Protón

Un protón es una partícula subatómica estable , símbolo p , H ⁺ o ^{1H +,} con una carga eléctrica positiva de + 1e ( carga elemental ). Su masa es ligeramente menor que la de un neutrón y aproximadamente 1836 veces la masa de un electrón (la relación de masas protón-electrón ). Los protones y neutrones, cada uno con una masa aproximada de un dalton , se denominan conjuntamente nucleones (partículas presentes en los núcleos atómicos).

En el núcleo de cada átomo se encuentra uno o más protones . Estos proporcionan la fuerza electrostática central atractiva que mantiene unidos a los electrones atómicos. El número de protones en el núcleo es la propiedad que define a un elemento y se denomina número atómico (representado por el símbolo Z ). Dado que cada elemento se identifica por el número de protones en su núcleo, cada elemento tiene su propio número atómico, que determina el número de electrones atómicos y, por consiguiente, la identidad y las características químicas del elemento.

La palabra protón proviene del griego y significa "primero", nombre que Ernest Rutherford le dio al núcleo de hidrógeno en 1920. Años antes, Rutherford había descubierto que el núcleo de hidrógeno (conocido por ser el núcleo más ligero) podía extraerse de los núcleos de nitrógeno mediante colisiones atómicas. ^{[ 10 ]} Por lo tanto, los protones eran candidatos a ser una partícula fundamental o elemental y, por ende, un componente básico del nitrógeno y de todos los demás núcleos atómicos más pesados.

Aunque los protones se consideraban originalmente partículas elementales, en el Modelo Estándar moderno de la física de partículas , se sabe que son partículas compuestas, que contienen tres quarks de valencia , y junto con los neutrones se clasifican ahora como hadrones . Los protones están compuestos por dos quarks up con carga + 2 / 3e cada uno y un quark down con carga -1 / 3e . Las masas en reposo de los quarks contribuyen solo alrededor del 1% de la masa de un protón. [ ^{11 ]} El resto de la masa de un protón se debe a ^la energía de enlace de la cromodinámica cuántica , que incluye la energía cinética de los quarks y la energía de los campos de gluones que los unen. El radio de carga del protón es de aproximadamente0,841 fm  pero dos tipos diferentes de mediciones dan valores ligeramente diferentes. ^{[ 12 ]}

A temperaturas y energías cinéticas suficientemente bajas, los protones libres se unirán a los electrones en cualquier materia que atraviesen.

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

Los protones son fermiones de espín 1/2 y están compuestos por tres quarks de valencia, ^{[ 13 ]} lo que los convierte en bariones (un subtipo de hadrones ). Los dos quarks arriba y el quark abajo de un protón se mantienen unidos por la fuerza fuerte , mediada por gluones . ^{[ 14 ] : 21–22} Una perspectiva moderna considera que el protón está compuesto por los quarks de valencia (arriba, arriba, abajo), los gluones y pares transitorios de quarks de mar . Los protones tienen una distribución de carga positiva, que decae aproximadamente de forma exponencial, con un radio de carga cuadrático medio de aproximadamente 0,8  fm. ^{[ 15 ]}

Los protones y los neutrones son nucleones , que pueden unirse 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, deuterio y 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 un número variable de neutrones.

El concepto de una partícula similar al hidrógeno como constituyente de otros átomos se desarrolló a lo largo de un extenso período. Ya en 1815, William Prout utilizó valores iniciales del peso atómico para formular lo que investigadores posteriores denominaron la hipótesis de Prout : todos los átomos están compuestos por combinaciones enteras de átomos de hidrógeno (a los que llamó "protilos"). Cuando se midieron valores más precisos de los pesos atómicos, la relación de números enteros resultó ser errónea. Sin embargo, el concepto continuó intrigando a los científicos y resurgiría un siglo después. ^{[ 16 ] : 39–42}

En 1886, Eugen Goldstein descubrió rayos de canal (también conocidos como rayos anódicos) que salían de perforaciones en el tubo de descarga. En 1898, Wilhelm Wien demostró que estos rayos tenían una carga opuesta a la de los electrones negativos descubiertos por J.J. Thomson , pero con una relación masa-carga mucho mayor. ^{[ 17 ]} Más tarde ese mismo año, Thomson pudo determinar un valor para la magnitud de la carga eléctrica , e , ^{[ 18 ] : 86} y demostrar que los rayos de canal incluían material con una relación carga-masa ( q / m ) consistente con el ion hidrógeno. ^{[ 19 ] : 406}

Tras el descubrimiento del núcleo atómico por Ernest Rutherford en 1913, Antonius van den Broek propuso que la posición de cada elemento en la tabla periódica (su número atómico) es igual a su carga nuclear. Van den Broek especuló que el núcleo contenía partículas alfa con cuatro cargas positivas y dos electrones, la primera versión de la hipótesis nuclear-electrónica . (El modelo moderno de dos protones positivos y dos neutrones tardaría muchos años en descubrirse). ^{[ 20 ] : 20} También en 1913, Niels Bohr presentó una teoría de la estructura atómica que predecía transiciones electrónicas relacionadas con la carga nuclear. Esto fue confirmado experimentalmente por Henry Moseley en 1913 cuando demostró que la energía de las líneas de los espectros de rayos X de muchos elementos seguía un patrón basado en el número atómico .

En 1919, tras una larga serie de experimentos esporádicos interrumpidos por la Primera Guerra Mundial, Rutherford descubrió lo que denominó desintegración artificial de átomos de nitrógeno . Utilizando partículas alfa de radio para impactar el aire, Rutherford detectó centelleo en una pantalla de sulfuro de zinc a una distancia de hasta 28  cm, muy superior al alcance de las partículas alfa, pero correspondiente al alcance de los átomos de hidrógeno. ^{[ 21 ]} En 1920 concluyó que estos núcleos de hidrógeno eran un componente del núcleo de nitrógeno. Este resultado se ha descrito como el descubrimiento de los protones. ^{[ 22 ]}

Cuando Rutherford describió sus resultados en la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia en agosto de 1920, Oliver Lodge le pidió un nuevo nombre para el núcleo positivo de hidrógeno para evitar confusiones con el átomo neutro de hidrógeno. ^{[ 23 ]} Rutherford sugirió inicialmente tanto protón (el singular neutro de la palabra griega para "primero", πρῶτον ) como proutón (en honor a Prout). ^{[ 24 ]} Posteriormente, Rutherford informó que la reunión había aceptado su sugerencia de que el núcleo de hidrógeno se denominara "protón", siguiendo la palabra "protyle" de Prout. ^{[ 25 ]} El primer uso de la palabra "protón" en la literatura científica apareció en 1920. ^{[ 26 ] [ 18 ] [ 20 ] : 23}

Rutherford asumió inicialmente que la partícula alfa simplemente expulsaba un protón del nitrógeno, convirtiéndolo en carbono. Las imágenes de la cámara de niebla de Patrick Blackett en 1925 demostraron que la partícula alfa era absorbida. Si la partícula alfa no fuera absorbida, se esperarían 3 partículas cargadas: un carbono con carga negativa, un protón y una partícula alfa. Las 3 partículas cargadas crearían tres trazas en la cámara de niebla, pero solo se observaron 2 trazas. Blackett propuso que la partícula alfa es absorbida por el átomo de nitrógeno. El oxígeno pesado ( ^17O ), no el carbono, fue el producto. ^{[ 27 ] [ 20 ]} Esta fue la primera reacción nuclear reportada , ^14N + α → ^17O + p .

En el núcleo de cada átomo hay uno o más protones ligados. Los protones libres se encuentran de forma natural en diversas situaciones en las que las energías o temperaturas son lo suficientemente altas como para separarlos de los electrones, por los que tienen cierta afinidad. Los protones libres aparecen ocasionalmente en la Tierra: las tormentas eléctricas pueden producir protones con energías de hasta varias decenas de megaelectronvoltios . ^{[ 28 ] [ 29 ]} Los protones libres existen en plasmas en los que las temperaturas son demasiado altas para permitirles combinarse con electrones . ^{[ 30 ]} Los protones libres de alta energía y velocidad constituyen el 90 % de los rayos cósmicos , que se propagan a través del medio interestelar . ^{[ 31 ]} Los protones libres se emiten directamente de los núcleos atómicos en algunos tipos raros de desintegración radiactiva . ^{[ 32 ]} Los protones también resultan (junto con los electrones y los antineutrinos ) de la desintegración radiactiva de neutrones libres , que son inestables. ^{[ 33 ]}

La desintegración espontánea de protones libres nunca se ha observado, por lo que los protones se consideran partículas estables según el Modelo Estándar. Sin embargo, algunas teorías de gran unificación (GUT) de la física de partículas predicen que la desintegración del protón debería tener lugar con vidas medias entre ^10³¹ y 10³⁶ ^años . El límite inferior experimental para la vida media es0,96 × 10 ³⁰  años . ^{[ 4 ]}

La vida media mide la desintegración a cualquier producto. También se miden las vidas medias para la desintegración a productos específicos. Por ejemplo, los experimentos en el detector Super-Kamiokande en Japón dieron límites inferiores para la vida media del protón.1,6 × 10 ³⁴  años para la desintegración en un antimuón y un pión neutro , y2,4 × 10 ³⁴  años para la desintegración en un positrón y un pión neutro. ^{[ 34 ] [ 4 ]}

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

p ⁺+ e ⁻→ n + ν_mi

El proceso es reversible; los neutrones pueden reconvertirse 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 un neutrón mediante la desintegración beta positiva (desintegración β+).

Según la teoría cuántica de campos , la vida media propia de los protones${\displaystyle \tau _{\mathrm {p} }}$se vuelve finito cuando están acelerando con la aceleración adecuada.${\displaystyle a}$, y${\displaystyle \tau _{\mathrm {p} }}$disminuye con el aumento${\displaystyle a}$. La aceleración da lugar a una probabilidad no nula para la transición p ⁺→ n + e ⁺+ ν_e . Esto fue motivo de preocupación a finales de la década de 1990 porque${\displaystyle \tau _{\mathrm {p} }}$es un escalar que puede ser medido por los observadores inercial y coacelerado . En el sistema de referencia inercial , el protón acelerado debería decaer según la fórmula anterior. Sin embargo, según el observador coacelerado, el protón está en reposo y, por lo tanto, no debería decaer. Este enigma se resuelve al comprender que en el sistema de referencia coacelerado existe un baño térmico debido al efecto Fulling-Davies-Unruh , un efecto intrínseco de la teoría cuántica de campos. En este baño térmico, experimentado por el protón, hay electrones y antineutrinos con los que el protón puede interactuar según los siguientes procesos:

1. p ⁺+ e ⁻→ n + ν ,
2. p ⁺+ ν → n + e ⁺y
3. p ⁺+ e ⁻+ ν → n .

Sumando las contribuciones de cada uno de estos procesos, se debería obtener${\displaystyle \tau _{\mathrm {p} }}$. ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]}

En la cromodinámica cuántica , la teoría moderna de la fuerza nuclear, la mayor parte de la masa de protones y neutrones se explica mediante la relatividad especial . La masa de un protón es aproximadamente entre 80 y 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 adicional de los quarks y gluones en un protón, en comparación con la energía en reposo de los quarks solos en el vacío de la cromodinámica cuántica , representa casi el 99 % de la masa del protón. La masa en reposo de un protón es, por lo tanto, la masa invariante del sistema de quarks y gluones en movimiento que componen la partícula, y, en tales sistemas, incluso la energía de partículas sin masa confinadas a un sistema se sigue midiendo como parte de la masa en reposo del sistema.

Se utilizan dos términos para referirse a la masa de los quarks que componen 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 al quark. ^{[ 39 ] : 285–286 [ 40 ] : 150–151} Estas masas suelen tener valores muy diferentes. La energía cinética de los quarks, que es consecuencia del confinamiento, es una contribución (véase Masa en la relatividad especial ). Utilizando cálculos de QCD en la red , las contribuciones a la masa del protón son el condensado de quarks (~9%, que comprende los quarks up y down y un mar de quarks extraños virtuales), la energía cinética del quark (~32%), la energía cinética del gluón (~37%) y la contribución gluónica anómala (~23%, que comprende contribuciones de condensados ​​de todos los sabores de quarks). ^{[ 41 ]}

La función de onda del modelo de quarks constituyentes para el protón es $${\displaystyle \mathrm {|p_{\uparrow }\rangle ={\tfrac {1}{\sqrt {18}}}\left(2|u_{\uparrow }d_{\downarrow }u_{\uparrow }\rangle +2|u_{\uparrow }u_{\uparrow }d_{\downarrow }\rangle +2|d_{\downarrow }u_{\uparrow }u_{\uparrow }\rangle -|u_{\uparrow }u_{\downarrow }d_{\uparrow }\rangle -|u_{\uparrow }d_{\uparrow }u_{\downarrow }\rangle -|d_{\uparrow }u_{\downarrow }u_{\uparrow }\rangle -|d_{\uparrow }u_{\uparrow }u_{\downarrow }\rangle -|d_{\uparrow }u_{\uparrow }u_{\downarrow } }\rangle -|u_{\downarrow }u_{\uparrow }d_{\uparrow }\rangle \right)} .}$$

La dinámica interna de los protones es compleja, ya que está determinada por el intercambio de gluones de los quarks y su interacción con diversos condensados ​​del vacío. La QCD reticular 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 ^{[ 42 ] [ 43 ]} afirman que la masa se determina con una precisión superior al 4%, incluso del 1% (véase la Figura S5 en Dürr et al. ^{[ 43 ]} ). Estas afirmaciones siguen siendo controvertidas, porque los cálculos aún no pueden realizarse con quarks tan ligeros como los del mundo real. Esto significa que las predicciones se obtienen mediante un proceso de extrapolación , que puede introducir errores sistemáticos. ^{[ 44 ]} Es difícil determinar si estos errores se controlan adecuadamente, ya que las cantidades que se comparan con el experimento son las masas de los hadrones , que se conocen de antemano.

Estos cálculos recientes son realizados por supercomputadoras masivas y, como señalan Boffi y Pasquini: "aún falta una descripción detallada de la estructura del nucleón porque... el comportamiento de larga distancia requiere un tratamiento no perturbativo y/o numérico  ..." ^{[ 45 ]} Los enfoques más conceptuales para la estructura de los protones son: el enfoque de solitón topológico originalmente debido a Tony Skyrme y el enfoque AdS/QCD más preciso que lo extiende para incluir una teoría de cuerdas de gluones, ^{[ 46 ]} varios modelos inspirados en QCD como el modelo de bolsa y el modelo de quarks constituyentes , que fueron populares en la década de 1980, y las reglas de suma SVZ , que permiten cálculos de masa aproximados. ^{[ 47 ]} Estos métodos no tienen la misma precisión que los métodos de QCD de red de fuerza bruta, al menos no todavía.

El valor recomendado por CODATA para el radio de carga de un protón es8,4075(64) × 10 ⁻¹⁶  m . ^{[ 5 ]} El radio del protón medido por dispersión electrón-protón difiere del valor medido mediante el desplazamiento de Lamb en hidrógeno muónico (un átomo exótico formado por un protón y un muón con carga negativa ). ^{[ 12 ]} Como un muón es 200 veces más pesado que un electrón, lo que resulta en un orbital atómico más pequeño , es mucho más sensible al radio de carga del protón y, por lo tanto, permite una medición más precisa. ^{[ 48 ]} Mediciones posteriores mejoradas de dispersión y espectroscopia electrónica concuerdan con el nuevo radio pequeño. Se continúa trabajando para refinar y verificar este nuevo valor. ^{[ 49 ]}

Un tercer tipo de medición de alta precisión concuerda más estrechamente con el valor proporcionado por la espectroscopia de hidrógeno muónico, pero persisten diferencias inexplicables. También se ha cuestionado la naturaleza exacta del significado de estas mediciones. ^{[ 50 ]}

Aunque los protones tienen afinidad por los electrones de carga opuesta, esta interacción es 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 la materia ordinaria, pierden energía por colisiones con los núcleos atómicos y por ionización de los átomos (eliminación de electrones) hasta que su velocidad disminuye lo suficiente como para ser capturados por la nube electrónica de un átomo normal.

Sin embargo, en dicha asociación con un electrón, el carácter del protón ligado no cambia y permanece como tal. La atracción de protones libres de baja energía hacia cualquier electrón presente en la materia normal (como los electrones en 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, al interactuar con cualquier tipo de materia normal (no plasma), los protones libres de baja velocidad no permanecen libres, sino que son atraídos por los electrones de cualquier átomo o molécula con la que entran en contacto, lo que provoca 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 con carga positiva. Con frecuencia, como resultado, 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 H₃O⁺ ^.

Los paquetes de experimentos de superficie lunar del programa Apolo (ALSEP) determinaron que más del 95 % de las partículas del viento solar son electrones y protones, en cantidades aproximadamente iguales. ^{[ 57 ] [ 58 ]}

Debido a que el espectrómetro de viento solar realizaba mediciones continuas, fue posible medir cómo el campo magnético de la Tierra afecta a las partículas de viento solar que llegan. Durante aproximadamente dos tercios de cada órbita, la Luna se encuentra fuera del campo magnético terrestre. En estos momentos, la densidad típica de protones era de 10 a 20 por centímetro cúbico, con la mayoría de los protones alcanzando velocidades de entre 400 y 650 kilómetros por segundo. Durante unos cinco días de cada mes, la Luna se encuentra dentro de la cola geomagnética de la Tierra, y normalmente 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 magnetofunda , donde el campo magnético terrestre afecta al viento solar, pero no lo excluye por completo. En esta región, el flujo de partículas se reduce, con velocidades típicas de protones de entre 250 y 450 kilómetros por segundo. Durante la noche lunar, el espectrómetro estaba protegido del viento solar por la Luna y no se midieron partículas de viento solar. ^{[ 57 ]}

Los protones también tienen un origen extrasolar, provenientes de los rayos cósmicos galácticos , donde constituyen aproximadamente el 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 fuertemente 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 protones, como los que se encuentran típicamente en los viajes espaciales , en la salud humana. ^{[ 58 ] [ 59 ]} Para ser más específicos, se espera identificar qué cromosomas específicos se dañan y definir el daño, durante el desarrollo del cáncer por exposición a protones. ^{[ 58 ]} Otro estudio examina determinar "los efectos de la exposición a la irradiación de protones en los puntos finales neuroquímicos y conductuales, incluyendo el funcionamiento dopaminérgico , el aprendizaje de aversión condicionada al gusto inducido por anfetaminas y el aprendizaje y la memoria espacial medidos por el laberinto acuático de Morris . ^{[ 59 ]} También se ha propuesto estudiar la carga eléctrica de una nave espacial debido al bombardeo de protones interplanetarios. ^{[ 60 ]} Hay muchos más estudios que se refieren a los viajes espaciales, incluyendo los rayos cósmicos galácticos y sus posibles efectos en la salud , y la exposición a eventos de protones solares .

Los experimentos de viajes espaciales Biostack estadounidense y Biorack soviético han demostrado la gravedad del daño molecular inducido por iones pesados ​​en microorganismos , incluidos los quistes de Artemia . ^{[ 61 ]}

La simetría CPT impone fuertes restricciones a las propiedades relativas de partículas y antipartículas y, por lo tanto, está sujeta a pruebas rigurosas. Por ejemplo, las cargas de un protón y un antiprotón deben sumar exactamente cero. Esta igualdad se ha comprobado con una precisión de una parte en10 ⁸ . La igualdad de sus masas también ha sido comprobada para ser mejor que una parte en10 ⁸ . Al mantener antiprotones en una trampa de Penning , se ha comprobado la igualdad de la relación carga-masa de protones y antiprotones a una parte en6 × 10 ⁹ . ^{[ 62 ]} Se ha encontrado que los momentos magnéticos medidos de protones y antiprotones son iguales y opuestos dentro de 0,8  ppm. ^{[ 63 ]}

• Bola, Richard D.; Cándido, Alejandro; Cruz-Martínez, Juan; Fuerte, Stefano; Giani, Tommaso; Hekhorn, Félix; Kudashkin, Kirill; Magni, Giacomo; Rojo, Juan (agosto 2022). "Evidencia de quarks de encanto intrínseco en el protón" . Naturaleza . 608 (7923): 483– 487. arXiv : 2208.08372 . Código Bib : 2022Natur.608..483N . doi : 10.1038/s41586-022-04998-2 . ISSN 1476-4687 . PMC 9385499 . PMID 35978125 .   
• Gao, H.; Vanderhaeghen, M. (2022-01-21). "El radio de carga del protón" . Reviews of Modern Physics . 94 (1) 015002. arXiv : 2105.00571 . Bibcode : 2022RvMP...94a5002G . doi : 10.1103/RevModPhys.94.015002 . ISSN 0034-6861 . 

• Contenido multimedia relacionado con los protones en Wikimedia Commons
• Grupo de datos de partículas en LBL
• Gran Colisionador de Hadrones
• Eaves, Laurence ; Copeland, Ed; Padilla, Antonio (Tony) (2010). "El protón menguante" . Sesenta símbolos . Brady Haran para la Universidad de Nottingham .
• Proyecto de visualización de protones del MIT:
  • Dentro del protón, "Lo más complicado que puedas imaginar" , Quanta Magazine , 19 de octubre de 2022
  • Visualizando el protón , Artes en el MIT, 2022