero en e l otoo de193 0, el fsico al emn W Bothe, ayud ado po r un jove n investigador , H . Bec ker, observ que el be ril io (el cuar to elemento de la Tabl a Peridi ca ) al se rbombar deado por una fuen te radiactivaem ita un a ra diacin muy penetrantequ e sup uso qu e era radiacin gamma,un o de lo s productos de la des int egr acin ra diac tiva. Pero esta radiacingamma era dem as iado pe netrante, mucho ms qu e cualquie r ra diacin gamma co nocid a hasca en tonces.Cha dwick se enter de estos res ultados ,

y s e ent er cambin de lo que ocu rr i po O ms de un a o d espus , en Pars. A ll,en diciembr e de 193 1, Ir en e Curie -la hi-ja de la gra n Mara Curie- y su es poso,Frdric jolior, repitieron los e xp erimentOS de Berln, y el 18 de enero de 193 2publicaron en las actas de la Academ ia deCien cia s un resultado so rprende nt e: la radiacin del berilio er a t potent e que

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lgo ll mdo neutrnRurherford, qu e de joven hab a cosechad o pa pas, co noca a la perfeccin e lantigu o con sejo de no dorm irse sob relos prorones, co nsej o til si los ha y. no se durmi.Hac ia jun io de 1920, cuando pronu nc i su con fe rencia ante la Roya l Sociec y

de Londres , Rutherford ya er a un o de loshroe s de la f sica. La di sertacin , sin embar go, no la dedi c a su aclamado mode lo del tomo sino qu e comenz habl an dode la transmutacin del tomo de hidrge no, lu ego hizo una reca pitu lac in so breel es tado de la f sica en el momento, ydes pus, y sin pr evio aviso , se pu so a div g r sobre la es tructura de l n c leo atmico. Im agin un ncleo neut ro, un nl eo de hi dr g en o sin c arg a e lctrica . Unaes pecie de asociaci n ent re un protn yun electrn peg ado s qu e anular an m utuamen ee sus cargas y compusiera n una-es pecie de sistema de carga cero, un tomone ut ro. No le pareca para nada im posible la existencia de un objero semejante .Este tom o, dijo, tendra no vedosa spro piedades : su campo e l ctr ico seria ce ro , y por lo tanto se move ra con much acomodidad por dentro de la materia. Podr a meterse di rec tamente de nt ro de la es tructu ra de otros t omos y se ria un a herramienta ide al p ara e xplora r la materia.

poderos a que el rechazo el c tr ico. Perop ara entrar en este tema tenemos quehab la r, a ntes , de la se gu nda gran partcula d el n c leo atmico.

s an te ci licio; cuat ro , beril io; seis,ca rbo no. i el oro no es lo m ismo que elhi erro , es porque el hierro tiene vein ti s is protones en su ncleo y el oro setent a y nu eve . S i uno tiene un tomo dehierro y le ag rega 53 protones , tieneun o de oro. Eso es todo.A s, c ada elemento de la Tabl a Peri

di ca tiene un nmero de protones qu elo ident if ica, que se llam a nmero atm ico y es lo m ismo que nombre.Uno pu ed e decir el emento 1 o hidrgen o, elemento 26 o hierro . Norm al ment e, el nmero atm ico se escribeabajo a la izquierda del nombr e del elemento: H , 26 Fe. E l nmero at mico(e s deci r, el nmero de pr ot ones) es e ldocum ento de idenci dad del elemento.Aho ra fjense qu e si uno pu ede y sepu ede) agreg arle pr otones a l n c leo deu n d emento y obtener otro ... est re al iza ndo una transmutacin e l sueo deli ranre de los alquimistasAdems, observen tambin que si lo s

n cleos so n ag reg ado s de pr otones y ca da protn es un ncleo de hid rg en o,Pro ut no andaba tan equivocado cuandoen 1815 su pu so qu e todos los tomoseran agregados de tomos de hidr geno.Hay un pequ eo pr ob lema, sin em

bar go. Los pr oto nes , qu e estn apelotona dos en el ncleo, tienen todos cargasel ctr icas positivas, razn suficiente par aque pensemos que debera n r ec ha za rs elos un os a los otro s. Por qu, ent onces ,no se des pa rraman? La razn es que estn unidos por una fuerza mucho ms

El tomo de Rutherfordl tomo de Thomson


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gracias a ella ste no se desparrama en undelirio electromagntico. All donde hayaque juntar dos cargas de igual signo, lafuerza nuclear fuerte es altamente recomendable. Es la ms poderosa de las cuarro fuerzas y la que garantiza la estabilidad de la materia.

Y, en fin, hay una cuarta fuerza, lafuerza nuclear dbil, que no provocaatracciones ni rechazos, sino que actaen determinados procesos radiactivos,como la radiacin beta (en que los ncleos expulsan electrones a gran velocidad), o hacen a veces estallar un neutrn en un protn, un electrn y unneutrino. Es una fuerza mucho ms dbil que la nuclear fuerte o que la electromagntica (aunque ms potente quela gravitatoria) y, de las cuatro, probablemente la de menor status.

Y punto. La fuerza gravitatoria, laelectromagntica, la nuclear fuerte y lanuclear dbil bastan para explicar todoslos fenmenos de la fsica. Es una realidad bastante simple; sin duda, pero losfsicos suean con encontrar una superfuerza nica que lo explique todo, unaGran Fuerza Unificada de la cual lascuatro existentes sean aspectos parciales.Y aunque esa meta parece estar lejos rodava, algo se ha avanzado en l camino:en 1967, Steven Weinberg y Abdus Salam consiguieron unificar la fuerza electromagntica y la nuclear dbil en unasola: la fuerza elecrrodbil Fue un enormepaso adelante- en la persecucin deuna teora unificada.

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niosa. Y as y todo, es la mas dbilde rodas las fuerzas. Es triste, pero es verdad.

La gravitacin parece muy pobrecuando se la compara con la fuerzaelectromagntica: sta es un billn debillones de billones de veces ms poderosa. Aunque lo que gana en fuerza. lopierde en universalidad. ya que solamente acta all donde hay cargas elctricas o campos magnticos. Es la quehace que dos cuerpos con cargas de distinto signo se atraigan y que dos cuerpos con carga de igual signo se rechacen, es la que mueve las limaduras dehierro hacia el imn, la que mantiene alos electrones ligados al ncleo atmico, la responsable de que los tomos secombinen formando molculas, y quelas molculas se enlacen entre s.P er o estas dos fuerzas, solas, no bastaran. En e ncleo de los tomos convivenpartculas co~ cargas de igual signo sinque la fuerza electromagntica -que lesordena rechazarse-Ias haga salir disparando unas de otras. Si esto ocurre as, esporque una tercera fuerza, ms poderosaan que la electromagntica, brilla en elfondo de la materia y es capaz de vencerel rechazo elctrico. Es la fuerza nuclearfuerte, cien veces ms intensa que l electromagntica, y que ata a los protones y alos neutrones del ncleo atmico entre s,y que dentro de los neutrones.y protonesamarra a los quarks -las partculas fundamenralsimas que los forman, a las cualesya nos referiremos-. Aunque de corto alcance, e imperceptible fuera del ncleo,

Que la compleja arquitectura del universo est basada en solamente cuatrofuerzas que se encargan de mantener enpie y en funcionamiento todo lo existente es sin duda asombroso. recinen los ltimos ochenta os el esquemaqued completo.

Primero, la fuerza gravitacional, lafuerza que nos adosa a la Tierra y nos dota de peso, la que mantiene a los planetasen sus rbitas y agrupa a las galaxias engrandes cmulos. Su universalidad esverdaderamente espeluznante: todos loscuerpos ejercen atraccin gravitatoria sobre todos los otros cuerpos, sin excepcin. Es la amalgama csmica que mantiene unido al universo, es bella y armo-

C ua tro h ijuelo s hubo el r eycua tr o h iju elo s que no

Romance popular espafi.ol

Las cuatro fuerzas

U~~ nos dice que el uranio, de nmeroatmico 92 (con 92 protones por lotanto), tiene 235 partculas en total. Esdecir, 235-92 143 neutrones. El U ~~es otro istopo o variante del uranio, esca vez con 146 neutrones.

Los neutrones juegan un papel cenrral en la estabilidad de ncleo atmico. Sin los neutrones, probablemente enl mundo no habra nada ms que hidrgeno. Para comprender esto, hablemos primero de las cuatro fuerzas queexisten en el mundo.

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dijeron: Yentonces, qu haremos? Yel dios pens un poco contest: Inventar algo para que todo quede en sulugar, y desaparezcan los brazosy laspiernas de ms, yel mundo est un poco ms ordenado.E invent la guerra. Y en las guerrasque se sucedieron, se cortaron los brazosy las piernas que sobraban lentamentelascosasvolvieron a la normalidad, si esque esosepuede llamar normalidad.Algoparecido ocurri con los ncleosatmicos, pero de manera menos expeditiva, ya que la burocracia del universo,aunque menos personal, esms compleja. Poco despusdel BigBang-la explosin que dio origena lUniverso- empezaron a formarse los ncleos:hidrgeno,helio y ncleos livianos; luego, apenasseencendieron lasprimeras estrellas,en suinterior se cocinaron los ncleos mspesados. Peroen aquellos tiempos primarios, el Universo tenia poca experienciaylos ncleosse formaron caside cualquiermanera, juntando proeonesy neutronesa la fuerza.Algunos ncleos quedaroncon neutrones de ms, a [f S les faltaron neutrones, los de ms all quedaroncon ms energa de la que pueden soportar y en su interior las partculas empezaron a agitarsey moverse.Otros ncleos,en fin, tuvieron la suerte de tenerla configuracin ptima que las leyesdela naturaleza permiten.Lo cierro es que, inmediatamente, losncleos inestables -los mal formadosinventaron un mecanismo de corree-

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n repaso la radiactividadLesvaya camar una leyenda guaranque acabo de inventar: cuando todos shombres y lasmujeres tambin) estuvieron formados, se presentaron anteGuande-, el dios responsablede esosasuntos, y le dijeron: Fjareque nos hicieron de manera apresurada, y as algunos tienen muchos brazosy otros ninguno, y algunos tienen dos cabezasyotros marchan con los ojos pelados, ysobran por aqu losojos, y por all faltan orejas. No podras hacer algo msequitativo?. El dios contest: No. Yatermin el mameneode la creacin nada puede rernediarse. los hombres

so de neutrones o de protones, no sobrevive. Eso y no otra cosa) esel fenmeno al que llamamos radiactividad.den sobrevivir en la lucha por la existencia. Pero aqu no rige la ley del msapto, sino las estrictas exigencias de lafsica: para cada nmero de pro rones,hay un nmero ptimo de neutronesque permite que el ncleo s en el nivel de energa ms bajo posible.

Todo, en el mundo, trata de alcanzar el nivel de energa ms bajo posibley de desprenderse de la energa que lesobra. Una piedra en lo alro de unamontaa trata de caer de perderenerga potencial. O, si se quiere unejemplo ms prosaico, un chico, quecuando estmuy excitado se mueve molesta a sus padres hasta que agota suenerga, se cansay se duerme. comola leyes la ley -yen la naturaleza no haycoimas ni corrupcin que permitan esquivarla- cuando un ncleo tiene exce-


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L a unidad que se usa habitualmente es el joule -comohomenaje a James PrescorrJoule, uno de los descubridoresde la ley de conservacin de la energa-. Como el kilo, elmetro y el segundo, un joule essolamenre una unidad: es laenerga que cuesta aplicar una fuerzade un kilo a lo largode diez centmetros, o la que se necesita para que un cuerpode un kilo que est quieto alcance, en un segundo, una velocidad de un metro por segundo. s poco, realmente: encender un fsforo implica unaenerga de cuatro mil joules;caminar durante una hora requiere un milln de joules. Una tonelada de TNT que explota involucra cuatrocientos miJlones. L a bomba de Hiro-

shima, ochenta millones de millones; la erupcin de un volcn, un milln de billones.Una bornbita de cien warr, prendida durante una hora,consume cien joules. Una copa de leche nos entrega 159caloras, es decir 670 mil joules. L a bomba de Hiroshimaliber una energa equivalente a 12 mil millones de copasde leche.Un tomo de uranio que se parte libera solamente unacienmilsima de una millonsima parte de un joule. Parecemuy poco, pero en un gramo de uranio hay muchsimostomos. Un hombre joven necesita unas 3000 calorasporda, que el cuerpo transforma en movimiento y calor.

s unid des en que se mide l energ

esa energa mecnica a su vezse transform en energaelctrica. Cuandohierve una pava de agua, la energa calrica entregada por la llama se transforma en energa cintica -de movimiento- de lasmolculas del lquido, que semueven cada vezms rpido y escapanen forma de vapor. El mundo es un escenario donde permanentemente lasformas de energa se intercambian. Ascomo loscientficos del sigloxvn pensaban el mundo como un enorme mecanismo que se da cuerda a s mismo,los fsicosdel sigloXIX, una vezasentada la idea de energa como concepto esrructurante de la fsica,se imaginaban almundo como un motor con la energaen el papel del combustible aunque adiferencia del combustible, la energano se gasta, sino que se transforma -y si

L a historia del hombre es la historiade su relacin con la energay la formade dominarla. L a primera forma primaria de utilizacin de la energa fue elcontrol del fuego. El sigloXVIII presenci la domesticacin del vapor, capazde mover telaresy pistones: el resultadofue la revolucin industrial. En el sigloXIX, el motor de explosin produjo larevolucin de los transportes. La utilizacin masiva de la energa elctricacambi la vida de la humanidad.La energa, como la materia, se transforma. En una lmpara elctrica, laenerga elctrica se transforma en energa luminosa. En las turbinas hidroelctricas que generaron esaelectricidad, laenerga cintica del agua que caa por lacatarata se transform en la energa mecnica del movimiento de las turbinas, y

hierro, el carbono que invisiblelateen elpetrleo, el papely nuestroscuerpos. Elmundo de la materia es nuestro mundo:vemosuna montaa, vemosel agua,vemos el vapor que seescapade la ducha,sentimos al aire refrescarla piel. Las estrellasy los rboles, losprotones y los pjaros, loselectronesy lasvscerasson claramente materia. Peroslo tenemos unaidea vaga de lo que es la energa.El mundo se mueve, cambia, choca,chisporrotea. lo que permite que lascosasdel mundo se transformen es laenerga, que esms difcil y elusivaquela materia. La energa es la capacidad deproducir transformaciones: desplazarmateria, transformar agua en vapor, subir una roca hasta lo alto de una montaa, mantener encendida una lmparaelctrica, quemar un leo, caminar.

del siglo X X se lo imaginabancomo un motor con la energaen el papel del combustible

As como los cientficos del sigloXV pensaban el mundo comoun enorme mecanismo, los fsicos


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Un personaje extrao:el neutnnoEsta es un a his toria que se parece a lade Dirac y e l pos itr n. des in tegraci nra diactiva , en es pec ia l la desin tegr acinbeta , te nia un se rio problem a: al final delpro ce so haba siempre un poco menos deenerg a q ue a l p rincipio , de modo que elb a lance energtico no se equilibra ba. Unaciert a cantidad de energa se e s fumabapor completo, violando el sacrosantoprin cipio de conservacin. Qu ocurracon la energa f iU tan te?Algo ha ba qu ehacer al r especto, y f ue en tonc es cuandoapa reci en esce na Wol fang Pauli, o tr o delos hroes de La poca de or o de la fsic a, e se perodo entre 1900 y 1940 en cua l se lo gr se crey que se logrdes entraar la es tructu ra del tomo.

De modo qu e la antirnateria existe, s ,y aunque las antipardcul as son altamente evanescent es (en muy poco tiempoch ocan con tr a la m ateria y se aniquilan), pres tan una not able contribucin ala medicina, por ej em plo con la T omografa de Emisin de Positrones .ys i l a materia y la antimateria no se

aniquilan en gran es ca la , destruyend o eluniv erso, es solamente porq ue ha y muypoca antimareria, Slo por e so . Y si haypoc a ancimater ia es porque ya hubo unaaniquilacin a e sc ala c sm ica : fue en lostempr anos mom entos del un iverso, enlos cuales un ligero e xc es o de la materiasobre la an t irnateria nos salv (o mejordicho: nos perm iti) la vid a .

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ex pulsa da de los crculos selectos , la sasociaciones y los clubes de par tcul as .

Pero qu quiere decir antipartcul a?P or qu el electrn y el positrn, elprot n y e l antiprotn, el neut rn y elantineutrn son anri , cada uno delot ro, en vez de tra ta rse sencillamente dedo s pac fica s partcul a s diferentes ?

Por que esa op osicin irremediable? respuesta es tr is te, pero v erdadera:ante tod o, la s partcul a s y su s re spectivasantipartcul a s son idnticas, sa lvo en sucarga elctrica , cuando la ha y. y tambindifieren en a lg o q ue llama spin , y quegruesamente -muy gruesamente- pued ein terp retarse como la ca pacidad de rotarsobre s m isma. Y esta d if er enc ia d is ta dese r superf icia l: una danza y un a contr a danza pueden suce derse sin in co nvenie ntes ; en E l rte la Fuga e l i nf init oJo hann Seb ast ian Bach nos muestra ex tra a s composi cio nes en espejo (fu ga s yco ntrafugas) yel conjun to es marav il loso. Pero entr e la mate ria y la a ntim a ter iano puede haber ninguna cl ase de co mponenda s. Cuando una partcula y unaantipartcul a entra n en contacto , a disSencil lamente se aniq uilan: desa parec eto da materialidad y se volatilizan en untorrent e de radiacin gamma.

E s posible ta mbin el proceso in verso :en cualquier laborato rio de medi cin anuclear un rayo gamma em itido por elcobalto 60 ch oca, de repent e, co n untomo de plomo. Y ent once s la energadel rayo gam ma se materializa en unelec trn y un antielec trn.

hada falta un a partcula de carga positi va, pero ms parecida l el ec tr n: en1931 D ira c di o marcha atrs con su pr opuesta pro tni ca y sugir i que e sa solucin extra a correspond a a una partcula ex actamente ig ua l a l electr n en todo ,salvo en un detalle: su carga, que se rapositiv a . Una especie de antielectrn .

E ra una prediccin terica , una co njetu ra , y nada ms. Pero a veces la s conje tu ra s p are ce n t ener vida propia: en setiembre de 1932, C arl D . Anders on, unjo ven f si co experimenta l del Ins ti ru to deFsica de California , envi a la revistaScience u n a rtcul o dond e contaba que,estudiando los ray os c sm icos, haba encontr ado un a partcula ca rgada posit iva m ente y con un a masa compara ble a lade l electrn. In creb lemente, era el n-ti elecrrn ima gin ad o te rica ment e porD irac, al que le fu e co ncedido el no demasia do original nom bre de positrn.Su desc ub ridor fue el prim er hombrequ e vio antimareria , que de manera sut il h aba hec ho su aparicin en un mundo m uy se gu ro d e su materialidad,

Des pu s , n at ura lmente, la anrimateriaarreci. E n 1955 se vio por primera vezel anti protn y, casi inmediatament e, elantineutrn. E n los g ra ndes aceleradoresse logr prod ucir t omos de anrihidrge no: un anti ele ct r n g ira ndo a lrededorde un antiprotn. En realid ad, hoy end a t od as l as p a rt cula s tienen su correspo nd ient e anriparrcula . Una partcul asin antipartcula perdera instantneament e to da consid eracin soc ial, ser a

Cuando una partcula unaantipartcula entran en contacto,adis Sencillamente seaniquilan: desaparece todamaterialidad se volatilizan enun torrente de radiacin gamma


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Colabor en este fascculoNicols Olszevicki.

estructuras ms complejas como unprotn, un tomo, una molcula, estefascculo o su lector.La interaccin fuerte, la dbil, el electromagnetismo y la gravitacin funcionan, hasta donde se sabe, a travs de parculas, aunque una de ellas, la que transportara la fu erza de gravedad (el gravitn) an no pudo ser detectada a pesarde los tremendos esfuerzos por hacerlo.El modelo estndar podra parecersimple (o m o r dicho, ordenado). Claro, siempre y cuando no hubiera nadams. Pero extraamente, en un mundoque parece amar la simplicidad, aparecen de manera constante y fu gaz otraspartculas huidizas, aunque la gran mayora tiene una estabilidad tan endebleque si logran crearse espontneamenteno sobreviven en los laboratorios msque unas pocas fracciones de segundos(en el mejor de los casos).

En apariencia, hasta aqu se lleg y eslo ltimo que se puede encontrar en elinterior de la materia. As y todo, paraque el modelo estndar cierre de manera definitiva, falta algo: la famosa partcula divina.

Mientras escribo esto, la estn buscando en el CERN (el Supercolisionador de hadrones, llamado la mquinade Dios).

rndar, que refleja lo ms profundoque se lleg a conocer sobre la estructura de la materia. es as: la materia observable, una mo

lcula de agua un fragmento deADN oun caballo, est formada bsicamente portomos que miden un diezmillonsimode milmetro de dimetro. A su vez, lostomos estn formados por electronesque giran muy lejos de un ncleo central,de dimetro diez mil vecesms chico, deun cienmilsimo de millonsimo de rnil-metro. Pero el ncleo est formado porprotones y neutrones diez veces ms diminutos (menos de un millonsimo demillonsimo de m ilmetro . Yesos protones y neutrones a su vez estn formadospor partculas ms de cien mil veces mspequeas: los quarks, de menos de uncienmilsimo de millonsimo de millonsimo de milmetro de dimetro.

Los seis tipos distintos de quarks,combinados de a tres o de a dos, pueden dar una variedad enorme de otraspartculas intermedias, como los mesones y los piones. Por otro Jado estn losleptones, que no estn formados porquarks: e l electrn, el mun (una especie de electrn ms pesado), la partculatau, y tres clases de neutrinos, que aparentemente s son elementales.

Pero con esto no alcanza: hay queagregar las partculas que tranSportanlas cuatro fuerzas que mantienen a lostrocitos de materia unidos y sin las cuales quarks y leptones flotaran sueltos

l modelo estndr experiencia de todo un siglo y losquarks de Gell-Mann permitieron cons

ban cuenta de todas las partculas conocidas hasta el momento: dos quarks up yuno down formaban un protn; dosdown y uno up, un neutrn; smesonesy piones se formaban con dos quarks.

El electrn y su no muy numerosafamilia (en la cual se cuentan los muones, la partcula tau y unos tipos especficos de neutrinos), en cambio, eran losnicos que no estaban compuestos porquarks y que parecan verdaderamenteelementales.

Gell-Mann, como siempre, se cuidde aclarar que sus quarks eran entidadesmeramente especulativas, objetos matemticos, pero (tambin como siempre,o como casi siempre) en 1968, los fsicos de gr n Acelerador Lineal de Stanford bombardeando protones (una operacin a escala aun ms reducida del f -moso experimento de Rutherford),comprobaron que dentro del protn haba, efectivamente, tres partculas mspequeas. rueda no se detuvo all yfueron apareciendo nuevos insospechados quarks: hoy se conocen seis (ysus respectivos antiquarks, claro est).

La verdad es que se haba recorridoun largo camino desde aquellos primitivos tomos de tierra, agua, aire fuegode Empdocles que se unan simplemente por amor y discordia.

La ta bla depanculaselem en tales.

Las tres generacioness de laMateria Fermiones

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36.- El núcleo atómico y el modelo estándar