Classificação | Partícula composta ( bárion ) |
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Composição |
2 quarks up (u) 1 quark down (d) |
Família | Fermion |
Grupo | Baryon ( nucleon ) |
Interação (ões) | Forte , eletromagnético , fraco , gravitação |
Símbolo | p, p + |
Antipartícula | Antiproton |
Massa |
938,272 MeV / c 2 (1,672 649 × 10 −27 kg ) (1,0072765 u ) |
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Carga elétrica | + e = 1,602 176 565 × 10 −19 C |
Raio de carga |
0,877 fm 0,84184 fm (ver problema do tamanho de prótons ) |
Momento dipolar | < 5,4 × 10 −24 C m |
Polarizabilidade elétrica | 1,2 (6) × 10 −3 fm 3 |
Momento magnético | 2.792 847 351 (28) μ N |
Polarizabilidade magnética | 1,9 (5) × 10 −4 fm 3 |
Carga de cor | 0 |
Rodar | ½ |
Isospin | ½ |
Paridade | +1 |
Tempo de vida |
Teoria: infinita (partícula estável) ou ~ 10 34 anos Experiência:> 5,9 × 10 33 anos |
Forma condensada | ½ |
Predição | William Prout , 1815 |
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Descoberta | 1919 |
Descobridor | Ernest Rutherford |
O próton é uma partícula subatômica que carrega uma carga elétrica elementar positiva.
Os prótons estão presentes nos núcleos atômicos , geralmente ligados aos nêutrons por forte interação (a única exceção, mas a do nuclídeo mais abundante no universo , é o núcleo de hidrogênio comum ( prótio 1 H), um único próton). O número de protões de um núcleo é representado pelo seu número atómico Z .
O próton não é uma partícula elementar, mas uma partícula composta . É composto de três partículas ligadas por glúons , dois quarks up e um quark down , o que o torna um bárion .
No âmbito do Modelo Padrão da física de partículas , e também experimentalmente no estado atual de nosso conhecimento, o próton também é estável no estado livre, fora de qualquer núcleo atômico. Algumas extensões do modelo padrão prevêem uma instabilidade (extremamente baixa) do próton livre .
O conceito de uma partícula semelhante ao hidrogénio , outros átomos que constituem, gradualmente desenvolvida durante a XIX th século e o início do XX th século. Já em 1815 , William Prout formulou a hipótese de que todos os átomos são compostos de átomos de hidrogênio, com base nas interpretações dos valores das massas atômicas; essa suposição acaba sendo falsa quando esses valores são medidos com mais precisão.
Em 1886 , Eugen Goldstein descobriu os raios do canal e mostrou que eles são compostos de partículas carregadas positivamente ( íons ) produzidas por gases. No entanto, como os íons produzidos por diferentes gases têm diferentes relações carga / massa, eles não são identificados como uma única partícula, ao contrário do elétron descoberto por Joseph Thomson em 1897 .
Após a descoberta do núcleo atômico por Ernest Rutherford em 1911 , Antonius van den Broek formulou a hipótese de que o lugar de cada elemento na tabela periódica é igual à carga de seu núcleo. Essa hipótese foi confirmada experimentalmente por Henry Moseley em 1913 .
Em 1919 , Rutherford provou que o núcleo do átomo de hidrogênio está presente em outros núcleos. Ele nota que quando as partículas alfa são enviadas para um gás nitrogênio , seus detectores de cintilação indicam a assinatura de núcleos de hidrogênio. Ele então determina que esse hidrogênio só pode vir do nitrogênio. Este núcleo de hidrogênio está, portanto, presente dentro de outro núcleo. Rutherford batiza a partícula correspondente com o nome de próton, após o neutro singular da palavra grega para "primo", πρῶτον .
O próton é um férmion de spin 12. É composto por três quarks de valência, o que o torna um bárion . Os dois quarks up e o quark down do próton estão ligados pela forte interação , transmitida pelos glúons , esses glúons trocados entre os quarks e que, pela energia de ligação que representam, constituirão cerca de 99% da massa do próton. Além desses três quarks de valência (que determinam os números quânticos da partícula) e glúons, o próton, como outros hádrons , é constituído por um "mar" de pares de quarks-antiquarks virtuais que aparecem e desaparecem na permanência. Os números quânticos desses pares virtuais se cancelam em média, não contribuindo assim para os do próton.
Como o nêutron , o próton é um nucleon e pode ser ligado a outros nucleons pela força nuclear dentro de um núcleo atômico . O núcleo do isótopo mais comum de hidrogênio é um único próton. O núcleo dos isótopos mais pesados, deutério e trítio, contém um próton ligado a um e dois nêutrons, respectivamente. Todos os outros núcleos atômicos são compostos de dois ou mais prótons e vários nêutrons. O número de prótons em um núcleo determina (por meio dos elétrons associados a ele) as propriedades químicas do átomo e, portanto, qual elemento químico ele representa.
A massa do próton é igual a aproximadamente 1,007 276 5 u , ou aproximadamente 938,272 0 M eV / c 2 ou 1,672 62 × 10 −27 kg . A massa do próton é aproximadamente 1.836,15 vezes a do elétron . Sua carga elétrica é exatamente igual a uma carga elementar positiva ( e ), que é +1,602 176 565 × 10 −19 C ; o elétron tem carga elétrica negativa, de valor oposto ao do próton. A carga elétrica do próton é igual à soma das cargas elétricas de seus quarks: a de cada quark up é igual a +23e e aquele do quark down -13e . Seu raio é de cerca de 0,84 fm .
Sendo uma partícula composta , o próton não é um ponto . Seu tamanho pode ser definido como seu raio de carga , ou seja, a raiz quadrada do raio quadrático médio de sua distribuição de carga.
Por várias décadas e até 2010, as medições do raio de carga do próton, obtidas por diferentes métodos, são consistentes em torno de 0,88 fm , com uma melhor estimativa de 0,8768 (69) fm . Em 2010, um novo método, envolvendo hidrogênio muônico , forneceu um novo valor muito preciso, mas incompatível com os anteriores: 0,841 84 (67) fm .
Os anos seguintes viram um acúmulo de resultados, obtidos por diferentes métodos, que se distribuíram entre valores altos (em torno de 0,877 fm ) e valores baixos (0,83-0,84 fm ), em princípio muito precisos, mas incompatíveis, sem 'podemos ainda decidir entre eles no final de 2019.
O próton não contém apenas os três chamados quarks de “valência” (dois u e um d), cuja massa representa apenas alguns% da massa total. Ele também contém numerosas partículas efêmeras, glúons, bem como pares quark-antiquark (quarks “mar”) resultantes da decomposição dos glúons.
Cada par quark-antiquark consiste em um quark u e sua antipartícula, ou um quark d e sua antipartícula. Os quarks ued tendo massas muito semelhantes, os pares dos dois tipos devem estar presentes em proporções igualmente semelhantes. Em 2021, a análise das colisões próton-próton mostrou que antiquarks d são mais abundantes do que antiquarks u (“assimetria de sabor”). Esse resultado, ainda inexplicado, está sem dúvida ligado ao problema da assimetria matéria-antimatéria .
Sendo o próton formado por quarks confinados pela presença de glúons , podemos definir o equivalente a uma pressão sentida pelos quarks. Podemos calcular a distribuição, dependendo da distância ao centro, usando o espalhamento Compton de elétrons muito energéticos (DVCS para espalhamento Compton virtual profundo ).
O próton livre (não ligado a outros núcleos ou elétrons) é uma partícula estável, cujo decaimento espontâneo em outras partículas nunca foi observado. Sua meia-vida foi medida como superior a 6,6 × 10 33 anos. Sua vida útil média é de pelo menos 2,1 × 10 29 anos.
Por outro lado, prótons podem ser transformados em nêutrons, por captura eletrônica . Este processo não é espontâneo e requer uma entrada de energia. A reação produz um nêutron e um neutrino de elétron :
O processo é reversível: nêutrons podem se transformar em prótons por meio do decaimento beta , uma forma de decaimento radioativo . Na verdade, um nêutron livre decai dessa forma com uma vida útil média de cerca de 15 minutos.
Em química e bioquímica , o termo próton geralmente se refere ao cátion H + , uma vez que um átomo de hidrogênio privado de seu único elétron se transforma em um próton. Deste nome derivam as expressões comuns em química de proticidade , solvente prótico / solvente aprótico , reação de protonação / desprotonação, RMN de próton , etc.
Em solução aquosa , um próton normalmente não é distinguível porque se associa muito facilmente com as moléculas de água para formar o íon oxônio (também, e incorretamente, denominado íon hidrônio ) H 3 O +.
A União Internacional de Química Pura e Aplicada declara explicitamente que a palavra próton não deve ser usada para denotar as espécies H + em sua abundância natural. Na verdade, além dos prótons ( 1 H + , também observado simplesmente H + na ausência de ambigüidade), os íons correspondentes ao isótopo do hidrogênio chamado prótio ( 1 H, ou simplesmente H na ausência de ambigüidade), os íons H + do hidrogênio natural podem ser deutérios ( 2 H + ou D + ) ou tritões ( 3 H + ou T + ), correspondendo respectivamente aos isótopos chamados deutério ( 2 H ou D) e trítio ( 3 H ou T).