Protón

Partícula subatómica con carga positiva.

Un protón es una partícula subatómica estable , símbolo
pag
, H + , o ¹ H ^{+ con una} carga eléctrica positiva de +1  e ( carga elemental ). Su masa es ligeramente menor que la masa de un neutrón y 1.836 veces la masa de un electrón (la relación de masa de protón a electrón ). Los protones y neutrones, cada uno con masas de aproximadamente una unidad de masa atómica , se denominan conjuntamente " nucleones " (partículas presentes en los núcleos atómicos).

Uno o más protones están presentes en el núcleo de cada átomo . Proporcionan la fuerza central electrostática de atracción que une los electrones atómicos. El número de protones en el núcleo es la propiedad definitoria de un elemento y se conoce como número atómico (representado por el símbolo Z ). Dado que cada elemento tiene un número único de protones, cada elemento tiene su propio número atómico único, que determina el número de electrones atómicos y, en consecuencia, las características químicas del elemento.

La palabra protón significa "primero" en griego y Ernest Rutherford le dio el nombre al núcleo de hidrógeno en 1920. En años anteriores, Rutherford había descubierto que el núcleo de hidrógeno (conocido por ser el núcleo más ligero) podía extraerse de los núcleos. del nitrógeno por colisiones atómicas. ^[10] Los protones eran, por lo tanto, candidatos a ser partículas fundamentales o elementales y, por lo tanto, componentes básicos del nitrógeno y de todos los demás núcleos atómicos más pesados.

Aunque originalmente los protones se consideraban partículas elementales, en el modelo estándar moderno de física de partículas , ahora se sabe que los protones son partículas compuestas que contienen tres quarks de valencia y, junto con los neutrones , ahora se clasifican como hadrones . Los protones están compuestos por dos quarks arriba de carga +2/3e y un quark down de carga −1/3mi . El resto de las masas de los quarks contribuyen sólo alrededor del 1% de la masa de un protón. ^[11] El resto de la masa de un protón se debe a la energía de unión de la cromodinámica cuántica , que incluye la energía cinética de los quarks y la energía de los campos de gluones que unen a los quarks. Como los protones no son partículas fundamentales, poseen un tamaño mensurable; El radio de carga cuadrático medio de un protón es de aproximadamente 0,84 a 0,87  fm (1 fm =10-15m  ) . ^{_ [12] [13]} En 2019, dos estudios diferentes, que utilizaron técnicas diferentes, encontraron que este radio era de 0,833 fm, con una incertidumbre de ±0,010 fm. ^{[14] [15]}

Ocasionalmente se encuentran protones libres en la Tierra: las tormentas eléctricas pueden producir protones con energías de hasta varias decenas de MeV . ^{[16] [17]} A temperaturas y energías cinéticas suficientemente bajas, los protones libres se unirán a los electrones . Sin embargo, el carácter de dichos protones unidos no cambia y siguen siendo protones. Un protón rápido que se mueve a través de la materia se ralentizará mediante interacciones con electrones y núcleos, hasta que sea capturado por la nube de electrones de un átomo. El resultado es un ion diatómico o poliatómico que contiene hidrógeno. En el vacío, cuando hay electrones libres, un protón suficientemente lento puede captar un único electrón libre, convirtiéndose en un átomo de hidrógeno neutro , que químicamente es un radical 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 neutras (H ₂ ), que son el componente molecular más común de las nubes moleculares en el espacio interestelar .

Los protones libres se utilizan habitualmente en aceleradores para terapia de protones o en diversos experimentos de física de partículas, siendo el ejemplo más potente el Gran Colisionador de Hadrones .

Descripción

Problema no resuelto en física :

¿Cómo transportan los quarks y los gluones el giro de los protones?

(más problemas sin resolver en física)

Los protones giran1/2 fermiones y están compuestos por tres quarks de valencia, ^[18] lo que los convierte en bariones (un subtipo de hadrones ). Los dos quarks arriba y el quark abajo de un protón se mantienen unidos gracias a la fuerza fuerte , mediada por los gluones . ^{[19] : 21–22} Una perspectiva moderna tiene un protón compuesto por los quarks de valencia (arriba, arriba, abajo), los gluones y pares transitorios de quarks marinos . Los protones tienen una distribución de carga positiva, que decae aproximadamente exponencialmente, con un radio de carga cuadrático medio de aproximadamente 0,8 fm. ^[20]

Los protones y los neutrones son ambos nucleones , que pueden unirse entre sí mediante la fuerza nuclear para formar núcleos atómicos . El núcleo del isótopo más común del átomo de hidrógeno (con el símbolo químico "H") es un protón solitario. Los núcleos de los isótopos pesados ​​del hidrógeno, el deuterio y el tritio , contienen un protón unido a uno y dos neutrones, respectivamente. Todos los demás tipos de núcleos atómicos están compuestos por dos o más protones y varios números de neutrones.

Historia

El concepto de una partícula similar al hidrógeno como constituyente de otros átomos se desarrolló durante un largo período. Ya en 1815, William Prout propuso que todos los átomos están compuestos de átomos de hidrógeno (a los que llamó "protilos"), basándose en una interpretación simplista de los primeros valores de los pesos atómicos (ver la hipótesis de Prout ), que fue refutada cuando se obtuvieron valores más precisos. Medido. ^{[21] : 39–42}

Ernest Rutherford en la primera Conferencia Solvay , 1911

Protón detectado en una cámara de niebla de isopropanol

En 1886, Eugen Goldstein descubrió los rayos canal (también conocidos como rayos anódicos) y demostró que eran partículas cargadas positivamente (iones) producidas a partir de gases. Sin embargo, dado que las partículas de diferentes gases tenían diferentes valores de relación carga-masa ( q / m ), no podían identificarse con una sola partícula, a diferencia de los electrones negativos descubiertos por JJ Thomson . Wilhelm Wien en 1898 identificó el ion hidrógeno como la partícula con la mayor relación carga-masa en los gases ionizados. ^[22]

Tras el descubrimiento del núcleo atómico por Ernest Rutherford en 1911, Antonius van den Broek propuso que el lugar de cada elemento en la tabla periódica (su número atómico) es igual a su carga nuclear. Esto fue confirmado experimentalmente por Henry Moseley en 1913 utilizando espectros de rayos X (más detalles en Número atómico en el experimento de Moseley de 1913).

En experimentos de 1917 (reportados en 1919 y 1925), Rutherford demostró que el núcleo de hidrógeno está presente en otros núcleos, un resultado generalmente descrito como el descubrimiento de los protones. ^[23] Estos experimentos comenzaron después de que Rutherford observara que cuando las partículas alfa chocaban con el aire, Rutherford podía detectar el centelleo en una pantalla de sulfuro de zinc producido a una distancia mucho más allá de la distancia del rango de viaje de las partículas alfa, pero que en cambio correspondía al rango de viaje de las partículas alfa. átomos de hidrógeno (protones). ^[24] Después de la experimentación, Rutherford rastreó la reacción hasta el nitrógeno en el aire y descubrió que cuando se introducían partículas alfa en gas nitrógeno puro, el efecto era mayor. En 1919, Rutherford supuso que la partícula alfa simplemente eliminaba un protón del nitrógeno, convirtiéndolo en carbono. Después de observar las imágenes de la cámara de niebla de Blackett en 1925, Rutherford se dio cuenta de que la partícula alfa había sido absorbida. Si la partícula alfa no fuera absorbida, entonces eliminaría un protón del nitrógeno creando 3 partículas cargadas (un carbono con carga negativa, un protón y una partícula alfa). Se puede demostrar ^[25] que las 3 partículas cargadas crearían tres pistas en la cámara de niebla, pero en cambio observamos sólo 2 pistas en la cámara de niebla. La partícula alfa es absorbida por el átomo de nitrógeno. Después de la captura de la partícula alfa, se expulsa un núcleo de hidrógeno, creando un resultado neto de dos partículas cargadas (un protón y un oxígeno con carga positiva) que forman dos pistas en la cámara de niebla. El producto es oxígeno pesado ( ¹⁷ O), no carbono ni flúor. Esta fue la primera reacción nuclear reportada , ¹⁴ N + α → ¹⁷ O + p . Rutherford al principio pensó en nuestra "p" moderna en esta ecuación como un ion hidrógeno, H ⁺ .

Dependiendo de la perspectiva de cada uno, 1919 (cuando se consideró experimentalmente como derivado de otra fuente distinta del hidrógeno) o 1920 (cuando fue reconocido y propuesto como una partícula elemental) pueden considerarse como el momento en que se "descubrió" el protón.

Rutherford sabía que el hidrógeno era el elemento más simple y ligero y estaba influenciado por la hipótesis de Prout de que el hidrógeno era el componente básico de todos los elementos. El descubrimiento de que el núcleo de hidrógeno está presente en otros núcleos como partícula elemental llevó a Rutherford a darle al núcleo de hidrógeno H ⁺ un nombre especial como partícula, ya que sospechaba que el hidrógeno, el elemento más ligero, contenía sólo una de estas partículas. Llamó a este nuevo componente fundamental del núcleo protón , en honor al neutro singular de la palabra griega que significa "primero", πρῶτον . Sin embargo, Rutherford también tenía en mente la palabra protilo tal como la utiliza Prout. Rutherford habló en la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia en su reunión de Cardiff que comenzó el 24 de agosto de 1920. ^{[26] En la reunión,} Oliver Lodge le pidió un nuevo nombre para el núcleo de hidrógeno positivo para evitar confusión con el átomo de hidrógeno neutro. . Inicialmente sugirió tanto protones como proutones (después de Prout). ^[27] Rutherford informó más tarde que la reunión había aceptado su sugerencia de que el núcleo de hidrógeno se llamara "protón", siguiendo la palabra "protilo" de Prout. ^[28] El primer uso de la palabra "protón" en la literatura científica apareció en 1920. ^{[29] [30]}

Estabilidad

Problema no resuelto en física :

¿Son los protones fundamentalmente estables? ¿O decaen con una vida finita como lo predicen algunas extensiones del modelo estándar?

(más problemas sin resolver en física)

El protón libre (un protón no unido a nucleones o electrones) es una partícula estable que no se ha observado que se descomponga espontáneamente en otras partículas. Los protones libres se encuentran naturalmente en una serie de situaciones en las que las energías o temperaturas son lo suficientemente altas como para separarlos de los electrones, por los cuales tienen cierta afinidad. Los protones libres existen en plasmas en los que las temperaturas son demasiado altas para permitirles combinarse con los electrones . Los protones libres de alta energía y velocidad constituyen el 90% de los rayos cósmicos , que se propagan en el vacío a distancias interestelares. Los protones libres se emiten directamente desde los núcleos atómicos en algunos tipos raros de desintegración radiactiva . Los protones también resultan (junto con los electrones y los antineutrinos ) de la desintegración radiactiva de los neutrones libres, que son inestables.

Nunca se ha observado la desintegración espontánea de los protones libres y, por lo tanto, los protones se consideran partículas estables según el modelo estándar. Sin embargo, algunas grandes teorías unificadas (GUT) de la física de partículas predicen que la desintegración de los protones debería tener lugar con vidas entre 10 ³¹ y 10 ³⁶ años. Las búsquedas experimentales han establecido límites inferiores en la vida media de un protón para varios supuestos productos de desintegración. ^{[31] [32] [33]}

Los experimentos realizados en el detector Super-Kamiokande en Japón dieron límites más bajos para la vida media de los protones de6,6 × 10 ³³  años para la desintegración de un antimuón y un pión neutro , y8,2 × 10 ³³  años para la desintegración en un positrón y un pión neutro. ^[34] Otro experimento en el Observatorio de Neutrinos de Sudbury en Canadá buscó rayos gamma resultantes de núcleos residuales resultantes de la desintegración de un protón del oxígeno-16. Este experimento fue diseñado para detectar la desintegración de cualquier producto y estableció un límite inferior para la vida útil del protón de2,1 × 10 ²⁹  años . ^[35]

Sin embargo, se sabe que los protones se transforman en neutrones mediante el proceso de captura de electrones (también llamado desintegración beta inversa ). Para los protones libres, este proceso no ocurre espontáneamente sino sólo cuando se les suministra energía. La ecuación es:

pag⁺
+mi−→
norte
+vmi

El proceso es reversible; Los neutrones pueden volver a convertirse en protones mediante la desintegración beta , una forma común de desintegración radiactiva . De hecho, un neutrón libre se desintegra de esta manera, con una vida media de unos 15 minutos. Un protón también puede transformarse en neutrones mediante desintegración beta plus (desintegración β+).

Según la teoría cuántica de campos , la vida media adecuada de los protones se vuelve finita cuando aceleran con la aceleración adecuada y disminuye al aumentar . La aceleración da lugar a una probabilidad que no desaparece de la transición. ${\displaystyle \tau _{\mathrm {p} }}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle \tau _{\mathrm {p} }}$ ${\displaystyle a}$
pag⁺
→
norte
+
mi⁺
+
v
_mi. Esto fue motivo de preocupación a finales de la década de 1990 porque es un escalar que puede ser medido por observadores inerciales y coacelerados . En el sistema inercial , el protón acelerado debería desintegrarse según la fórmula anterior. Sin embargo, según el observador coacelerado, el protón está en reposo y, por tanto, no debería desintegrarse. Este enigma se resuelve al darse cuenta de que en el marco coacelerado hay un baño termal debido al efecto Fulling-Davies-Unruh , un efecto intrínseco de la teoría cuántica de campos. En este baño termal que experimenta el protón, se encuentran electrones y antineutrinos con los que el protón puede interactuar según los procesos: (i) ${\displaystyle \tau _{\mathrm {p} }}$
pag⁺
+
mi⁻
→
norte
+
v
, (iii)
pag⁺
+
v
→
norte
+
mi⁺
y (iii)
pag⁺
+
mi⁻
+
v
→
norte
. Sumando las aportaciones de cada uno de estos procesos se debe obtener . ^{[36] [37] [38] [39]} ${\displaystyle \tau _{\mathrm {p} }}$

Quarks y la masa de un protón.

En la cromodinámica cuántica , la teoría moderna de la fuerza nuclear, la mayor parte de la masa de los protones y neutrones se explica mediante la relatividad especial . La masa de un protón es aproximadamente 80 a 100 veces mayor que la suma de las masas en reposo de sus tres quarks de valencia , mientras que los gluones tienen masa en reposo cero. La energía extra de los quarks y gluones en un protón, en comparación con la energía en reposo de los quarks solos en el vacío QCD , representa casi el 99% de la masa del protón. La masa en reposo de un protón es, por tanto, la masa invariante del sistema de quarks y gluones en movimiento que forman la partícula y, en tales sistemas, incluso la energía de las partículas sin masa confinadas a un sistema todavía se mide como parte de la masa. masa en reposo del sistema.

Se utilizan dos términos para referirse a la masa de los quarks que forman los protones: la masa del quark actual se refiere a la masa de un quark por sí mismo, mientras que la masa del quark constituyente se refiere a la masa del quark actual más la masa del campo de partículas de gluones que rodea el cuarc. ^{[40] : 285–286  [41] : 150–151} Estas masas suelen tener valores muy diferentes. La energía cinética de los quarks que es consecuencia del confinamiento es un aporte (ver Masa en relatividad especial ). Utilizando cálculos de QCD reticular , las contribuciones a la masa del protón son el condensado de quarks (~9%, que comprende los quarks arriba y abajo y un mar de quarks extraños virtuales), la energía cinética de los quarks (~32%), la energía cinética de los gluones. energía (~37%) y la contribución gluónica anómala (~23%, que comprende contribuciones de condensados ​​de todos los sabores de quarks). ^[42]

La función de onda del modelo de quark constituyente para el protón es

$${\displaystyle \mathrm {|p_{\uparrow }\rangle ={\tfrac {1}{\sqrt {18}}}\left(2|u_{\uparrow }d_{\downarrow }u_{\uparrow }\rangle +2|u_{\uparrow }u_{\uparrow }d_{\downarrow }\rangle +2|d_{\downarrow }u_{\uparrow }u_{\uparrow }\rangle -|u_{\uparrow }u_{\downarrow }d_{\uparrow }\rangle -|u_{\uparrow }d_{\uparrow }u_{\downarrow }\rangle -|u_{\downarrow }d_{\uparrow }u_{\uparrow }\rangle -|d_{\uparrow }u_{\downarrow }u_{\uparrow }\rangle -|d_{\uparrow }u_{\uparrow }u_{\downarrow }\rangle -|u_{\downarrow }u_{\uparrow }d_{\uparrow }\rangle \right)} .}$$

La dinámica interna de los protones es complicada porque está determinada por el intercambio de gluones de los quarks y la interacción con varios condensados ​​de vacío. Lattice QCD proporciona una forma de calcular la masa de un protón directamente a partir de la teoría con cualquier precisión, en principio. Los cálculos más recientes ^{[43] [44]} afirman que la masa se determina con una precisión superior al 4%, incluso con una precisión del 1% (consulte la Figura S5 en Dürr et al. ^[44] ). Estas afirmaciones siguen siendo controvertidas, porque los cálculos aún no se pueden realizar con quarks tan ligeros como lo son en el mundo real. Esto significa que las predicciones se encuentran mediante un proceso de extrapolación , que puede introducir errores sistemáticos. ^[45] Es difícil saber si estos errores se controlan adecuadamente, porque las cantidades que se comparan en el experimento son las masas de los hadrones , que se conocen de antemano.

Estos cálculos recientes se realizan mediante supercomputadoras masivas y, como señalaron Boffi y Pasquini: "todavía falta una descripción detallada de la estructura del nucleón porque... el comportamiento a larga distancia requiere un tratamiento no perturbativo y/o numérico..." ^{[ 46]} Los enfoques más conceptuales de la estructura de los protones son: el enfoque topológico del solitón originalmente debido a Tony Skyrme y el enfoque más preciso AdS/QCD que lo extiende para incluir una teoría de cuerdas de gluones, ^[47] varios modelos inspirados en QCD como el modelo de bolsa y el modelo de quark constituyente , que fueron populares en la década de 1980, y las reglas de suma SVZ , que permiten cálculos aproximados de masa. ^[48] ​​Estos métodos no tienen la misma precisión que los métodos QCD de red de fuerza bruta, al menos no todavía.

Radio de carga

El problema de definir el radio de un núcleo atómico (protón) es similar al problema del radio atómico , en el sentido de que ni los átomos ni sus núcleos tienen límites definidos. Sin embargo, el núcleo se puede modelar como una esfera de carga positiva para la interpretación de experimentos de dispersión de electrones : debido a que no existe un límite definido con el núcleo, los electrones "ven" un rango de secciones transversales, para las cuales se puede tomar una media. . La calificación de "rms" (por " raíz cuadrática media ") surge porque es la sección transversal nuclear, proporcional al cuadrado del radio, la que es determinante para la dispersión de electrones. ^{[ dudoso ]}

El valor internacionalmente aceptado del radio de carga de un protón es0,8768  fm . Este valor se basa en mediciones que involucran un protón y un electrón (es decir, mediciones de dispersión de electrones y cálculos complejos que involucran una sección transversal de dispersión basada en la ecuación de Rosenbluth para la sección transversal de transferencia de momento ) y estudios de los niveles de energía atómica del hidrógeno y el deuterio.

Sin embargo, en 2010 un equipo de investigación internacional publicó una medición del radio de carga de protones mediante el desplazamiento de Lamb en el hidrógeno muónico (un átomo exótico formado por un protón y un muón cargado negativamente ). Como un muón es 200 veces más pesado que un electrón, su longitud de onda de De Broglie es correspondientemente más corta. Este orbital atómico más pequeño es mucho más sensible al radio de carga del protón, por lo que permite una medición más precisa. Su medida del radio de carga cuadrático medio de un protón es "0,841 84 (67) fm , que difiere en 5,0 desviaciones estándar del valor CODATA de0.8768(69) fm ". ^[49] En enero de 2013, un valor actualizado para el radio de carga de un protón—0.840 87 (39) fm —se publicó. La precisión se mejoró 1,7 veces, aumentando la importancia de la discrepancia a 7 σ . ^[13] El ajuste CODATA de 2014 redujo ligeramente el valor recomendado para el radio del protón (calculado utilizando únicamente mediciones de electrones) a0,8751(61) fm , pero esto deja la discrepancia en 5,6 σ .

Si no se encontraron errores en las mediciones o cálculos, habría sido necesario reexaminar la teoría fundamental más precisa y mejor probada del mundo: la electrodinámica cuántica . ^[50] El radio de protones era un misterio en 2017. ^{[51] [52]}

Se llegó a una resolución en 2019, cuando dos estudios diferentes, utilizando diferentes técnicas que involucraban el desplazamiento Lamb del electrón en el hidrógeno y la dispersión electrón-protón, encontraron que el radio del protón era 0,833 fm, con una incertidumbre de ±0,010 fm, y 0,831 fm. ^{[14] [15]}

El radio del protón está relacionado con el factor de forma y la sección transversal de transferencia de momento . El factor de forma atómica G modifica la sección transversal correspondiente al protón puntual.

${\displaystyle {\begin{aligned}R_{\text{e}}^{2}&=-6{{\frac {dG_{\text{e}}}{dq^{2}}}\,{\Bigg \vert }\,}_{q^{2}=0}\\{\frac {d\sigma }{d\Omega }}\ &={{\frac {d\sigma }{d\Omega }}\,{\Bigg \vert }\,}_{\text{point}}G^{2}(q^{2})\end{aligned}}}$

El factor de forma atómica está relacionado con la densidad de la función de onda del objetivo:

${\displaystyle G(q^{2})=\int e^{iqr}\psi (r)^{2}\,dr^{3}}$

El factor de forma se puede dividir en factores de forma eléctricos y magnéticos. Estos se pueden escribir además como combinaciones lineales de factores de forma de Dirac y Pauli. ^[52]

${\displaystyle {\begin{aligned}G_{\text{m}}&=F_{\text{D}}+F_{\text{P}}\\G_{\text{e}}&=F_{\text{D}}-\tau F_{\text{P}}\\{\frac {d\sigma }{d\Omega }}&={{\frac {d\sigma }{d\Omega }}\,{\Bigg \vert }\,}_{NS}{\frac {1}{1+\tau }}\left(G_{\text{e}}^{2}\left(q^{2}\right)+{\frac {\tau }{\epsilon }}G_{\text{m}}^{2}\left(q^{2}\right)\right)\end{aligned}}}$

Presión dentro del protón

Dado que el protón está compuesto de quarks confinados por gluones, se puede definir una presión equivalente que actúa sobre los quarks. Esto permite calcular su distribución en función de la distancia desde el centro utilizando la dispersión Compton de electrones de alta energía (DVCS, por sus siglas en inglés, para dispersión Compton profundamente virtual ). La presión es máxima en el centro, alrededor de 10 ³⁵  Pa, que es mayor que la presión dentro de una estrella de neutrones . ^[53] Es positivo (repulsivo) a una distancia radial de aproximadamente 0,6 fm, negativo (atractivo) a distancias mayores y muy débil más allá de aproximadamente 2 fm.

Radio de carga en protón solvatado, hidronio.

El radio del protón hidratado aparece en la ecuación de Born para calcular la entalpía de hidratación del hidronio .

Interacción de protones libres con materia ordinaria.

Aunque los protones tienen afinidad por electrones con cargas opuestas, se trata de una interacción de energía relativamente baja, por lo que los protones libres deben perder suficiente velocidad (y energía cinética ) para asociarse estrechamente y unirse a los electrones. Los protones de alta energía, al atravesar materia ordinaria, pierden energía por colisiones con núcleos atómicos y por ionización de átomos (eliminando electrones) hasta que se desaceleran lo suficiente como para ser capturados por la nube de electrones en un átomo normal.

Sin embargo, en tal asociación con un electrón, el carácter del protón unido no cambia y sigue siendo un protón. La atracción de protones libres de baja energía hacia cualquier electrón presente en la materia normal (como los electrones de los átomos normales) hace que los protones libres se detengan y formen un nuevo enlace químico con un átomo. Este enlace se produce a cualquier temperatura suficientemente "fría" (es decir, comparable a las temperaturas en la superficie del Sol) y con cualquier tipo de átomo. Así, en interacción con cualquier tipo de materia normal (no plasmática), los protones libres de baja velocidad no permanecen libres sino que son atraídos por los electrones de cualquier átomo o molécula con el que entren en contacto, provocando que el protón y la molécula se combinen. Se dice entonces que estas moléculas están " protonadas " y químicamente son simplemente compuestos de hidrógeno, a menudo cargados positivamente. Como resultado, a menudo se convierten en los llamados ácidos de Brønsted . Por ejemplo, un protón capturado por una molécula de agua en agua se convierte en hidronio , el catión acuoso H ₃ O ⁺ .

Protón en química

Número atómico

En química , se conoce como número atómico al número de protones que hay en el núcleo de un átomo , el cual determina el elemento químico al que pertenece el átomo. Por ejemplo, el número atómico del cloro es 17; esto significa que cada átomo de cloro tiene 17 protones y que todos los átomos con 17 protones son átomos de cloro. Las propiedades químicas de cada átomo están determinadas por el número de electrones (cargados negativamente) , que para los átomos neutros es igual al número de protones (positivos), de modo que la carga total es cero. Por ejemplo, un átomo de cloro neutro tiene 17 protones y 17 electrones, mientras que un anión Cl ⁻ tiene 17 protones y 18 electrones para una carga total de −1.

Sin embargo, no todos los átomos de un elemento determinado son necesariamente idénticos. El número de neutrones puede variar para formar diferentes isótopos , y los niveles de energía pueden diferir, dando como resultado diferentes isómeros nucleares . Por ejemplo, existen dos isótopos estables del cloro :³⁵
₁₇CL
con 35 − 17 = 18 neutrones y³⁷
₁₇CL
con 37 − 17 = 20 neutrones.

ion hidrógeno

El protio, el isótopo más común del hidrógeno, está formado por un protón y un electrón (no tiene neutrones). El término "ion hidrógeno" ( H⁺
) implica que ese átomo de H ha perdido su único electrón, lo que provoca que solo quede un protón. Así, en química, los términos "protón" e "ion hidrógeno" (para el isótopo de protio) se utilizan como sinónimos.

El protón es una especie química única, al ser un núcleo desnudo. Como consecuencia de ello, no tiene existencia independiente en estado condensado e invariablemente se encuentra unido por un par de electrones a otro átomo.

Ross Stewart, El protón: aplicación a la química orgánica (1985, p. 1)

En química, el término protón se refiere al ion hidrógeno, H⁺
. Dado que el número atómico del hidrógeno es 1, un ion de hidrógeno no tiene electrones y corresponde a un núcleo desnudo, que consta de un protón (y 0 neutrones para el isótopo más abundante, el protio) . 1 1h). El protón es una "carga desnuda" con sólo aproximadamente 1/64.000 del radio de un átomo de hidrógeno, por lo que es extremadamente reactivo químicamente. Por tanto, el protón libre tiene una vida extremadamente corta en sistemas químicos como los líquidos y reacciona inmediatamente con la nube de electrones de cualquier molécula disponible. En solución acuosa, forma el ion hidronio , H ₃ O ⁺ , que a su vez es solvatado por moléculas de agua en grupos como [H ₅ O ₂ ] ⁺ y [H ₉ O ₄ ] ⁺ . ^[54]

La transferencia de H⁺
en una reacción ácido-base se suele denominar "transferencia de protones". Al ácido se le llama donador de protones y a la base aceptor de protones. Asimismo, términos bioquímicos como bomba de protones y canal de protones se refieren al movimiento de H hidratado.⁺
iones.

El ion producido al eliminar el electrón de un átomo de deuterio se conoce como deuterón, no protón. Asimismo, quitar un electrón de un átomo de tritio produce un tritón.

Resonancia magnética nuclear de protones (RMN)

También en química, el término " RMN de protones " se refiere a la observación de núcleos de hidrógeno-1 en moléculas (en su mayoría orgánicas ) mediante resonancia magnética nuclear . Este método utiliza el momento magnético de espín cuantificado del protón, que se debe a su momento angular (o espín ), que a su vez tiene una magnitud de la mitad de la constante de Planck reducida . ( ). El nombre se refiere al examen de los protones tal como aparecen en el protio (átomos de hidrógeno-1) en los compuestos, y no implica que existan protones libres en el compuesto que se está estudiando. ${\displaystyle \hbar /2}$

Exposición humana

Los Paquetes de Experimentos de la Superficie Lunar del Apolo (ALSEP) determinaron que más del 95% de las partículas del viento solar son electrones y protones, en números aproximadamente iguales. ^{[55] [56]}

Debido a que el espectrómetro de viento solar realizó mediciones continuas, fue posible medir cómo el campo magnético de la Tierra afecta las partículas de viento solar que llegan. Durante aproximadamente dos tercios de cada órbita, la Luna está fuera del campo magnético de la Tierra. En aquella época, una densidad típica de protones era de 10 a 20 por centímetro cúbico, y la mayoría de los protones tenían velocidades de entre 400 y 650 kilómetros por segundo. Durante unos cinco días de cada mes, la Luna está dentro de la cola geomagnética de la Tierra y, por lo general, no se detectan partículas de viento solar. Durante el resto de cada órbita lunar, la Luna se encuentra en una región de transición conocida como funda magnética , donde el campo magnético de la Tierra afecta al viento solar, pero no lo excluye por completo. En esta región, el flujo de partículas es reducido, con velocidades típicas de protones de 250 a 450 kilómetros por segundo. Durante la noche lunar, el espectrómetro estuvo protegido por la Luna del viento solar y no se midieron partículas de viento solar. ^[55]

Los protones también tienen origen extrasolar a partir de los rayos cósmicos galácticos , donde constituyen alrededor del 90% del flujo total de partículas. Estos protones suelen tener mayor energía que los protones del viento solar, y su intensidad es mucho más uniforme y menos variable que la de los protones provenientes del Sol, cuya producción se ve muy afectada por eventos de protones solares como las eyecciones de masa coronal .

Se han realizado investigaciones sobre los efectos de la tasa de dosis de los protones, que normalmente se encuentran en los viajes espaciales , en la salud humana. ^{[56] [57]} Para ser más específicos, hay esperanzas de identificar qué cromosomas específicos están dañados y definir el daño durante el desarrollo del cáncer debido a la exposición a protones. ^[56] Otro estudio busca determinar "los efectos de la exposición a la irradiación de protones en criterios de valoración neuroquímicos y conductuales, incluido el funcionamiento dopaminérgico , el aprendizaje de aversión al gusto condicionado inducido por anfetaminas y el aprendizaje espacial y la memoria medidos por el laberinto acuático de Morris . ^[57] También se ha propuesto estudiar la carga eléctrica de una nave espacial debido al bombardeo interplanetario de protones.58 ^Hay muchos más estudios relacionados con los viajes espaciales, incluidos los rayos cósmicos galácticos y sus posibles efectos sobre la salud , y la exposición a eventos de protones solares .

Los experimentos de viaje espacial estadounidense Biostack y soviético Biorack han demostrado la gravedad del daño molecular inducido por iones pesados ​​en microorganismos , incluidos los quistes de Artemia . ^[59]

Antiprotón

La simetría CPT impone fuertes limitaciones a las propiedades relativas de partículas y antipartículas y, por lo tanto, está abierta a pruebas rigurosas. Por ejemplo, las cargas de un protón y un antiprotón deben sumar exactamente cero. Esta igualdad ha sido probada en una parte en10 ⁸ . La igualdad de sus masas también se ha probado a más de una parte en10 ⁸ . Al mantener antiprotones en una trampa de Penning , se ha probado la igualdad de la relación carga-masa de protones y antiprotones en una parte en6 × 10 ⁹ . ^[60] El momento magnético de los antiprotones se ha medido con un error de8 × 10 ⁻³ magnetones nucleares de Bohr , y se encuentra que es igual y opuesto al de un protón. ^[61]

Ver también

• Portal de física

• campo fermiónico
• Hidrógeno
• Hidrón (química)
• Lista de partículas
• Cadena protón-protón
• modelo de quarks
• Crisis del giro de protones
• Terapia de protones

Referencias

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Otras lecturas

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enlaces externos

• Medios relacionados con protones en Wikimedia Commons
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• Gran Colisionador de Hadrones
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• Proyecto de visualización de protones del MIT:
  • Dentro del protón, 'la cosa más complicada que puedas imaginar', revista Quanta , 19 de octubre de 2022
  • Visualizando el protón, artes en el MIT, 2022