Protón
Definición
 El contenido del quark de un protón. La asignación de color de los quarks individuales es arbitraria, pero los tres colores deben estar presentes. Las fuerzas entre los quarks están mediadas por gluones. | |
Uno o más protones están presentes en el núcleo de cada átomo; ellos son una parte necesaria del núcleo. El número de protones en el núcleo es la propiedad definitoria de un elemento, y se conoce como el número atómico (representado por el símbolo Z). Como cada elemento tiene una cantidad única de protones, cada elemento tiene su propio número atómico único.
La palabra protón es griega para "primero", y este nombre le fue dado al núcleo de hidrógeno por Ernest Rutherford en 1920. En años anteriores, Rutherford había descubierto que el núcleo de hidrógeno (conocido por ser el núcleo más liviano) podía extraerse de los núcleos de nitrógeno por colisiones atómicas. Por lo tanto, los protones eran candidatos para ser una partícula fundamental y, por lo tanto, un elemento constitutivo del nitrógeno y de todos los demás núcleos atómicos más pesados.
En el moderno Modelo Estándar de la física de partículas, los protones son hadrones, y como los neutrones, el otro nucleón (partículas presentes en los núcleos atómicos) está compuesto por tres quarks. Aunque originalmente se consideraba que los protones eran partículas fundamentales o elementales, ahora se sabe que están compuestos por tres quarks de valencia: dos arriba de quarks de carga +2/3 e y uno abajo de quark de carga -1/3 e. Sin embargo, las masas restantes de los quarks solo contribuyen con alrededor del 1% de la masa de un protón. 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 físico, aunque no definitivo; el radio de carga cuadrático medio de la raíz de un protón es de aproximadamente 0.84-0.87 fm o 0,84 × 10 a 0,87 × 10 m .
A temperaturas suficientemente bajas, los protones libres se unirán a los electrones. Sin embargo, el carácter de tales protones enlazados no cambia, y siguen siendo protones. Un protón rápido que se mueve a través de la materia se ralentizará por las interacciones con los electrones y los núcleos, hasta que sea capturado por la nube electrónica de un átomo. El resultado es un átomo protonado, que es un compuesto químico de hidrógeno. En el vacío, cuando hay presentes 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. Tales "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 neutros (H 2), que son el componente molecular más común de las nubes moleculares en el espacio interestelar.
Descripción
 | Problema sin resolver en física : ¿Cómo los quarks y los gluones llevan el giro de los protones? |
Los protones y los neutrones son ambos nucleones, que pueden estar unidos por 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 de hidrógeno pesado deuterio y tritio contienen un protón unido a uno y dos neutrones, respectivamente. Todos los otros tipos de núcleos atómicos están compuestos de dos o más protones y varios números de neutrones.
Historia
El concepto de una partícula similar al hidrógeno como un constituyente de otros átomos se desarrolló durante un largo período. Ya en 1815, William Prout propuso que todos los átomos están compuestos por átomos de hidrógeno (que denominó "protilos"), basándose en una interpretación simplista de los primeros valores de pesos atómicos (ver la hipótesis de Prout), que se refutó cuando se utilizaron valores más precisos. mesurado.
En 1886, Eugen Goldstein descubrió los rayos del canal (también conocidos como rayos del ánodo) y demostró que eran partículas con carga positiva (iones) producidas a partir de gases. Sin embargo, dado que las partículas de diferentes gases tenían diferentes valores de relación carga-masa (e / 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 de hidrógeno como la partícula con mayor relación de carga a masa en los gases ionizados.
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.
En 1917 (en experimentos reportados en 1919), Rutherford demostró que el núcleo de hidrógeno está presente en otros núcleos, un resultado generalmente descrito como el descubrimiento de protones. Rutherford había aprendido antes a producir núcleos de hidrógeno como un tipo de radiación producida como un producto del impacto de las partículas alfa en el gas nitrógeno, y los reconoce por su firma única de penetración en el aire y su apariencia en los detectores de centelleo. Estos experimentos se iniciaron cuando Rutherford se dio cuenta de que, cuando las partículas alfa se disparaban al aire (principalmente nitrógeno), sus detectores de centelleo mostraban las firmas de núcleos típicos de hidrógeno como producto. Después de la experimentación, Rutherford rastreó la reacción al nitrógeno en el aire, y descubrió que cuando los alfas se producían en nitrógeno gaseoso puro, el efecto era mayor. Rutherford determinó que este hidrógeno podría provenir únicamente del nitrógeno y, por lo tanto, el nitrógeno debe contener núcleos de hidrógeno. Un núcleo de hidrógeno estaba siendo destruido por el impacto de la partícula alfa, produciendo oxígeno-17 en el proceso. Esta fue la primera reacción nuclear informada, N + α → O + p. (Esta reacción se observaría más tarde sucediendo directamente en una cámara de niebla en 1925).
Rutherford sabía que el hidrógeno era el elemento más simple y más ligero y se vio 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 todos los otros núcleos como una partícula elemental llevó a Rutherford a darle al núcleo de hidrógeno un nombre especial como partícula, ya que sospechaba que el hidrógeno, el elemento más ligero, contenía solo una de estas partículas. Él nombró a este nuevo bloque de construcción fundamental del núcleo como el protón, después del singular neutro de la palabra griega para "primero", πρῶτον. Sin embargo, Rutherford también tenía en mente la palabra protyle según lo utilizado por 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. Oliver Lodge le pidió a Rutherford un nuevo nombre para el núcleo de hidrógeno positivo para evitar la confusión con el átomo de hidrógeno neutral. Inicialmente sugirió tanto el protón como el prouton (después de Prout). Rutherford informó más tarde que la reunión había aceptado su sugerencia de que el núcleo de hidrógeno se llamara "protón", siguiendo la palabra de Prout "protyle". El primer uso de la palabra "protón" en la literatura científica apareció en 1920.
Investigaciones recientes han demostrado que las tormentas eléctricas pueden producir protones con energías de hasta varias decenas de MeV.
Los protones se usan de forma rutinaria para aceleradores para terapia de protones o para varios experimentos de física de partículas, y el ejemplo más poderoso es el Gran Colisionador de Hadrones.
En un documento de julio de 2017, los investigadores midieron la masa de un protón en 1.007 276 466 583 +15
-29 unidades de masa atómica (los valores entre paréntesis son las incertidumbres estadísticas y sistemáticas, respectivamente), que es inferior a las mediciones del CODATA 2014 valor por tres desviaciones estándar.
-29 unidades de masa atómica (los valores entre paréntesis son las incertidumbres estadísticas y sistemáticas, respectivamente), que es inferior a las mediciones del CODATA 2014 valor por tres desviaciones estándar.
Estabilidad
| Problema sin resolver en física : ¿Los protones son fundamentalmente estables? ¿O decaen con una vida útil finita según lo predicho por 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 separarlas de los electrones, para lo cual tienen cierta afinidad. Existen protones libres en plasmas en los que las temperaturas son demasiado altas para permitir que se combinen con electrones. Los protones libres de alta energía y velocidad componen el 90% de los rayos cósmicos, que se propagan en el vacío para las distancias interestelares. Los protones libres se emiten directamente desde los núcleos atómicos en algunos tipos raros de descomposición radiactiva. Los protones también resultan (junto con los electrones y antineutrinos) de la descomposición radiactiva de los neutrones libres, que son inestables.
La descomposición espontánea de protones libres nunca se ha observado y, por lo tanto, los protones se consideran partículas estables de acuerdo con el Modelo estándar. Sin embargo, algunas grandes teorías unificadas (GUT) de la física de partículas predicen que la desintegración de protones debería tener lugar con vidas entre 10 a 10 años y búsquedas experimentales han establecido límites más bajos en la vida media de un protón para varios productos de desintegración asumidos.
Los experimentos en el detector Super-Kamiokande en Japón dieron límites inferiores para la vida media del protón de 6,6 × 10 años para la descomposición a un antimón y un pión neutral, y 8,2 × 10 años para la descomposición a un positrón y un pión neutral. Otro experimento en el Observatorio de Neutrinos de Sudbury en Canadá buscó rayos gamma resultantes de núcleos residuales resultantes de la descomposición de un protón del oxígeno-16. Este experimento fue diseñado para detectar la descomposición de cualquier producto y estableció un límite inferior para una vida de protones de 2.1 × 10 años .
Sin embargo, se sabe que los protones se transforman en neutrones a través del proceso de captura de electrones (también llamado descomposición beta inversa). Para protones libres, este proceso no ocurre espontáneamente sino solo cuando se suministra energía. La ecuación es:
- p + + e - → n + ν e
El proceso es reversible; los neutrones pueden volver a convertirse en protones a través de la desintegración beta, una forma común de descomposición radiactiva. De hecho, un neutrón libre se descompone de esta manera, con una vida media de aproximadamente 15 minutos.
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 protones y neutrones se explica por la relatividad especial. La masa de un protón es aproximadamente 80-100 veces mayor que la suma de las masas en reposo de los quarks que lo componen, mientras que los gluones tienen masa de reposo cero. La energía extra de los quarks y gluones en una región dentro de un protón, en comparación con la energía en reposo de los quarks solo en el vacío QCD, representa casi el 99% de la masa. La masa en reposo de un protón es, así, la masa invariante del sistema de quarks y gluones móviles que componen la partícula, y, en tales sistemas, incluso la energía de las partículas sin masa se mide aún como parte de la masa en reposo de la masa. sistema.
Se usan dos términos para referirse a la masa de los quarks que componen los protones: la masa actual del quark se refiere a la masa de un quark por sí misma, 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 quark. Estas masas generalmente tienen valores muy diferentes. Como se ha notado, la mayor parte de la masa de un protón proviene de los gluones que unen a los actuales quarks, en lugar de los propios quarks. Mientras que los gluones son inherentemente sin masa, poseen energía, para ser más específicos, energía de unión a la cromodinámica cuántica (QCBE), y esto es lo que contribuye mucho a la masa total de protones (ver la masa en relatividad especial). Un protón tiene una masa de aproximadamente 938 MeV / c, de los cuales la masa en reposo de sus tres quarks de valencia contribuye solo alrededor de 9,4 MeV / c; gran parte del resto se puede atribuir al QCBE de los gluones.
La dinámica interna de los protones es complicada porque están determinados por el intercambio de gluones de los quarks e interactúan con varios condensados de vacío. Lattice QCD proporciona una forma de calcular la masa de un protón directamente de la teoría a cualquier precisión, en principio. Los cálculos más recientes 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.) Estas afirmaciones aún son controvertidas, porque los cálculos no se pueden hacer con los quarks tan ligeros como en el mundo real. Esto significa que las predicciones se encuentran mediante un proceso de extrapolación, que puede introducir errores sistemáticos. Es difícil determinar si estos errores se controlan adecuadamente, porque las cantidades que se comparan con la experimentación son las masas de los hadrones, que se conocen de antemano.
Estos cálculos recientes son realizados por supercomputadores masivos, y, como lo señalaron Boffi y Pasquini: "todavía falta una descripción detallada de la estructura del nucleón porque ... el comportamiento a larga distancia requiere un tratamiento numérico o no perturbatorio ..." Más Los acercamientos conceptuales a la estructura de protones son: el enfoque de soliton topológico originalmente debido a Tony Skyrme y el enfoque AdS / QCD más preciso que lo extiende para incluir una teoría de cuerdas de gluones, 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 masivos aproximados aproximados. Estos métodos no tienen la misma precisión que los métodos QCD de retícula de fuerza bruta, al menos todavía.
Radio de carga
| Problema sin resolver en física : ¿Cuál es el radio de carga real de un protón? (más problemas sin resolver en física) |
El problema de definir un radio para un núcleo atómico (protón) es similar al problema del radio atómico, ya 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 hay un límite definido para el núcleo, los electrones "ven" un rango de secciones transversales, por lo que se puede tomar una media . La calificación de "rms" (para "raíz cuadrada media") surge porque es la sección transversal nuclear, proporcional al cuadrado del radio, que es determinante para la dispersión de electrones.
El valor aceptado internacionalmente del radio de carga de un protón es 0.8768 fm (ver órdenes de magnitud para comparar con otros tamaños). 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 de hidrógeno y deuterio.
Sin embargo, en 2010, un equipo de investigación internacional publicó una medición de radio de carga de protones a través del cambio Lamb en hidrógeno muónico (un átomo exótico hecho de un protón y un muón cargado negativamente). Como un muón es 200 veces más pesado que un electrón, su longitud de onda 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 de 0.8768 (69) fm ". En enero de 2013, un valor actualizado para el radio de carga de un protón 0,840 87 (39) fm-fue publicado. La precisión se mejoró en 1,7 veces, aumentando la importancia de la discrepancia a 7σ. El ajuste CODATA 2014 redujo ligeramente el valor recomendado para el radio del protón (calculado mediante mediciones electrónicas solamente) a 0.8751 (61) fm , pero esto deja la discrepancia en 5.6σ.
El equipo de investigación internacional que obtuvo este resultado en el Paul Scherrer Institut en Villigen incluye científicos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, Ludwig-Maximilians-Universität, el Institut für Strahlwerkzeuge de la Universität Stuttgart y la Universidad de Coimbra, Portugal. El equipo ahora intenta explicar la discrepancia y volver a examinar los resultados de las mediciones previas de alta precisión y los cálculos complejos que involucran la dispersión de la sección transversal. Si no se encuentran errores en las mediciones o cálculos, podría ser necesario volver a examinar la teoría fundamental más precisa y mejor probada del mundo: la electrodinámica cuántica. El radio del protón sigue siendo un rompecabezas a partir de 2017. Tal vez la discrepancia se deba a la nueva física, o la explicación puede ser un efecto físico ordinario que se ha omitido.
El radio está vinculado al factor de forma y a la sección transversal de transferencia de momento. El factor de forma atómica G modifica la sección transversal correspondiente a un protón puntual.
El factor de forma atómica está relacionado con la densidad de la función de onda del objetivo:
El factor de forma se puede dividir en factores de forma eléctricos y magnéticos. Estos pueden escribirse adicionalmente como combinaciones lineales de factores de forma de Dirac y Pauli.
Interacción de protones libres con materia ordinaria
Aunque los protones tienen afinidad por electrones con carga opuesta, esta es una interacción de energía relativamente baja y, por lo tanto, 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 la materia ordinaria, pierden energía por colisiones con núcleos atómicos y por ionización de átomos (eliminando electrones) hasta que se ralentizan lo suficiente como para ser capturados por la nube de electrones en un átomo normal.
Sin embargo, en dicha asociación con un electrón, el carácter del protón unido no cambia, y permanece como un protón. La atracción de protones libres de baja energía a cualquier electrón presente en la materia normal (como los electrones en átomos normales) hace que los protones libres se detengan y formen un nuevo enlace químico con un átomo. Tal enlace ocurre a cualquier temperatura suficientemente "fría" (es decir, comparable a las temperaturas en la superficie del Sol) y con cualquier tipo de átomo. Por lo tanto, en interacción con cualquier tipo de materia normal (no plasma), los protones libres a baja velocidad son atraídos por electrones en cualquier átomo o molécula con la que entran en contacto, lo que hace que el protón y la molécula se combinen. Se dice que dichas moléculas están "protonadas" y químicamente, a menudo, como resultado, se convierten en los denominados ácidos Brønsted.
Protón en química
Número atómico
En química, el número de protones en el núcleo de un átomo se conoce como el número atómico, que determina el elemento químico al que pertenece el átomo. Por ejemplo, el número atómico de 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 con una carga total de -1.
Sin embargo, todos los átomos de un elemento dado no son necesariamente idénticos, ya que el número de neutrones puede variar para formar diferentes isótopos, y los niveles de energía pueden diferir formando diferentes isómeros nucleares. Por ejemplo, hay dos isótopos estables de cloro: 35
17 Cl
con 35 - 17 = 18 neutrones y 37
17 Cl
con 37 - 17 = 20 neutrones.
17 Cl
con 35 - 17 = 18 neutrones y 37
17 Cl
con 37 - 17 = 20 neutrones.
Ion de hidrógeno
El protón es una especie química única, siendo un núcleo desnudo. Como consecuencia, no tiene existencia independiente en el estado condensado y se encuentra invariablemente unido por un par de electrones a otro átomo.
Ross Stewart, The Proton: Aplicación a la Química Orgánica (1985, p.1)
En química, el término protón se refiere al ion hidrógeno, H +
. Dado que el número atómico de hidrógeno es 1, un ion de hidrógeno no tiene electrones y corresponde a un núcleo desnudo, que consiste en un protón (y 0 neutrones para el protio isotópico más abundante
1
1 H
. Dado que el número atómico de hidrógeno es 1, un ion de hidrógeno no tiene electrones y corresponde a un núcleo desnudo, que consiste en un protón (y 0 neutrones para el protio isotópico más abundante
1
1 H
La transferencia de H +
en una reacción ácido-base se denomina usualmente "transferencia de protones". El ácido se conoce como un donador de protones y la base como un aceptor de protones. Del mismo modo, términos bioquímicos como la bomba de protones y el canal de protones se refieren al movimiento de H + hidratado
iones.
en una reacción ácido-base se denomina usualmente "transferencia de protones". El ácido se conoce como un donador de protones y la base como un aceptor de protones. Del mismo modo, términos bioquímicos como la bomba de protones y el 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 como protón. Del mismo modo, eliminar un electrón de un tritio forma un tritón.
Resonancia magnética nuclear de protones (RMN)
También en química, el término "RMN de protón" se refiere a la observación de núcleos de hidrógeno-1 en moléculas (principalmente orgánicas) por resonancia magnética nuclear. Este método usa el giro del protón, que tiene el valor de la mitad. El nombre se refiere al examen de protones tal como ocurren en protium (átomos de hidrógeno-1) en compuestos, y no implica que existan protones libres en el compuesto que se estudia.
Exposición humana
Los paquetes de experimentos de la superficie lunar Apolo (ALSEP) determinaron que más del 95% de las partículas en el viento solar son electrones y protones, en números aproximadamente iguales.
Los protones también tienen un origen extrasolar a partir de los rayos cósmicos galácticos, donde representan aproximadamente el 90% del flujo total de partículas. Estos protones a menudo tienen mayor energía que los protones de viento solar, y su intensidad es mucho más uniforme y menos variable que los protones procedentes del Sol, cuya producción se ve muy afectada por los 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, como se encuentran típicamente en los viajes espaciales, en la salud humana. Para ser más específicos, hay esperanzas de identificar qué cromosomas específicos están dañados y definir el daño durante el desarrollo del cáncer a partir de la exposición al protón. Otro estudio busca determinar "los efectos de la exposición a la irradiación de protones en los puntos finales 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. También se ha propuesto estudiar el bombardeo interplanetario de protones. Hay muchos más estudios que se refieren a 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 viajes espaciales American Biostack y Soviet Biorack han demostrado la severidad del daño molecular inducido por iones pesados en microorganismos, incluyendo Artemiacysts.
Antiprotón
La simetría CPT impone fuertes restricciones 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 a una parte en 10 . La igualdad de sus masas también se ha probado mejor que una parte en 10 . Al mantener los antiprotones en una trampa Penning, la igualdad de la relación carga-masa de protones y antiprotones se ha probado en una parte en 6 × 10 . El momento magnético de los antiprotones se midió con un error de 8 × 10 de los magnetones nucleares de Bohr, y se encontró que era igual y opuesto al de un protón.
Obtenido de: https://en.wikipedia.org/wiki/Proton