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En física, el protón (Griego πρῶτον protón = primero) es una partícula subatómica con una carga eléctrica de una unidad fundamental positiva. Se observa que el protón es estable, aunque algunas teorías predicen que el protón puede descomponerse. El protón tiene una densidad de aproximadamente 2.31 × 1017 kg m−3.

Los protones son fermiones spin-1/2 y están compuestos de tres quarks, lo que los convierte en bariones. Los dos quarks arriba y uno abajo del protón también se mantienen unidos por la fuerza nuclear fuerte, mediada por gluones. Los protones se pueden transmutar en neutrones mediante la desintegración beta inversa (es decir, capturando un electrón); Como los neutrones son más pesados ​​que los protones, este proceso no ocurre espontáneamente, sino solo cuando se suministra energía. El equivalente de antimateria del protón es el antiprotón, que tiene el mismo carga de magnitud como el protón pero el signo opuesto.

Los protones y los neutrones son ambos nucleones, que puede estar unida por la fuerza nuclear a núcleos atómicos. El isótopo más común del átomo de hidrógeno es un solo protón. Los núcleos de otros átomos están compuestos por varios números de protones y neutrones. El número de protones en el núcleo determina las propiedades químicas del átomo y qué elemento químico es.

En química y bioquímica, se piensa que el protón es el ion hidrógeno, denotado H+. En este contexto, un donante de protones es un ácido y un aceptor de protones una base (véanse las teorías de reacción ácido-base).

Una representación de un protón

Descripción

El protón es la partícula compuesta más simple. Contiene tres fermiones, llamados quarks, que han eliminado toda su carga de color en un halo de gluones según lo dictado por la función de onda de probabilidad cuántica de la interacción de color.

Un gluón es similar a un fotón de luz, excepto que un gluón va tanto hacia atrás como hacia adelante en el tiempo, tiene una carga cuántica de 'color' en un extremo y un 'anticolor' cuántico en el otro extremo. En el medio, el gluón es incoloro. El halo de gluón coloca todo el color y anticolor en la superficie del protón, mientras que el centro del protón es incoloro. Este centro incoloro es donde los quarks, ahora esencialmente incoloros, pasan la mayor parte del tiempo. Los quarks están 'confinados' a este centro incoloro, pero tienen mucho espacio para moverse, ya que el tamaño de los quarks en comparación con el halo de gluón extendido es como lo son tres partículas de polvo en la ciudad de Nueva York.

La superficie del protón, en lo que respecta a la interacción del color, se puede comparar con una pantalla de computadora en color que muestra blanco. En una inspección minuciosa, sin embargo, se compone de píxeles rojos, azules y verdes. Esta es la razón por la cual la superficie de color del protón con sus píxeles de extremos de gluón parece incolora. La energía de este halo de gluón relativamente vasto es responsable del 99.9 por ciento de la energía de masa del protón.

Los quarks, mientras pierden su carga de color, no tienen forma de deshacerse de su carga eléctrica. Como los quarks cargados se limitan a las regiones centrales incoloras del protón, el diámetro eléctrico del protón, la región donde se concentra toda la carga eléctrica, es significativamente menor que el diámetro de carga de color del protón.

Hay dos tipos de quarks en la materia regular. Los tres quarks en un protón son dos quarks en U, cada uno con +2/3 de carga eléctrica, y un D-quark con -1/3 de carga. El protón compuesto tiene una carga general de +1. En un neutrón, la otra partícula compuesta que se encuentra en los núcleos atómicos, hay una U y 2 Ds, y el neutrón tiene una carga total cero. Un aspecto de la interacción del color similar a la polarización en los fotones de luz hace que la combinación de quarks de neutrones genere unos pocos gluones más que la combinación de protones, y esto le da al neutrón un poco más de energía de masa que el protón.

Este es un diagrama de un protón (no a escala, por supuesto), con uno de los gluones magnificados. Este gluón en particular, una de las ocho combinaciones posibles de anticolor de color, tiene el rojo cuántico hacia adelante en el tiempo y el azul cuántico (como su complemento anticolor, amarillo) hacia atrás en el tiempo. Mientras los quarks (del tamaño de un grano de arena) permanezcan en el centro incoloro, la experiencia de lo que se llama 'libertad asintótica' y no tienen influencia de color en ellos. En este estado, se alinean de acuerdo con la forma de onda cuántica de su interacción electromagnética a medida que acoplan libremente los fotones.

Sin embargo, para que el quark abandone el centro incoloro y recoja el color de la periferia, se necesita mucha energía. De hecho, tanta energía que los pares de partículas virtuales de quarks y antiquarks se vuelven reales cuando un quark es expulsado del centro (quizás por un electrón muy enérgico) y aparecen nuevas combinaciones de quarks envueltos en gluones, como piones y otros Tales combinaciones. En ningún momento de ningún proceso de este tipo existe un "quark desnudo" que pueda observarse. Los Quarks están confinados por lo que se llama "esclavitud infrarroja" (no pueden escapar de su estado incoloro de baja energía) para ser observados siempre en combinaciones compuestas e incoloras.

Historia

Ernest Rutherford es generalmente acreditado con el descubrimiento del protón. En 1918, Rutherford notó que cuando las partículas alfa se inyectaban en gas nitrógeno, sus detectores de centelleo mostraban las firmas de los núcleos de hidrógeno. Rutherford determinó que el único lugar del que podría haber provenido este hidrógeno era el nitrógeno y, por lo tanto, el nitrógeno debe contener núcleos de hidrógeno. Por lo tanto, sugirió que el núcleo de hidrógeno, que se sabía que tenía un número atómico de 1, era una partícula elemental.

Antes de Rutherford, Eugene Goldstein había observado rayos del canal, que estaban compuestos de iones con carga positiva. Después del descubrimiento del electrón por J. J. Thomson, Goldstein sugirió que, dado que el átomo es eléctricamente neutro, debe haber una partícula cargada positivamente en el átomo e intentó descubrirlo. Utilizó los "rayos del canal" que se observan moviéndose contra el flujo de electrones en los tubos de rayos catódicos. Después de que el electrón se había eliminado de las partículas dentro del tubo de rayos catódicos, se cargaron positivamente y se movieron hacia el cátodo. La mayoría de las partículas cargadas pasaron a través del cátodo, que fue perforado y produjo un brillo en el vidrio. En este punto, Goldstein creía que había descubierto el protón. Calculó que la relación de carga a masa de esta nueva partícula (que en el caso del electrón resultó ser la misma para cada gas que se usó en el tubo de rayos catódicos) resultó diferente cuando se cambiaron los gases utilizados. La razón fue simple. Lo que Goldstein asumió que era un protón era en realidad un ion. Renunció a su trabajo allí.

Antiprotón

Artículo principal: antiprotón

los antiprotón Es la antipartícula del protón. Fue descubierto en 1955 por Emilio Segre y Owen Chamberlain, por lo que recibieron el Premio Nobel de Física de 1959.

La simetría de CPT impone fuertes restricciones sobre las propiedades relativas de partículas y antipartículas y, por lo tanto, está abierta a pruebas rigurosas. Por ejemplo, las cargas del protón y el antiprotón deben sumar exactamente cero. Esta igualdad se ha probado en una parte de 108. La igualdad de sus masas también se prueba en más de una parte de cada 108. Al mantener los antiprotones en una trampa Penning, la igualdad de la relación carga / masa del protón y el antiprotón se ha probado en 1 parte en 9 × 1011. El momento magnético del antiprotón se ha medido con un error de 8 × 10−3 Magnetons nucleares de Bohr, y se encuentra igual y opuesto al del protón.

Física de alta energía

Debido a su estabilidad y gran masa (en comparación con los electrones), los protones son muy adecuados para usar en colisionadores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN y el Tevatron en Fermilab. Los protones también constituyen una gran mayoría de los rayos cósmicos, que inciden en la atmósfera de la Tierra. Tales colisiones de protones de alta energía son más complicadas de estudiar que las colisiones de electrones, debido a la naturaleza compuesta del protón. Comprender los detalles de la estructura del protón requiere cromodinámica cuántica.

Ver también

  • partículas fisicas
  • partícula subatómica
  • cuarc
  • neutrón
  • electrón

Notas

  1. ↑ Valores CODATA para masa de protones y equivalente de energía de masa de protones, Referencia NIST sobre constantes, unidades e incertidumbre. Consultado el 19 de septiembre de 2007.
  2. ↑ B. Povh, Klaus Rith, Christoph Scholz y Frank Zetsche, Partículas y núcleos: una introducción a los conceptos físicostrans. Martin Lavelle (Berlín y Nueva York: Springer-Verlag, 1999, ISBN 3540438238).

Referencias

  • Povh, B., Klaus Rith, Christoph Scholz y Frank Zetsche. Partículas y núcleos: una introducción a los conceptos físicos. Berlín y Nueva York: Springer-Verlag, 1999. ISBN 3540438238

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