Partícula puntual - Point particle

Una partícula puntual ( partícula ideal o partícula puntual , a menudo deletreada partícula puntual ) es una idealización de partículas muy utilizada en física . Su característica definitoria es que carece de extensión espacial ; al ser adimensional , no ocupa espacio . Una partícula puntual es una representación apropiada de cualquier objeto siempre que su tamaño, forma y estructura sean irrelevantes en un contexto dado. Por ejemplo, desde lo suficientemente lejos, cualquier objeto de tamaño finito se verá y se comportará como un objeto puntual. Una partícula puntual también se puede referir en el caso de un cuerpo en movimiento en términos de física.

En la teoría de la gravedad , los físicos a menudo discuten un masa puntual , es decir, una partícula puntual con unamasadistintadeceroy sin otras propiedades o estructura. Asimismo, enelectromagnetismo, los físicos discuten uncarga puntual , una partícula puntual con unacargadistinta de cero.

A veces, debido a combinaciones específicas de propiedades, los objetos extendidos se comportan como puntos incluso en su vecindad inmediata. Por ejemplo, los objetos esféricos que interactúan en un espacio tridimensional cuyas interacciones están descritas por la ley del cuadrado inverso se comportan como si toda su materia estuviera concentrada en sus centros de masa . En la gravitación newtoniana y el electromagnetismo clásico , por ejemplo, los campos respectivos fuera de un objeto esférico son idénticos a los de una partícula puntual de igual carga / masa ubicada en el centro de la esfera.

En mecánica cuántica , el concepto de partícula puntual se complica por el principio de incertidumbre de Heisenberg , porque incluso una partícula elemental , sin estructura interna, ocupa un volumen distinto de cero. Por ejemplo, la órbita atómica de un electrón en el átomo de hidrógeno ocupa un volumen de ~ 10-30 m 3 . No obstante, existe una distinción entre partículas elementales, como electrones o quarks , que no tienen una estructura interna conocida, frente a partículas compuestas , como los protones , que sí tienen estructura interna: un protón está formado por tres quarks.

Las partículas elementales a veces se denominan "partículas puntuales", pero esto es en un sentido diferente al discutido anteriormente.

Propiedad concentrada en un solo punto

Cuando una partícula puntual tiene una propiedad aditiva, como masa o carga, concentrada en un solo punto en el espacio, esto se puede representar mediante una función delta de Dirac .

Masa puntual física

Un ejemplo de masa puntual graficada en una cuadrícula . La masa gris se puede simplificar a una masa puntual (el círculo negro ). Resulta práctico representar la masa puntual como un círculo pequeño , o un punto, ya que un punto real es invisible.

La masa puntual ( masa puntual ) es el concepto, por ejemplo en la física clásica , de un objeto físico (típicamente materia ) que tiene una masa distinta de cero y, sin embargo, explícita y específicamente es (o se piensa o modela como) infinitesimal (infinitamente pequeño) en su volumen o dimensiones lineales .

Solicitud

Un uso común de la masa puntual radica en el análisis de los campos gravitacionales . Al analizar las fuerzas gravitacionales en un sistema, resulta imposible dar cuenta de cada unidad de masa individualmente. Sin embargo, un cuerpo de simetría esférica afecta gravitacionalmente a los objetos externos como si toda su masa estuviera concentrada en su centro.

Masa del punto de probabilidad

Una masa puntual en probabilidad y estadística no se refiere a masa en el sentido de la física, sino que se refiere a una probabilidad finita distinta de cero que se concentra en un punto de la distribución de masa de probabilidad , donde hay un segmento discontinuo en una función de densidad de probabilidad . Para calcular dicha masa puntual, se lleva a cabo una integración en todo el rango de la variable aleatoria , sobre la densidad de probabilidad de la parte continua. Después de igualar esta integral a 1, la masa puntual se puede encontrar mediante cálculos adicionales.

Cargo puntual

Potencial escalar de una carga puntual poco después de salir de un imán dipolo, moviéndose de izquierda a derecha.

Una carga puntual es un modelo idealizado de una partícula que tiene carga eléctrica . Una carga puntual es una carga eléctrica en un punto matemático sin dimensiones.

La ecuación fundamental de la electrostática es la ley de Coulomb , que describe la fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales. El campo eléctrico asociado con una carga puntual clásica aumenta hasta el infinito a medida que la distancia desde la carga puntual disminuye hacia cero, lo que hace que la energía (por lo tanto, la masa) de la carga puntual sea infinita .

El teorema de Earnshaw establece que una colección de cargas puntuales no puede mantenerse en una configuración de equilibrio únicamente por la interacción electrostática de las cargas.

En mecánica cuántica

Un protón es una combinación de dos quarks arriba y un quark abajo , unidos por gluones .

En mecánica cuántica , existe una distinción entre una partícula elemental (también llamada "partícula puntual") y una partícula compuesta . Una partícula elemental, como un electrón , un quark o un fotón , es una partícula sin estructura interna conocida. Mientras que una partícula compuesta, como un protón o un neutrón , tiene una estructura interna (ver figura). Sin embargo, ni las partículas elementales ni las compuestas están localizadas espacialmente, debido al principio de incertidumbre de Heisenberg . El paquete de ondas de partículas siempre ocupa un volumen distinto de cero. Por ejemplo, ver orbital atómico : el electrón es una partícula elemental, pero sus estados cuánticos forman patrones tridimensionales.

Sin embargo, hay una buena razón por la que una partícula elemental a menudo se llama partícula puntual. Incluso si una partícula elemental tiene un paquete de ondas deslocalizado, el paquete de ondas puede ser representado como una superposición cuántica de estados cuánticos en el que la partícula se localiza exactamente. Además, las interacciones de la partícula se pueden representar como una superposición de interacciones de estados individuales que están localizados. Esto no es cierto para una partícula compuesta, que nunca puede representarse como una superposición de estados cuánticos exactamente localizados. Es en este sentido que los físicos pueden discutir el "tamaño" intrínseco de una partícula: el tamaño de su estructura interna, no el tamaño de su paquete de ondas. El "tamaño" de una partícula elemental, en este sentido, es exactamente cero.

Por ejemplo, para el electrón, la evidencia experimental muestra que el tamaño de un electrón es menor que 10-18 m. Esto es consistente con el valor esperado de exactamente cero. (Esto no debe confundirse con el radio clásico del electrón , que, a pesar del nombre, no está relacionado con el tamaño real de un electrón).

Ver también

notas y referencias

Notas

Bibliografía

Otras lecturas