| Protón p, p+, N+ |
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Estructura de cuarks de un protón. |
| Composición | 2cuark arriba, 1cuark abajo |
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| Familia | Fermión |
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| Grupo | Hadrón |
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| Interacción | Gravedad,Débil,Nuclear fuerte oElectromagnética |
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| Antipartícula | Antiprotón |
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| Teorizada | William Prout (1815) |
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| Descubierta | observado como H+ porEugen Goldstein (1886); identificado en otros núcleos (y nombrado) porErnest Rutherford (1917-1920) |
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| Masa | 1,672 621 923 69 × 10−27kg[1]
938,272 088 16(29)MeV/c2[1] 1,007 276 466 621(53)Da[1] |
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| Vida media | 3,6 × 1029 años[2] |
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| Carga eléctrica | 1e
1,602 176 634 × 10–19C[1] |
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| Radio de carga | 0,8414(19)fm[1] |
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| Dipolo eléctrico | <5,4 × 10−24 e·cm |
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| Polarizabilidad | 1,20(6) × 10−3 fm³ |
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| Momento magnético | 2,792 847 344 63(82)μN[1] |
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| Polarizabilidad magnética | 1,9(5) × 10−4 fm³ |
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| Espín | 1⁄2 |
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| Isospín | 1⁄2 |
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| Paridad | +1 |
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| Condensado | I(JP) = 1/2(1/2+) |
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En física, elprotón (delgriego πρῶτον,prōton 'primero') es unapartícula subatómica con unacarga eléctrica elemental positiva 1 (1,6 × 10-19C), que es igual envalor absoluto y de signo contrario a la del electrón, y una masa 1836 veces superior a la de unelectrón. Suantipartícula, elantiprotón, tiene carga negativa -1.
Se ve el protón como estable, con un límite inferior en suvida media de unos 3,6 × 1029 años, aunquealgunas teorías predicen que el protón puede desintegrarse en otras partículas.[3] Originalmente se pensó que el protón era unapartícula elemental, pero desde la década de 1970 existe una evidencia sólida de que es una partícula compuesta. Para lacromodinámica cuántica el protón es una partícula formada por la unión estable de trescuarks.[4]
El protón y elneutrón, en conjunto, se conocen comonucleones, ya que conforman el núcleo de los átomos. En un átomo, el número de protones en el núcleo determina las propiedades químicas del átomo y quéelemento químico es. Elnúcleo delisótopo más común delátomo dehidrógeno (también el átomo estable más simple posible) está formado por un único protón. Al tener igual carga, los protones se repelen entre sí. Sin embargo, pueden estar agrupados por la acción de lafuerza nuclear fuerte, que a ciertas distancias es superior a la repulsión de lafuerza electromagnética. No obstante, cuando el átomo es grande (como los átomos deuranio), la repulsión electromagnética puededesintegrarlo progresivamente.[5]
Aunque originalmente los protones se consideraban partículas elementales, en el modernoModelo Estándar de lafísica de partículas, se sabe que los protones son partículas compuestas, que contienen trescuark de valencia, y junto con losneutrones se clasifican ahora comohadrones. Los protones están formados por doscuarks up de carga +2/3e y uncuark down de carga -1/3e. El resto de la masa de un protón se debe a laenergía de enlace de la cromodinámica cuántica, que incluye laenergía cinética de los cuarks y la energía de los camposgluón que unen a los cuarks. Dado que los protones no son partículas fundamentales, poseen un tamaño medible; el radio cuadrático medio de un protón es de aproximadamente 0,84-0,87 fm (1 fm = 10-15m).[6][7] En 2019, dos estudios diferentes, utilizando técnicas distintas, encontraron que este radio era de 0. 833 fm, con una incertidumbre de ±0,010 fm.[8][9]
Los protones libres se producen ocasionalmente en la Tierra: las tormentas eléctricas pueden producir protones con energías de hasta varias decenas deMeV.[10] A temperaturas y energías cinéticas suficientemente bajas, los protones libres se unen aelectrones. Sin embargo, el carácter de estos protones ligados no cambia y siguen siendo protones. Un protón rápido que se mueve a través de la materia se ralentizará por interacciones con electrones y núcleos, hasta que es capturado por lanube de electrones de un átomo. El resultado es un átomo protonado, que es uncompuesto químico de hidrógeno. En el vacío, cuando hay electrones libres, un protón suficientemente lento puede captar un solo electrón libre, convirtiéndose en unátomo de hidrógeno neutro, que químicamente es unradical libre. Estos "átomos de hidrógeno libres" tienden a reaccionar químicamente con muchos otros tipos de átomos a energías suficientemente bajas. Cuando los átomos de hidrógeno libres reaccionan entre sí, forman moléculas de hidrógeno neutro (H2), que son el componente molecular más común de lasnubes moleculares en elespacio interestelar.
Los protones libres se utilizan habitualmente en aceleradores paraterapia de protones o en diversos experimentos de física de partículas, siendo el ejemplo más potente elGran Colisionador de Hadrones.
Generalmente se le acredita aErnest Rutherford el descubrimiento del protón. En el año 1919 Rutherford descubrió que cuando se disparan partículas alfa contra un gas denitrógeno, susdetectores de centelleo muestran los signos de núcleos dehidrógeno. Rutherford determinó que el único sitio del cual podían provenir estos núcleos era del nitrógeno y que por tanto el nitrógeno debía contener núcleos de hidrógeno. Por estas razones Rutherford sugirió que el núcleo de hidrógeno, del que en la época se sabía que sunúmero atómico era 1, debía ser una partícula fundamental.[11]
Antes queRutherford, en 1886,Eugene Goldstein había observadorayos catódicos compuestos por iones cargados positivamente. Después del descubrimiento del electrón porJ.J. Thomson, Goldstein sugirió que, puesto que el átomo era eléctricamente neutro, el mismo debía contener partículas cargadas positivamente. Goldstein usó los rayos canales y pudo calcular la razón carga/masa. Encontró que dichas razones cambiaban cuando variaban los gases que usaba en el tubo de rayos catódicos. Lo que Goldstein creía que eran protones resultaron ser iones positivos. Sin embargo, sus trabajos fueron largamente ignorados por la comunidad de físicos.
Los protones en física de partículas
[editar]Las últimas observaciones experimentales, ponen el radio del protón en 8,4184 × 10-16 m.[12][13]
- Radio del protón = 2 h / (π c mp+) = 8,41235641483227·10-16 m
- Radio del protón = 2 λp+ / π = 8,41235641483233·10-16 m
Los protones no se consideran partículas elementales, sino partículas compuestas por trespartículas elementales deespín 1/2:[16] doscuarks arriba y un cuark abajo, las cuales también están unidas por la fuerza nuclear fuerte mediada porgluones. La masa de estos tres cuarks solo supone un 1 % de la masa del protón.[17] El resto proviene del cómputo de la energía de enlace al considerar el mar de gluones y los pares cuark-anticuark que los rodean.[18] La evidencia de que el protón no era una partícula elemental sino compuesta proviene de experimentos realizados durante los años 1970 que dieron lugar al modelo departones, después reformulado dentro de lacromodinámica cuántica.[4]
En cuanto a su clasificación, los protones son partículas deespín 1/2, por lo tantofermiones (partículas de espín semientero). Al experimentar la interacción nuclear fuerte se dice que sonhadrones, y dentro del conjunto de hadrones,bariones, que es como se designa a los hadrones que a su vez son fermiones.
Al ser los protones los bariones más ligeros, la conservación del número bariónico nos llevaría a conjeturar su estabilidad. De hecho, ladesintegración espontánea de los protones libres nunca ha sido observada. Sin embargo, algunas teorías que no conservan el número bariónico, entre las que se encuentran lasteorías de la gran unificación, predicen procesos del tipo:
- p → e+ + π0
- p → μ + π0
donde un protón se desintegraría, hipotéticamente, en un positrón y en unpion neutro; o en un muon y un pion neutro.
Distintos montajes experimentales buscaron estas hipotéticas desintegraciones sin éxito en enormes cámaras subterráneas llenas de agua. El detector de partículasSuper-Kamiokande en Japón, aunque no encontró ninguno de estos sucesos, estableció experimentalmente límites inferiores a la vida media de un protón del orden de 1033 años.[19]
Elantiprotón es laantipartícula del protón. Se conoce también como protón negativo. Se diferencia del protón en que su carga es negativa y en que no forma parte de los núcleos atómicos. Elantiprotón es estable en el vacío y no se desintegra espontáneamente. Sin embargo, cuando un antiprotón colisiona con un protón, ambas partículas se transforman enmesones, cuya vida media es extremadamente breve (véaseRadiactividad). Si bien la existencia de esta partícula elemental se postuló por primera vez en la década de 1930, el antiprotón no se identificó hasta 1955, en el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California, porEmilio Segre yOwen Chamberlain, razón por la cual se les concedió elPremio Nobel de Física en 1959.
Los protones en química
[editar]Enquímica, el número de protones del núcleo de un átomo se conoce comonúmero atómico (Z), y determina el elemento químico al que pertenece el átomo. Por ejemplo, el número atómico del cloro es 17, de modo que todo átomo de cloro tiene 17 protones y todos los átomos con 17 protones son átomos de cloro. Las propiedades químicas de cada átomo se determinan por el número de electrones, lo que para los átomos neutros es igual a la cantidad de protones para que la carga total sea cero. Por ejemplo, un átomo de cloro neutro tiene 17 protones y 17 electrones, mientras que un ion de cloro Cl- tiene 17 protones y 18 electrones, por lo que resulta una carga total de -1. Todos los átomos de un elemento dado no son necesariamente idénticos, ya que el número de neutrones puede variar para formar los diferentesisótopos, y los niveles de energía pueden variar en la formación de diferentes isómeros nucleares.
Enfísica yquímica, el términoprotón puede referirse alcatión de hidrógeno (H+). En este contexto, un emisor de protones es unácido, y un receptor de protones unabase. Esta especie, H+, es inestable endisolución, por lo que siempre se encuentra unida a otros átomos. En soluciones acuosas forma el ionhidronio uoxonio (H3O+), donde el protón está unido de forma covalente a una molécula de agua. En este caso se dice que se encuentra hidratado, pero también pueden existir especies de hidratación superior.
Aplicaciones tecnológicas
[editar]Los protones tienen unespín intrínseco. Esta propiedad se aprovecha en laespectroscopia deresonancia magnética nuclear (RMN). En esta técnica, a una sustancia se le aplica un campo magnético para detectar la corteza alrededor de los protones en los núcleos de esta sustancia, que proporcionan las nubes de electrones colindantes. Puede usarse posteriormente esta información para reconstruir la estructura molecular de una molécula bajo estudio; este sigue siendo llamado un protón en cualquier tipo de enlace que se quiera establecer.
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