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Protón

Para otros usos de este término, véase Protón (desambiguación).

En física, el protón (del griego πρῶτον, prōton 'primero') es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental positiva 1 (1,6 × 10-19 C), igual en valor absoluto y de signo contrario a la del electrón, y una masa 1836 veces superior a la de un electrón.

Protón p, p+, N+

Estructura de quarks de un protón.
Composición 2 quark arriba, 1 quark abajo
Familia Fermión
Grupo Hadrón
Interacción Gravedad, Débil, Nuclear fuerte o Electromagnética
Antipartícula Antiprotón
Teorizada William Prout (1815)
Descubierta observado como H+ por Eugen Goldstein (1886); identificado en otros núcleos (y nombrado) por Ernest Rutherford (1917-1920)
Masa 1,672 621 898×10−27 kg
938,272 013(23) MeV/c2 1.007276466812 uma
Vida media > 1035 años
Carga eléctrica 1,602 176 487 × 10–19 C
Radio de carga 0,875(7) fm
Dipolo eléctrico <5,4×10−24 e·cm
Polarizabilidad 1,20(6)×10−3 fm³
Momento magnético 2,792847351(28) μN
Polarizabilidad magnética 1,9(5)×10−4 fm³
Espín 1⁄2
Isospín 1⁄2
Paridad +1
Condensado I(JP) = 1/2(1/2+)

Se ve el protón como estable, con un límite inferior en su vida media de unos 1035 años, aunque algunas teorías predicen que el protón puede desintegrarse en otras partículas.​ Originalmente se pensó que el protón era una partícula elemental, pero desde la década de 1970 existe una evidencia sólida de que es una partícula compuesta. Para la cromodinámica cuántica el protón es una partícula formada por la unión estable de tres quarks.

El protón y el neutrón, en conjunto, se conocen como nucleones, 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 qué elemento químico es. El núcleo del isótopo más común del átomo de hidrógeno (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 la fuerza nuclear fuerte, que a ciertas distancias es superior a la repulsión de la fuerza electromagnética. No obstante, cuando el átomo es grande (como los átomos de uranio), la repulsión electromagnética puede desintegrarlo progresivamente.

Índice

Generalmente se le acredita a Ernest Rutherford el descubrimiento del protón. En el año 1918 Rutherford descubrió que cuando se disparan partículas alfa contra un gas de nitrógeno, sus detectores de centelleo muestran los signos de núcleos de hidrógeno. 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 su número atómico era 1, debía ser una partícula fundamental.

Antes que Rutherford, en 1886, Eugene Goldstein había observado rayos catódicos compuestos por iones cargados positivamente. Después del descubrimiento del electrón por J.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.

Radio del protón

Las últimas observaciones experimentales, ponen el radio del protón en 8,4184 × 10-16 m.

  • Radio del protón = 2 h / (π c mp+) = 8,41235641483227·10-16 m
  • Radio del protón = 2 λp+ / π = 8,41235641483233·10-16 m

Descripción

Los protones no se consideran partículas elementales, sino partículas compuestas por tres partículas elementales de espín 1/2:​ dos quarks arriba y un quark abajo, las cuales también están unidas por la fuerza nuclear fuerte mediada por gluones. La masa de estos tres quarks solo supone un 1 % de la masa del protón.​ El resto proviene del cómputo de la energía de enlace al considerar el mar de gluones y los pares quark-antiquark que los rodean.​ 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 de partones, después reformulado dentro de la cromodinámica cuántica.

En cuanto a su clasificación, los protones son partículas de espín 1/2, por lo tanto fermiones (partículas de espín semientero). Al experimentar la interacción nuclear fuerte se dice que son hadrones, y dentro del conjunto de hadrones, bariones, que es como se designa a los hadrones que a su vez son fermiones.

Estabilidad

Al ser los protones los bariones más ligeros, la conservación del número bariónico nos llevaría a conjeturar su estabilidad. De hecho, la desintegración espontánea de los protones libres nunca ha sido observada. Sin embargo, algunas teorías que no conservan el número bariónico, entre las que se encuentran las teorías 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 un pion 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 partículas Super-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.

Antiprotón

El antiprotón es la antipartícula 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. El antiprotón es estable en el vacío y no se desintegra espontáneamente. Sin embargo, cuando un antiprotón colisiona con un protón, ambas partículas se transforman en mesones, cuya vida media es extremadamente breve (véase Radiactividad). 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, por Emilio Segre y Owen Chamberlain, razón por la cual se les concedió el Premio Nobel de Física en 1959.

Número atómico

En química, el número de protones del núcleo de un átomo se conoce como número 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 diferentes isótopos, y los niveles de energía pueden variar en la formación de diferentes isómeros nucleares.

Catión hidrógeno

Artículo principal: Hidrón

En física y química, el término protón puede referirse al catión de hidrógeno (H+). En este contexto, un emisor de protones es un ácido, y un receptor de protones una base. Esta especie, H+, es inestable en disolución, por lo que siempre se encuentra unida a otros átomos. En soluciones acuosas forma el ion hidronio u oxonio (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

Los protones tienen un espín intrínseco. Esta propiedad se aprovecha en la espectroscopia de resonancia 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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Protón
protón, partícula, subatómica, carga, eléctrica, elemental, positiva, idioma, vigilar, editar, para, otros, usos, este, término, véase, desambiguación, física, protón, griego, πρῶτον, prōton, primero, partícula, subatómica, carga, eléctrica, elemental, positiv. Proton particula subatomica con una carga electrica elemental positiva Idioma Vigilar Editar Para otros usos de este termino vease Proton desambiguacion En fisica el proton del griego prῶton prōton primero es una particula subatomica con una carga electrica elemental positiva 1 1 6 10 19 C igual en valor absoluto y de signo contrario a la del electron y una masa 1836 veces superior a la de un electron Proton p p N Estructura de quarks de un proton Composicion2 quark arriba 1 quark abajoFamiliaFermionGrupoHadronInteraccionGravedad Debil Nuclear fuerte o ElectromagneticaAntiparticulaAntiprotonTeorizadaWilliam Prout 1815 Descubiertaobservado como H por Eugen Goldstein 1886 identificado en otros nucleos y nombrado por Ernest Rutherford 1917 1920 Masa1 672 621 898 10 27 kg 1 938 272 013 23 MeV c2 1 007276466812 umaVida media gt 1035 anosCarga electrica1 602 176 487 10 19 CRadio de carga0 875 7 fmDipolo electrico lt 5 4 10 24 e cmPolarizabilidad1 20 6 10 3 fm Momento magnetico2 792847351 28 mNPolarizabilidad magnetica1 9 5 10 4 fm Espin1 2Isospin1 2Paridad 1CondensadoI JP 1 2 1 2 editar datos en Wikidata Se ve el proton como estable con un limite inferior en su vida media de unos 1035 anos aunque algunas teorias predicen que el proton puede desintegrarse en otras particulas 2 Originalmente se penso que el proton era una particula elemental pero desde la decada de 1970 existe una evidencia solida de que es una particula compuesta Para la cromodinamica cuantica el proton es una particula formada por la union estable de tres quarks 3 El proton y el neutron en conjunto se conocen como nucleones ya que conforman el nucleo de los atomos En un atomo el numero de protones en el nucleo determina las propiedades quimicas del atomo y que elemento quimico es El nucleo del isotopo mas comun del atomo de hidrogeno tambien el atomo estable mas simple posible esta formado por un unico proton Al tener igual carga los protones se repelen entre si Sin embargo pueden estar agrupados por la accion de la fuerza nuclear fuerte que a ciertas distancias es superior a la repulsion de la fuerza electromagnetica No obstante cuando el atomo es grande como los atomos de uranio la repulsion electromagnetica puede desintegrarlo progresivamente 4 Indice 1 Historia 2 Los protones en fisica de particulas 2 1 Radio del proton 2 2 Descripcion 2 3 Estabilidad 2 4 Antiproton 3 Los protones en quimica 3 1 Numero atomico 3 2 Cation hidrogeno 3 3 Aplicaciones tecnologicas 4 Vease tambien 5 Referencias 6 Enlaces externosHistoria EditarGeneralmente se le acredita a Ernest Rutherford el descubrimiento del proton En el ano 1918 Rutherford descubrio que cuando se disparan particulas alfa contra un gas de nitrogeno sus detectores de centelleo muestran los signos de nucleos de hidrogeno Rutherford determino que el unico sitio del cual podian provenir estos nucleos era del nitrogeno y que por tanto el nitrogeno debia contener nucleos de hidrogeno Por estas razones Rutherford sugirio que el nucleo de hidrogeno del que en la epoca se sabia que su numero atomico era 1 debia ser una particula fundamental 5 Antes que Rutherford en 1886 Eugene Goldstein habia observado rayos catodicos compuestos por iones cargados positivamente Despues del descubrimiento del electron por J J Thomson Goldstein sugirio que puesto que el atomo era electricamente neutro el mismo debia contener particulas cargadas positivamente Goldstein uso los rayos canales y pudo calcular la razon carga masa Encontro que dichas razones cambiaban cuando variaban los gases que usaba en el tubo de rayos catodicos Lo que Goldstein creia que eran protones resultaron ser iones positivos Sin embargo sus trabajos fueron largamente ignorados por la comunidad de fisicos Los protones en fisica de particulas EditarRadio del proton Editar Las ultimas observaciones experimentales ponen el radio del proton en 8 4184 10 16 m 6 7 Radio del proton 2 h p c mp 8 41235641483227 10 16 m Radio del proton 2 lp p 8 41235641483233 10 16 mh es la constante de Planck p es 3 14159265358979 c es la velocidad de la luz mp es la masa del proton 1 lp es la longitud de onda Compton del proton 8 Descripcion Editar Los protones no se consideran particulas elementales sino particulas compuestas por tres particulas elementales de espin 1 2 9 dos quarks arriba y un quark abajo las cuales tambien estan unidas por la fuerza nuclear fuerte mediada por gluones La masa de estos tres quarks solo supone un 1 de la masa del proton 10 El resto proviene del computo de la energia de enlace al considerar el mar de gluones y los pares quark antiquark que los rodean 11 La evidencia de que el proton no era una particula elemental sino compuesta proviene de experimentos realizados durante los anos 1970 que dieron lugar al modelo de partones despues reformulado dentro de la cromodinamica cuantica 3 En cuanto a su clasificacion los protones son particulas de espin 1 2 por lo tanto fermiones particulas de espin semientero Al experimentar la interaccion nuclear fuerte se dice que son hadrones y dentro del conjunto de hadrones bariones que es como se designa a los hadrones que a su vez son fermiones Estabilidad Editar Al ser los protones los bariones mas ligeros la conservacion del numero barionico nos llevaria a conjeturar su estabilidad De hecho la desintegracion espontanea de los protones libres nunca ha sido observada Sin embargo algunas teorias que no conservan el numero barionico entre las que se encuentran las teorias de la gran unificacion predicen procesos del tipo p e p0 p m p0 donde un proton se desintegraria hipoteticamente en un positron y en un pion neutro o en un muon y un pion neutro Distintos montajes experimentales buscaron estas hipoteticas desintegraciones sin exito en enormes camaras subterraneas llenas de agua El detector de particulas Super Kamiokande en Japon aunque no encontro ninguno de estos sucesos establecio experimentalmente limites inferiores a la vida media de un proton del orden de 1033 anos 12 Antiproton Editar El antiproton es la antiparticula del proton Se conoce tambien como proton negativo Se diferencia del proton en que su carga es negativa y en que no forma parte de los nucleos atomicos El antiproton es estable en el vacio y no se desintegra espontaneamente Sin embargo cuando un antiproton colisiona con un proton ambas particulas se transforman en mesones cuya vida media es extremadamente breve vease Radiactividad Si bien la existencia de esta particula elemental se postulo por primera vez en la decada de 1930 el antiproton no se identifico hasta 1955 en el Laboratorio de Radiacion de la Universidad de California por Emilio Segre y Owen Chamberlain razon por la cual se les concedio el Premio Nobel de Fisica en 1959 Los protones en quimica EditarNumero atomico Editar En quimica el numero de protones del nucleo de un atomo se conoce como numero atomico Z y determina el elemento quimico al que pertenece el atomo Por ejemplo el numero atomico del cloro es 17 de modo que todo atomo de cloro tiene 17 protones y todos los atomos con 17 protones son atomos de cloro Las propiedades quimicas de cada atomo se determinan por el numero de electrones lo que para los atomos neutros es igual a la cantidad de protones para que la carga total sea cero Por ejemplo un atomo 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 atomos de un elemento dado no son necesariamente identicos ya que el numero de neutrones puede variar para formar los diferentes isotopos y los niveles de energia pueden variar en la formacion de diferentes isomeros nucleares Cation hidrogeno Editar Articulo principal Hidron En fisica y quimica el termino proton puede referirse al cation de hidrogeno H En este contexto un emisor de protones es un acido y un receptor de protones una base Esta especie H es inestable en disolucion por lo que siempre se encuentra unida a otros atomos En soluciones acuosas forma el ion hidronio u oxonio H3O donde el proton esta unido de forma covalente a una molecula de agua En este caso se dice que se encuentra hidratado pero tambien pueden existir especies de hidratacion superior Aplicaciones tecnologicas Editar Los protones tienen un espin intrinseco Esta propiedad se aprovecha en la espectroscopia de resonancia magnetica nuclear RMN En esta tecnica a una sustancia se le aplica un campo magnetico para detectar la corteza alrededor de los protones en los nucleos de esta sustancia que proporcionan las nubes de electrones colindantes Puede usarse posteriormente esta informacion para reconstruir la estructura molecular de una molecula bajo estudio este sigue siendo llamado un proton en cualquier tipo de enlace que se quiera establecer Vease tambien EditarFisica de particulas Anexo Tabla de particulasReferencias Editar a b Fundamental Physical Constants Proton mass National Institute of Standards and Technology NIST Consultado el 30 de abril de 2016 Decaimiento del Proton HyperPhysics Consultado el 30 de abril de 2016 a b Feynman R P 1969 The Behavior of Hadron Collisions at Extreme Energies Gordon amp Breach pp 237 249 ISBN 978 0 677 13950 0 La desintegracion radioactiva Universidad del Pais Vasco Consultado el 30 de abril de 2016 Rutherford E 1919 LIV Collision of a particles with light atoms IV An anomalous effect in nitrogen Philosophical Magazine Series 6 37 222 doi 10 1080 14786440608635919 Consultado el 30 de abril de 2016 Que tan grande es el proton El Gluon Las grandes preguntas de la Fisica UNAM 2010 Consultado el 30 de abril de 2016 Randolf Pohl Aldo Antognini Francois Nez Fernando D Amaro Francois Biraben Joao M R Cardoso Daniel S Covita Andreas Dax Satish Dhawan Luis M P Fernandes Adolf Giesen Thomas Graf Theodor W Hansch Paul Indelicato Lucile Julien Cheng Yang Kao Paul Knowles Eric Olivier Le Bigot Yi Wei Liu Jose A M Lopes Livia Ludhova Cristina M B Monteiro Francoise Mulhauser Tobias Nebel Paul Rabinowitz et al 8 de julio de 2010 The size of the proton Nature 466 213 216 doi 10 1038 nature09250 Consultado el 30 de abril de 2016 Fundamental Physical Constants Proton Compton wavelength National Institute of Standards and Technology NIST Consultado el 30 de abril de 2016 R K Adair 1989 The Great Design Particles Fields and Creation Oxford University Press p 214 Mass of the Common Quark Finally Nailed Down sciencemag org 2 de abril de 2010 Consultado el 30 de abril de 2016 S Durr1 Z Fodor J Frison C Hoelbling R Hoffmann S D Katz S Krieg T Kurth L Lellouch T Lippert K K Szabo G Vulvert 2008 Ab initio determination of Light Hadron Masses Science 322 5905 1224 1227 doi 10 1126 science 1163233 Consultado el 30 de abril de 2016 H Nishino et al Kamiokande collaboration 2009 Search for Proton Decay via p e p0 and p m p0 in a Large Water Cherenkov Detector Physical Review Letters 102 141801 Bibcode 2009PhRvL 102n1801N doi 10 1103 PhysRevLett 102 141801 Enlaces externos Editar Wikimedia 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