Protón

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Protón  (pag , pag + )
Una familia fermión
Grupo hadrón , barión , N-barión , nucleón
Participa en interacciones Fuerte , débil , electromagnético y gravitatorio
Antipartícula antiprotón
Peso 938,272088 16(29) MeV [1]
1,672621923 69(51)⋅10 −27 kg [2]
1,007276466621(53) a. em [3]
Toda la vida ∞ (no menos de 2,9⋅10 29 años [4] )
Descubierto Ernest Rutherford en 1919
Quién o qué lleva el nombre de otro griego. πρῶτος "primero"
números cuánticos
Carga eléctrica

+ 1e

+1.6021766208(98)⋅10 −19 C
número bariónico una
Girar ½ ħ
Momento magnético 2.792 847 344 63(82) magnetón nuclear [5] o 1.410 606 797 36(60)×10 -26 J / T [6]
paridad interna una
giro isotópico ½
Rareza 0
el encanto 0
Otras propiedades
Composición de quarks uud
esquema de descomposición No
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El protón (del otro griego πρῶτος “primero” [7] ) es una de las tres (junto con el neutrón y el electrón ) partículas elementales a partir de las cuales se construye la materia ordinaria . Los protones son parte de los núcleos atómicos ; el número de serie de un elemento químico en la tabla periódica es igual al número de protones en su núcleo.

En física, el protón se denota por . La designación química del protón (considerado como un ion de hidrógeno positivo ) es H + , la designación astrofísica es HII. La antipartícula del protón es el antiprotón .

La masa de un protón es 1,6726⋅10 −27 kg o 938,27 MeV , que es aproximadamente 1836 veces la masa de un electrón . El espín es ½, por lo que el protón es un fermión . La paridad interna es positiva.

En la clasificación de las partículas elementales, el protón pertenece a los hadrones . Tiene la capacidad de las cuatro interacciones fundamentales: fuerte , electromagnética , débil y gravitatoria . Su carga eléctrica es positiva e igual en valor absoluto a la carga del electrón : e = + 1.6022⋅10 −19 C.

A diferencia, por ejemplo, de un electrón, un protón no es una partícula puntual, sino que tiene una estructura interna y dimensiones finitas. Las partículas fundamentales que componen el protón son los quarks y los gluones . Qué valor se considera del tamaño de un protón depende del acuerdo, pero en cualquier caso será un valor del orden de 1 fm . El medido con mayor precisión es el llamado radio eléctrico, 0,841 fm.

El protón es estable, numerosos experimentos no han revelado ninguna evidencia de su desintegración. Para explicar este hecho, se introdujo el número bariónico conservado (al protón se le asigna el número bariónico +1).

El nombre "protón" fue propuesto por E. Rutherford en 1920.

Propiedades

Estructura

Inicialmente, el protón se consideraba una partícula sin estructura. Sin embargo, los hechos experimentales se acumularon gradualmente (gran valor del momento magnético anómalo , resultados de experimentos sobre dispersión elástica e inelástica profunda ), lo que indica que esto no es así.

De acuerdo con los conceptos modernos, las unidades elementales a partir de las cuales se construyen todas las partículas que interactúan fuertemente, incluido el protón, son los quarks .

En la versión original del modelo de quarks, se creía (y todavía se dice a menudo) que el protón consta de tres quarks, dos arriba y uno abajo ( uud ). Aunque este modelo de quarks (el llamado "ingenuo") permite describir bastante bien algunas de las propiedades del protón (por ejemplo, la relación de los momentos magnéticos del protón y el neutrón resulta ser −3/2 , que está cerca del valor experimental −1.47 [8] ), en realidad, no es del todo correcto. En realidad, el protón contiene, además de estos tres quarks de valencia , muchos gluones y pares quark- antiquark (los llamados quarks marinos ). De acuerdo con los datos obtenidos en experimentos de dispersión inelástica profunda , solo alrededor del 40 % del momento del protón se debe a los quarks de valencia, el 50 % a los gluones y el 10 % a los quarks marinos [9] . Un estudio de la colaboración NNPDF mostró que el protón puede incluir temporalmente quarks encantados [10] .

Los quarks no pueden salir del protón debido al fenómeno del confinamiento .

Características físicas

Misa

La masa del protón expresada en diferentes unidades es [11] :

Momento magnético

El momento magnético de un protón se determina midiendo la relación entre la frecuencia resonante de la precesión del momento magnético del protón en un campo magnético uniforme dado y la frecuencia de ciclotrón del protón en una órbita circular en el mismo campo [14] [ actualizar datos ] . Es igual a 2.792 847 344 63(82) magnetones nucleares [5] o 1.410 606 797 36(60)×10 -26 J / T [6] .

Tamaño

El protón, como cualquier sistema mecánico cuántico , no tiene límites claros: sus quarks constituyentes se distribuyen en el espacio de acuerdo con su función de onda . Por lo tanto, es imposible decir inequívocamente cuál es el tamaño de un protón; esta es una cuestión de acuerdo. Como dimensión se puede elegir el radio del núcleo sólido de fuerzas nucleares, el radio eléctrico o magnético, u otro valor característico de la dimensión de longitud. Sin embargo, la mayoría de las veces el radio cuadrático medio de la distribución de carga eléctrica (radio eléctrico) se toma como el tamaño de una partícula elemental [15] .

Las mediciones del radio eléctrico del protón utilizando átomos de hidrógeno ordinarios, realizadas por diferentes métodos desde la década de 1960, han llevado ( CODATA -2014) a un resultado de 0,8751 ± 0,0061 fm [16] . Los primeros experimentos con átomos de hidrógeno muónico dieron un resultado un 4 % más pequeño para este radio, 0,84184 ± 0,00067 fm [17] [18] . Las razones de esta diferencia no han sido del todo aclaradas. Las mediciones del desplazamiento de Lamb en el átomo de hidrógeno ordinario, realizadas en 2019, arrojaron un valor de 0,833 ± 0,010 fm, que, aunque consistente con los datos obtenidos del hidrógeno muónico, aún contradice los datos de experimentos antiguos [19] . Posteriormente, en 2019, se publicaron los resultados del experimento PRad, realizado en el Laboratorio Jefferson por un grupo de científicos liderado por A. Gasparyan , en el que se utilizó la dispersión de electrones para determinar el radio del protón. El resultado resultó ser 0,831±0,007±0,012 fm [20] .

En el conjunto de datos CODATA -2018, se registró un valor de radio cercano al medido en base a la espectroscopia de hidrógeno muónico - 0.8414 ± 0.0019 fm [21] , y en general el problema del radio de carga del protón se considera resuelto, sin embargo, las inconsistencias individuales en las mediciones aún existen y se están discutiendo [22] .

Carga débil

La llamada carga débil de un protón , que determina su participación en interacciones débiles al intercambiar un bosón Z (similar a cómo la carga eléctrica de una partícula determina su participación en interacciones electromagnéticas al intercambiar un fotón), es 0,0719 ± 0,0045 , conforme a las medidas experimentales de la infracción de la paridad a la dispersión de los electrones polarizados sobre los protones [23] . El valor medido concuerda con las predicciones teóricas del Modelo Estándar ( 0.0708 ± 0.0003 ) [23] dentro del error experimental .

De por vida

El protón libre es estable, los estudios experimentales no han revelado ningún signo de su descomposición. El límite inferior del tiempo de vida es 2,9⋅10 29 años independientemente del canal de desintegración [4] , 1,6⋅10 34 años para la desintegración en un positrón y un pión neutro , 7,7⋅10 33 años para la desintegración en un muón positivo y un pión neutro pión pión [24] . Dado que el protón es el más ligero de los bariones , la estabilidad del protón es una consecuencia de la ley de conservación del número bariónico : el protón no puede desintegrarse en partículas más ligeras (por ejemplo, un positrón y un neutrino) sin violar esta ley. Sin embargo, muchas extensiones teóricas del Modelo Estándar predicen procesos (todavía no observados) en los que el número bariónico no se conserva y, por tanto, el protón puede decaer.

Interacciones

El protón participa en todas las interacciones conocidas: fuerte, electromagnética, débil y gravitatoria. Debido a la fuerte interacción, los protones y los neutrones se combinan en núcleos atómicos . Debido a la interacción electromagnética, los núcleos y los electrones forman átomos que, a su vez, están formados por moléculas y cuerpos macroscópicos. La débil interacción de los protones conduce, por ejemplo, a procesos de desintegración beta .

Fuerte

A bajas energías, la fuerte interacción de los protones se manifiesta como fuerzas nucleares que unen protones y neutrones en núcleos atómicos [7] . A diferencia, por ejemplo, de las fuerzas electromagnéticas, las fuerzas nucleares no son centrales y dependen de los espines de las partículas (por lo tanto, en particular, un protón y un neutrón con espines paralelos forman un estado ligado - deuterón , pero no con los antiparalelos).

Como muestra el experimento, las fuerzas nucleares tienen la propiedad de la simetría isotópica : no cambian cuando los protones son reemplazados por neutrones y viceversa. Por lo tanto, en la teoría de las fuerzas nucleares, el protón y el neutrón se consideran a menudo como estados de una partícula con espín isotópico 1/2 ( nucleón ), que difieren en su proyección (+1/2 para el protón, −1/2 para el neutrón) [7] .

Las fuerzas nucleares pueden describirse como un intercambio de piones ( modelo de Yukawa ) y, en menor medida, también de otros mesones más pesados ​​[7] . El potencial empíricamente encontrado de las fuerzas nucleares corresponde a la atracción a grandes distancias y una fuerte repulsión a distancias más pequeñas (alrededor de 0,5 fm) [25] . En el marco de este modelo, el protón consta de un núcleo pesado (núcleo, del inglés  core ) y una nube de mesones virtuales que lo rodean (a grandes distancias: piones, más cerca del centro de mesones rho , mesones omega y otros) .

Por otro lado, en el caso de una dispersión profundamente inelástica de partículas de alta energía sobre protones, la situación parece como si la dispersión se produjera en algún punto de las partículas ubicadas dentro del protón. Feynman los llamó partones . Estos son los quarks [7] .

Cuando los protones de alta energía chocan entre sí o con los núcleos, se forma materia nuclear altamente calentada y, posiblemente, plasma de quarks-gluones .

Electromagnético

La carga eléctrica del protón es igual en valor absoluto y de signo opuesto a la carga del electrón. El hecho de que la suma de las cargas de un protón y un electrón sea igual a cero ha sido comprobado con gran exactitud, ya que significa la neutralidad eléctrica de la materia ordinaria [26] .

Las cargas opuestas se atraen , por lo que un protón y un electrón pueden formar un estado ligado: un átomo de hidrógeno . Si el electrón se reemplaza por un muón con carga negativa , se forma un sistema similar al hidrógeno, pero unas 200 veces más pequeño: el hidrógeno muónico . En general, los átomos de la materia ordinaria deben su existencia a la atracción electromagnética entre los protones del núcleo y los electrones.

Las partículas elementales cargadas eléctricamente con espín 1/2 se describen mediante la ecuación de Dirac . Según esta ecuación, el momento magnético de tal partícula debe ser igual (este valor, donde está la masa del protón, se llama magnetón nuclear ). Sin embargo, el momento magnético del protón, tal como se estableció en la década de 1930, es muy diferente a la predicción de la teoría de Dirac (es 2,79 veces mayor). Esto ya sugiere que el protón no es una partícula puntual, sino que tiene algún tipo de estructura interna [7] [27] .

La prueba directa se obtuvo en los experimentos de Hofstadter ( Premio Nobel de Física 1961) [28] . Con la ayuda de la dispersión elástica de electrones de alta energía sobre protones (que es una especie de análogo de un microscopio electrónico ), se demostró que la carga eléctrica de un protón no se concentra en un punto, sino que se distribuye en una región con un radio de alrededor de 0,8 fm [7] . Lo mismo se aplica al momento magnético.

En teoría, la interacción electromagnética de un protón se describe mediante dos funciones: factores de forma eléctricos y magnéticos , que son la transformada de Fourier de la distribución de la densidad de carga y el momento magnético dentro del protón [29] . Podemos considerar los radios cuadráticos medios de estas distribuciones: estos son los llamados radios eléctricos y magnéticos del protón.

Débil

El protón, como todos los hadrones, también participa en la interacción débil.

Un ejemplo bien conocido de esto es la captura de electrones : el proceso en el que un protón enlazado en un núcleo atómico captura un electrón de la capa K, L o M de un átomo, convirtiéndolo en un neutrón y emitiendo un neutrino : . Un "agujero" en la capa K, L o M, formado durante la captura de electrones, se llena con un electrón de una de las capas de electrones superpuestas del átomo con la emisión de rayos X característicos correspondientes al número atómico y / o Electrones Auger . Se conocen más de 1000 isótopos de74
_Estar despierto262
105Db decayendo por captura de electrones. A energías de desintegración disponibles suficientemente altas (por encima de ≈ 1,022 MeV[ aclarar ] ) se abre un canal de desintegración en competencia: desintegración de positrones (para un protón libre, tal proceso, por supuesto, está prohibido por la ley de conservación de la energía).

Otro proceso débil que involucra a un protón es la desintegración beta inversa , con la ayuda de la cual se detectan los neutrinos :.

Los procesos anteriores se basan en el intercambio del bosón W. El intercambio de bosones Z también es posible , lo que conduce a efectos de violación de la paridad en la dispersión elástica (por ejemplo, asimetrías en la dispersión elástica de electrones polarizados longitudinalmente en un protón no polarizado).

El papel de los protones

En astrofísica

El protón es una de las partículas más comunes en el universo. Se encuentran tanto en las estrellas como en el espacio interestelar .

Los primeros protones se formaron en la era de la hadronización: 10 -6 -1 segundo después del Big Bang . Al principio, el número de protones y antiprotones en el universo era aproximadamente el mismo, con un ligero exceso de protones; al final de esta era, casi todos ellos aniquilados, y los protones restantes existen hasta el día de hoy. En la era de la nucleosíntesis primaria (3-20 minutos después), algunos de ellos pasaron a formar parte de los núcleos de elementos más pesados ​​que el hidrógeno (deuterio, helio, litio) [30] .

Los protones participan en las reacciones termonucleares , que son la principal fuente de energía generada por las estrellas. En particular, las reacciones del ciclo pp , que es la fuente de casi toda la energía emitida por el Sol , se reducen a la combinación de cuatro protones en un núcleo de helio-4 con la transformación de dos protones en neutrones.

Los protones se encuentran en grandes cantidades en el viento solar .

Además, los protones son el componente principal de los rayos cósmicos primarios : más del 90% de ellos son protones. Los rayos cósmicos contienen protones con energías de hasta 1020 eV, muchos órdenes de magnitud superiores a las que se pueden lograr con los aceleradores modernos .

En química

Desde el punto de vista de la química, el protón es un ion de hidrógeno positivo (más precisamente, su isótopo ligero - protium ) - H + . Se diferencia de otros iones químicamente significativos en que no contiene un solo electrón. Por lo tanto, su tamaño es varios órdenes de magnitud menor. De ahí, por ejemplo, su capacidad para penetrar profundamente en otras moléculas, formando puentes de hidrógeno [31] .

El protón es un poderoso aceptor de electrones y, en consecuencia, participa en las reacciones de interacción donante-aceptor . La protonación, la adición de un protón a una molécula, es importante en muchas reacciones químicas, por ejemplo, en la neutralización , la adición electrofílica y la sustitución electrofílica , la formación de compuestos de onio [32] .

La fuente de protones en química son los ácidos minerales y orgánicos . En solución acuosa, los ácidos son capaces de disociarse con la eliminación de un protón, formando un catión hidronio .

En la fase gaseosa, los protones se producen por ionización , la separación de un electrón de un átomo de hidrógeno . El potencial de ionización de un átomo de hidrógeno no excitado es de 13,595 eV . Cuando el hidrógeno molecular es ionizado por electrones rápidos a presión atmosférica y temperatura ambiente, se forma inicialmente un ion de hidrógeno molecular (H 2 + ), un sistema físico que consta de dos protones que se mantienen unidos a una distancia de 1,06 Å por un electrón. La estabilidad de tal sistema, según Pauling , es causada por la resonancia de un electrón entre dos protones con una "frecuencia resonante" igual a 7⋅10 14 Hz [33] . Cuando la temperatura sube a varios miles de grados, la composición de los productos de ionización de hidrógeno cambia a favor de los protones.

En física experimental de partículas

Debido a su estabilidad y facilidad de producción (a partir de hidrógeno), los protones se utilizan a menudo en la física de partículas experimental, tanto como objetivos como partículas de haz. En el primer caso, el objetivo puede ser algún material rico en hidrógeno, como hidrógeno líquido , parafina o polietileno [34] .

Los haces de protones de alta energía se crean en los aceleradores . Se utilizan para estudiar diversos procesos de dispersión, así como para obtener haces de partículas inestables, como piones, kaones e hiperones [7] . La mayoría de los descubrimientos en física de partículas elementales hasta la década de 1980 se realizaron en sincrotrones de protones [35] . El acelerador más potente de la actualidad, el Gran Colisionador de Hadrones ( LHC ), acelera los protones hasta una energía de 6,5 TeV [36] .  

En medicina

Los haces de protones acelerados se utilizan para tratar enfermedades oncológicas ( terapia de protones ) [37] [38] .

Historial de descubrimientos

La idea de una partícula similar al hidrógeno como parte integral de otros átomos se ha desarrollado con el tiempo. En 1815, el químico inglés William Prout sugirió que todos los átomos estaban formados por átomos de hidrógeno (a los que llamó " protilo "), basándose en el hecho de que las masas atómicas de los elementos son aproximadamente múltiplos de la masa de un átomo de hidrógeno ( hipótesis de Prout ) [39] .

En 1886, Eugen Goldstein descubrió los rayos de canal (también conocidos como rayos de ánodo ) y demostró que eran partículas cargadas positivamente. Wilhelm Wien en 1898 demostró que los más ligeros son los iones de hidrógeno (es decir, los protones). Actuando sobre protones en movimiento con campos eléctricos y magnéticos, Win midió la relación entre la carga del protón y su masa [40] .

En 1917, Rutherford notó que cuando las partículas alfa golpean el aire, los detectores de centelleo destellan desde otras partículas más ligeras (a juzgar por la longitud del camino). En nitrógeno puro, aparecieron más a menudo. En 1919, Rutherford concluyó:

Con base en los resultados obtenidos hasta ahora, es difícil evitar la conclusión de que los átomos de largo alcance que aparecieron en la colisión de partículas α con átomos de nitrógeno no son átomos de nitrógeno, sino, aparentemente, átomos de hidrógeno o átomos con una masa de 2. Si esto es así, deberíamos concluir que bajo la acción de fuerzas poderosas que surgen de una colisión con una partícula α rápida, el átomo de nitrógeno se divide y que el átomo de hidrógeno liberado en este caso es una parte integral del núcleo de nitrógeno.

Este evento a menudo se llama el descubrimiento del protón [41] . El nombre "protón" fue propuesto por Rutherford en 1920 [42] .

Notas

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Literatura

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