Protón Significado, Características, Descubrimiento e Importancia

  • Por Rebeca Fernández (Licenciada en Física)
  • Oct, 2020
  • ¿Qué se entiende por protón?

    Es una de las principales partículas atómicas, cuya ubicación se aprecia en el núcleo del átomo, al cual le confiere carga positiva. Allí, se encuentran los protones, muy cercanos unos a otros, y también a los neutrones, que son otras partículas subatómicas neutras, por lo que ambas partículas reciben el nombre de nucleones. Aunque las cargas del mismo signo se repelen, los protones positivos, junto a los neutrones sin carga, están ligados mediante fuerzas llamadas interacción fuerte e interacción débil, que le proveen al núcleo la estabilidad necesaria para formar la materia.

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    Interior del protón, constituido por tres quarks.

    Cada elemento en la tabla periódica contiene una determinada cantidad de protones que lo hace único: su número atómico.

    Por ejemplo el hidrógeno ordinario es el átomo más sencillo y abundante que se conoce en el universo y su número atómico es 1, ya que consta de un solo protón. De hecho un núcleo de hidrógeno es simplemente 1 protón.

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    Átomo de hidrógeno.

    Normalmente los átomos son neutros y la carga eléctrica positiva del protón es balanceada por la del electrón, el cual es otra partícula subatómica con carga de igual magnitud y signo contrario.

    Cualquier átomo con un solo protón en su núcleo es un átomo de hidrógeno, pero hay otras variantes llamadas isótopos, que pueden contener neutrones adicionales. Se trata del deuterio y el tritio, cuyo núcleo tiene 1 neutrón el primero y 2 neutrones el segundo. Estos isótopos son menos abundantes en la naturaleza que el hidrógeno ordinario, pero siguen siendo hidrógeno y se comportan como tales.

    Principales características del protón

    – Su masa en reposo es de 1.672 x 10-27 kg, 1840 veces mayor que la masa del electrón, pero muy semejante a la del neutrón. Algunos experimentos recientes apuntan a que la masa del protón es ligeramente menor al valor aceptado.

    – No es una partícula fundamental, ya que tiene una estructura interna conformada por otras partículas llamadas quarks, dos del tipo up y uno del tipo down. A las partículas que se forman con 3 quarks se las llama bariones.

    – En cuanto a su radio, es de aproximadamente 8.4 x 10-16 m, eso suponiendo que tiene forma esférica, pero es necesario destacar que las partículas subatómicas en realidad no son esferas diminutas, con radios bien definidos.

    – La carga es de +1.6 x 10-19 coulombios, de la misma magnitud que la del electrón y signo opuesto.

    – Pertenece a la familia de partículas subatómicas conocidas como fermiones, ya que su espín, asociado a su momento angular, es de ½. El espín es una propiedad fundamental de las partículas, al igual que la masa y la carga y que determina sus propiedades eléctricas y magnéticas.

    -Tiene una antipartícula llamada antiprotón, idéntica en todo, salvo en el signo de la carga.

    -Afortunadamente es una partícula estable y hasta el momento no se ha observado desintegración, aunque los científicos creen que eventualmente lo haría pasados 1035 años (la edad actual del universo se estima en 1010 años).

    Descubrimiento

    ¿Cómo detectar una partícula tan, tan pequeña como el protón? Fueron necesarios muchos y muy cuidadosos experimentos por parte de los físicos Ernest Rutherford, Hans Geiger y Ernest Marsden, a comienzos del siglo XX, entre 1908 y 1913.

    Geiger y Marsden, bajo la dirección de Rutherford, dispararon partículas alfa producto de la desintegración radiactiva del uranio, a delgadas láminas de oro y otros metales, y estudiaron su dispersión.

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    Esquema del experimento de dispersión de Rutherford, Geiger y Marsden.

    Ellos observaron que casi todas las partículas alfa, cargadas positivamente, atravesaban la lámina sin desviarse, impactando sobre una pantalla fluorescente sobre la que dejaban una huella, tal como se esperaba que lo hicieran.

    Pero unas pocas partículas experimentaban una desviación significativa y una cantidad aún menor rebotaba 180º. Los científicos probaron a bombardear láminas de diferentes metales y siempre observaban el mismo efecto.

    Esto era realmente sorprendente, pues indicaba que el metal contenía algo en su interior que repelía a las partículas alfa, y ese algo no solo era muy pequeño, sino que debía tener carga positiva también.

    Para explicar la desviación y el rebote de las partículas alfa, Rutherford postuló un nuevo modelo atómico, consistente en un núcleo muy pequeño, cargado positivamente y rodeado de electrones negativos, cual sistema solar en miniatura.

    Las partículas responsables se llamaron protones (los neutrones se descubrirían un poco más tarde), cuya existencia había sido predicha tiempo atrás por otros físicos.

    De esta manera se comprobó que las cargas positivas y negativas no estaban distribuidas uniformemente dentro del átomo, como se creía hasta entonces.

    Pese a la importancia que tuvo el incorporar el núcleo y los protones al átomo, la vigencia de este nuevo modelo fue breve, ya que no era acorde con un átomo estable.

    Importancia del protón y su estudio

    El protón es la partícula que le brinda a cada elemento de la tabla periódica sus cualidades, es decir, es responsable por sus propiedades físicas. Un átomo de carbono es de carbono porque tiene 6 protones en su núcleo y el de oxígeno lo es porque tiene 8 protones. Este es su respectivo número atómico, denotado por Z.

    Además, el protón contribuye a la masa del átomo, junto a los neutrones, y también se ocupa de mantener a los electrones ligados al núcleo, gracias a la atracción electrostática: las cargas de signos contrarios se atraen.

    El espín del protón (y del neutrón) es una característica que se aprovecha en la resonancia magnética nuclear. Los núcleos de algunos elementos resuenan con señales a determinadas frecuencias, lo que se utiliza para averiguar sus propiedades. Pero el espín neto de estos núcleos debe ser distinto de 0 para que tengan un momento magnético total no nulo, capaz de interactuar con un campo magnético externo.

    Manipulando los estados del momento magnético mediante la aplicación de señales de radiofrecuencia, se recoge y analiza la señal resultante amplificada, de la que se extraen las propiedades de la sustancia. Dicha técnica se conoce como espectroscopía por resonancia magnética.