Protón

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Protón
Estructura de quarks de protones.svg
Modelo de Quark del protón
Clasificación Partícula compuesta ( hadrón )
Composición 2 quark arriba , 1 quark abajo (uud)
Familia Fermiones
Grupo Barioni
Interacciones Gravitacional , electromagnético , débil , fuerte
Símbolo pag
Antipartícula Antiprotón ( p )
Teorizado William Prout (1815)
Descubrimiento Ernest Rutherford (1919)
Propiedades físicas
Masa
  • 1,67262192369 (51) × 10 −27 kg [1]
  • 938,27208816 (29) MeV / [2]
  • 1,007276466621 (53) u [3]
Carga eléctrica 1 y

1,602176634 × 10 −19 C [4]

Radio de la carga (0,833 ± 0,010) × 10-15 m [5]
Girar ½

El protón es una partícula subatómica compuesta con carga eléctrica positiva, formada por dos quarks up y un quark down unidos por la interacción fuerte y denominados "valencia" ya que determinan casi todas las características físicas.

Constituye el núcleo atómico junto con el neutrón , con el que se transforma continuamente mediante la emisión y absorción de piones . Como está formado por quarks pertenece a la familia de los hadrones , en particular al grupo de bariones , y al tener un spin semi-entero es un fermión . Además de estar ligado, siempre por la interacción fuerte, en el núcleo atómico, puede ser libre, estado en el que se encuentra entre las partículas más estables que existen, con un tiempo promedio de desintegración espontánea asumido igual o mayor que el edad del universo .

Descubierto por Ernest Rutherford en 1919, [6] el nombre "protón" fue introducido en 1920 por el propio Rutherford y deriva del griego antiguo pròton (πρῶτον), que significa "primero", con la adición del sufijo -uno [7] . Experimentos anteriores, incluidos los realizados por los físicos Eugen Goldstein y Wilhelm Wien , ya habían revelado la existencia de partículas cargadas positivamente en los canales de rayos .

Características generales

Comparación entre las masas de electrones, protones y neutrones.

El valor de la carga eléctrica del protón es el mismo que el del electrón , pero de signo opuesto ( 1,602 × 10 -19 C ). En los núcleos, la fuerza repulsiva entre protones se equilibra con la presencia de neutrones y con la fuerte fuerza nuclear que atrae a los nucleones entre sí. La masa en reposo del protón es aproximadamente 1,6726231 × 10 −27 kg ( 9.3828 × 10 2 MeV / ), ligeramente más baja que la del neutrón y aproximadamente 1836 veces más alta que la del electrón.

El momento magnético del protón en unidades del magneton nuclear es igual a +2,793 μ N: fue posible explicar el valor anómalo del momento magnético del protón solo gracias a los constituyentes del modelo de quarks introducidos en sesenta años .

También se define un radio de protón clásico:

igual a 1.529 × 10 −18 m , que sin embargo no tiene un significado físico bien definido. De hecho, experimentalmente, su carga eléctrica se distribuye en una esfera con un radio promedio igual a 0.833 ± 0.010 fm (8.33 × 10 −16 ± 1.0 × 10 −17 m ) [8] [9] . El radio del protón es unas 60.000 veces más pequeño que el del átomo de helio libre, que tiene unos 50 picómetros . Para tener una idea de su tamaño, se puede considerar que el diámetro de un cabello humano es de unos diez mil billones del de un protón, o que el punto de una i podría contener unos 500 billones, aunque muy espaciados en promedio. . [10]

Propiedades químicas

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: Hydron e Hydronium .

El núcleo del isótopo más común de hidrógeno , el tío abuelo , está formado exclusivamente por un protón. Los núcleos de los otros átomos están compuestos por neutrones y protones unidos por la fuerza fuerte , que contrarresta eficazmente la repulsión de Coulomb debido a la interacción electromagnética entre cargas del mismo signo. El número de protones en el núcleo, llamado número atómico , determina, junto con el número de electrones, las propiedades químicas del átomo y la naturaleza misma del elemento.

En química y bioquímica, el término casi siempre se usa incorrectamente para referirse al ion hidrógeno en solución acuosa ( ion hidrógeno ), mientras que en realidad el protón libre en solución acuosa no existe y en su lugar existe el compuesto covalente catión hidroxonio o simplemente oxonio H 3. O + . En este contexto, según la teoría ácido-base de Brønsted-Lowry , un donante de protones es un ácido y un aceptor de protones una base .

Propiedades cuánticas

El protón, a diferencia de otras partículas como el electrón , no es una partícula fundamental sino que está formado por quarks y gluones , unidos por el mecanismo llamado confinamiento de color . El confinamiento es un fenómeno resultante de una fuerte interacción , cuya naturaleza, sin embargo, es oscura y elusiva. Por ejemplo, es interesante observar que la gran parte, alrededor del 99%, de la masa del protón, así como la del neutrón, está determinada por la energía de la misma interacción fuerte que mantiene unidos a los quarks , en lugar de que por su propia masa. [11] La intensidad de la fuerza nuclear fuerte disminuye a medida que aumenta la energía de las partículas que interactúan, de modo que los quarks y gluones se manifiestan como partículas individuales solo en colisiones a altas energías o temperaturas, en las que los protones, como en general los otros hadrones , fusionarse para formar el plasma de quarks y gluones .

La estructura interna de los protones se estudia en aceleradores de partículas a través de colisiones elásticas e inelásticas de alta energía entre protones y nucleones y entre protones y leptones , como los electrones. A partir de este tipo de experimentos, a partir de SLAC , fue posible descubrir por primera vez la existencia de partículas en el interior del protón. [12] Sobre la base de estos experimentos, Feynman formuló el modelo parton , el primero en tener en cuenta la estructura compuesta del protón. [13] En los años siguientes, los partones se identificaron con quarks y gluones, cuyas interacciones se describen mediante cromodinámica cuántica . Desde el punto de vista teórico, las funciones de distribución de los quarks y gluones codifican la estructura compuesta del protón.

Función de onda de los quarks de valencia

El protón está formado por tres quarks llamados valencia , que son capaces de explicar sus números cuánticos, como el espín y la carga eléctrica, pero que no capturan todas las interacciones y dinámicas dentro del protón. Por ejemplo, saber que el protón está formado por dos quarks de valencia arriba y uno abajo, y saber que el quark up tiene carga eléctrica , mientras que el de abajo , es posible calcular que la carga eléctrica del protón es igual a .

La función de onda del protón debe ser totalmente antisimétrica con respecto al intercambio de dos quarks de valencia, ya que el protón es un fermión. La antisimetría en el caso de los bariones viene dada por los componentes de color, mientras que la función de onda para los componentes de sabor y giro es simétrica e igual a

,

donde para cada quark o hacia abajo se otorga un giro o hacia abajo . [14]

La desintegración del protón

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: la desintegración de protones .

Según los experimentos actuales en física de partículas, el protón es una partícula "estable", lo que significa que no se descompone en otras partículas y por tanto, dentro de los límites experimentales, su vida es eterna. [15] Este hecho se resume en la conservación del número bariónico en los procesos entre partículas elementales . De hecho, el barión más ligero es precisamente el protón y, si se quiere conservar el número de bariones, no puede descomponerse en ninguna otra partícula más ligera.

Sin embargo, permanece abierta la posibilidad de que, en tiempos mucho más largos que los observados hasta ahora, el protón pueda descomponerse en otras partículas. De hecho, varios modelos teóricos de gran unificación (GUT) proponen procesos de no conservación del número bariónico, incluida la desintegración del protón. Al estudiar este eventual fenómeno sería posible investigar una región energética actualmente inalcanzable (aprox. 1 × 10 15 GeV ) y descubrir la existencia o no de una sola fuerza fundamental. Por esta razón, varios experimentos están activos en el mundo que tienen como objetivo medir la vida media del protón. Sin embargo, si tal evento existe, es extremadamente difícil de observar ya que requiere aparatos muy grandes y complejos para recolectar un número suficientemente grande de protones y tener una probabilidad no despreciable de detectar una desintegración. Actualmente solo existen límites experimentales para los diferentes canales de desintegración, todos mucho mayores que la edad del universo.

Por ejemplo, uno de los canales de decaimiento más estudiados es el siguiente:

pe + + π 0

con un límite inferior para la vida media parcial igual a 1,6 × 10 33 años. [dieciséis]

Nota

  1. ^ https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mp
  2. ^ https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mpc2mev
  3. ^ https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mpu
  4. ^ https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?e
  5. ^ N. Bezginov, T. Valdez, M. Horbatsch, A. Marsman, AC Vutha, EA Hessels, Una medición del desplazamiento de Lamb de hidrógeno atómico y el radio de carga de protones , en Science , vol. 365, n. 6457, 6 de septiembre de 2019, págs. 1007-1012, DOI : 10.1126 / science.aau7807 .
  6. ^ Ernest Rutherford, Constitución nuclear de átomos , en Actas de la Royal Society of London, A , vol. 97, 1920, págs. 374-400.
  7. El sufijo se usó, como lo fue para el electrón y como lo hubiera sido para muchos otros términos científicos, en el significado latino original, sin el significado aumentativo moderno. Cambios innovadores y conservadores en la morfología evaluativa del italiano. Origen, desarrollo y difusión del sufijo aumentativo –uno ( PDF ), en grandionline.net . Consultado el 28 de marzo de 2015 (archivado desde el original el 2 de abril de 2015) .
  8. ^ N. Bezginov, T. Valdez, M. Horbatsch, A. Marsman, AC Vutha, EA Hessels, Una medición del desplazamiento de Lamb de hidrógeno atómico y el radio de carga de protones , en Science , vol. 365, n. 6457, 6 de septiembre de 2019, págs. 1007-1012, DOI : 10.1126 / science.aau7807 .
  9. ^ Midió el radio de masa del protón , en media.inaf.it , 14 de mayo de 2021.
  10. ^ Bill Bryson, Una breve historia de (casi) todo , Guanda, 2006.
  11. ^ (EN) André Walker-Loud, Punto de vista: Disección de la masa del protón , en Física, vol. 11, 19 de noviembre de 2018, pág. 118.
  12. ^ (EN) Max Klein, Importación profunda de dispersión inelástica profunda en cerncourier.com, 2 de noviembre de 1999. Consultado el 26 de abril de 2020.
  13. ^ RP Feynman, The Behavior of Hadron Collisions at Extreme Energies , High Energy Collisions: Third International Conference en Stony Brook, NY , Gordon & Breach , 1969, págs. 237–249, ISBN 978-0-677-13950-0 .
  14. La equivalencia entre los nombres de los dos quarks ligeros y los nombres de los dos estados de espín tiene razones históricas y se encuentra en la simetría del isospín . Consulte, por ejemplo, (EN) Quark Model (PDF), en pdg.lbl.gov.
  15. ^ (EN) protón (PDG) (PDF), en pdg.lbl.gov. Consultado el 8 de octubre de 2014 .
  16. ^ H. Nishino y col. ( Colaboración Super-K ), búsqueda de la desintegración de protones a través de pe + + π 0 y pμ + + π 0 en un detector Cherenkov de agua grande , en Physical Review Letters , vol. 102, n. 14, 2012, pág. 141801, Código Bibliográfico : 2009PhRvL.102n1801N , DOI : 10.1103 / PhysRevLett.102.141801 .

Bibliografía

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