Próton -Proton

próton

O conteúdo de quarks de um próton. A atribuição de cores de quarks individuais é arbitrária, mas todas as três cores devem estar presentes. As forças entre quarks são mediadas por glúons .
Classificação	Barião
Composição	2 quarks up (u), 1 quark down (d)
Estatisticas	Fermiônico
Família	Hádron
Interações	Gravidade , eletromagnética , fraca , forte
Símbolo	p , p+ , N+ ,1 1H+
Antipartícula	Antipróton
Teorizado	William Prout (1815)
Descoberto	Observado como H + por Eugen Goldstein (1886). Identificado em outros núcleos (e nomeado) por Ernest Rutherford (1917-1920).
Massa	1.672 621 923 69 (51) × 10 −27  kg 1.007 276 466 621 (53) Da 938.272 088 16 (29)  MeV/ c 2
Vida útil média	>3,6 × 10 29  anos (estável)
Carga elétrica	+1  e 1.602 176 634 × 10 −19  C
Raio de carga	0,8414(19)  fm
Momento de dipolo elétrico	<2,1 × 10 −25  e ⋅cm
Polarizabilidade elétrica	0,001 12 (4) fm 3
Momento magnético	1.410 606 797 36 (60) × 10 −26  J⋅T −1 1.521 032 202 30 ( 46) × 10 −3  μB 2,792 847 344 63 (82  ) μN
Polarizabilidade magnética	1,9(5) × 10 −4  fm 3
Rodar	1/2
isospin	1/2
Paridade	+1
Condensado	Eu ( JP ) =1/2(1/2+ )

Um próton é uma partícula subatômica estável , símbolo
p
, H ⁺ ou ¹ H ^{+ com} carga elétrica positiva de +1  e carga elementar . Sua massa é ligeiramente menor que a de um nêutron e 1836 vezes a massa de um elétron (a razão de massa próton-elétron ). Prótons e nêutrons, cada um com massas de aproximadamente uma unidade de massa atômica , são referidos conjuntamente como " nucleons " (partículas presentes nos núcleos atômicos).

Um ou mais prótons estão presentes no núcleo de cada átomo . Eles fornecem a força central eletrostática atrativa que liga os elétrons atômicos. O número de prótons no núcleo é a propriedade definidora de um elemento e é referido como o número atômico (representado pelo símbolo Z ). Como cada elemento possui um número único de prótons, cada elemento possui seu próprio número atômico único, que determina o número de elétrons atômicos e, consequentemente, as características químicas do elemento.

A palavra próton é grega para "primeiro", e este nome foi dado ao núcleo de hidrogênio por Ernest Rutherford em 1920. Em anos anteriores, Rutherford havia descoberto que o núcleo de hidrogênio (conhecido por ser o núcleo mais leve) poderia ser extraído dos núcleos de nitrogênio por colisões atômicas. Os prótons eram, portanto, um candidato a ser uma partícula fundamental ou elementar e, portanto, um bloco de construção de nitrogênio e todos os outros núcleos atômicos mais pesados.

Embora os prótons fossem originalmente considerados partículas elementares, no moderno Modelo Padrão da física de partículas , os prótons agora são conhecidos como partículas compostas, contendo três quarks de valência e, juntamente com os nêutrons , agora são classificados como hádrons . Os prótons são compostos de dois quarks up de carga +2/3e e um quark down de carga −1/3e . As massas restantes dos quarks contribuem apenas com cerca de 1% da massa de um próton. O restante da massa de um próton é devido à energia de ligação da cromodinâmica quântica , que inclui a energia cinética dos quarks e a energia dos campos de glúons que unem os quarks. Como os prótons não são partículas fundamentais, eles possuem um tamanho mensurável; a raiz quadrada média do raio de carga de um próton é de cerca de 0,84-0,87 fm (ou0,84 × 10 ⁻¹⁵ a0,87 × 10 ⁻¹⁵  m ). Em 2019, dois estudos diferentes, usando técnicas diferentes, descobriram que esse raio era de 0,833 fm, com uma incerteza de ±0,010 fm.

Prótons livres ocorrem ocasionalmente na Terra: tempestades podem produzir prótons com energias de até várias dezenas de MeV. Em temperaturas e energias cinéticas suficientemente baixas, os prótons livres se ligarão aos elétrons . No entanto, o caráter desses prótons ligados não muda e eles permanecem prótons. Um próton rápido movendo-se através da matéria irá desacelerar por interações com elétrons e núcleos, até que seja capturado pela nuvem eletrônica de um átomo. O resultado é um átomo protonado, que é um composto químico de hidrogênio. No vácuo, quando elétrons livres estão presentes, um próton suficientemente lento pode pegar um único elétron livre, tornando-se um átomo de hidrogênio neutro , que é quimicamente um radical livre . Esses "átomos de hidrogênio livres" tendem a reagir quimicamente com muitos outros tipos de átomos em energias suficientemente baixas. Quando os átomos de hidrogênio livres reagem entre si, eles formam moléculas neutras de hidrogênio (H ₂ ), que são o componente molecular mais comum das nuvens moleculares no espaço interestelar .

Prótons livres são usados ​​rotineiramente para aceleradores para terapia de prótons ou vários experimentos de física de partículas, sendo o exemplo mais poderoso o Grande Colisor de Hádrons .

Descrição

Física nuclear
Núcleo  · Núcleos  ( p , n )  · Matéria nuclear  · Força nuclear  · Estrutura nuclear  · Reação nuclear
Modelos do núcleo Gota de líquido  · Modelo de concha nuclear  · Modelo de bósons interativos  · Ab initio
Classificação de nuclídeos Isótopos – iguais Z Isóbaros – iguais A Isótonos – iguais N Isódios – iguais N  −  Z       Isômeros – iguais a todos os anteriores Núcleos de espelho  – Z ↔ N Estável  · Mágico  · Par/ímpar  · Halo  ( Borromeu )
Estabilidade nuclear Energia de ligação  · Relação p–n  · Linha de gotejamento  · Ilha de estabilidade  · Vale de estabilidade  · Nuclídeo estável
Decaimento radioativo Alfa α  · Beta β  ( 2β ( 0v ), β + )  · Captura K/L  · Isomérica  ( Gama γ  · Conversão interna )  · Fissão espontânea  · Decaimento de cluster  · Emissão de nêutrons  · Emissão de prótons Energia do decaimento  · Cadeia do decaimento  · Produto do decaimento  · Nuclídeo radiogênico
Ficão nuclear Espontânea  · Produtos  ( quebra de pares )  · Fotofissão
Capturando processos elétron ( 2× )  · nêutron  ( s  · r )  · próton  ( p  · rp )
Processos de alta energia Espalação ( por raio cósmico )  · Fotodesintegração
Nucleossíntese e astrofísica nuclear Processos de fusão nuclear : Estelar  · Big Bang  · Nuclídeos de supernovas : Primordiais  · Cosmogênicos  · Artificiais
Física nuclear de alta energia Plasma de quark-glúon  · RHIC  · LHC
Cientistas Alvarez  · Becquerel  · Bethe  · A. Bohr  · N. Bohr  · Chadwick  · Cockcroft  · Ir. Curie  · Pe. Curie  · Pi. Curie  · Skłodowska-Curie  · Davisson  · Fermi  · Hahn  · Jensen  · Lawrence  · Mayer  · Meitner  · Oliphant  · Oppenheimer  · Proca  · Purcell  · Rabi  · Rutherford  · Soddy  · Strassmann  · Świątecki  · Szilárd  · Teller  · Thomson  · Walton  · Wigner
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v t e

Os prótons são giratórios1/2 férmions e são compostos de três quarks de valência, tornando-os bárions (um subtipo de hádrons ). Os dois quarks up e um quark down de um próton são mantidos juntos pela força forte , mediada por glúons . Uma perspectiva moderna tem um próton composto pelos quarks de valência (up, up, down), os glúons e pares transitórios de quarks do mar . Os prótons têm uma distribuição de carga positiva que decai aproximadamente exponencialmente, com um raio de carga quadrático médio de cerca de 0,8 fm.

Prótons e nêutrons são ambos nucleons , que podem ser unidos pela força nuclear para formar núcleos atômicos . O núcleo do isótopo mais comum do átomo de hidrogênio (com o símbolo químico "H") é um próton solitário. Os núcleos dos isótopos pesados ​​de hidrogênio deutério e trítio contêm um próton ligado a um e dois nêutrons, respectivamente. Todos os outros tipos de núcleos atômicos são compostos de dois ou mais prótons e vários números de nêutrons.

História

O conceito de uma partícula semelhante ao hidrogênio como constituinte de outros átomos foi desenvolvido durante um longo período. Já em 1815, William Prout propôs que todos os átomos são compostos de átomos de hidrogênio (que ele chamou de "protyles"), com base em uma interpretação simplista de valores iniciais de pesos atômicos (veja a hipótese de Prout ), que foi refutada quando valores mais precisos foram medido.

Ernest Rutherford na primeira Conferência Solvay , 1911

Próton detectado em uma câmara de nuvem de isopropanol

Em 1886, Eugen Goldstein descobriu os raios do canal (também conhecidos como raios anódicos) e mostrou que eram partículas carregadas positivamente (íons) produzidas a partir de gases. No entanto, como partículas de gases diferentes tinham valores diferentes de razão carga-massa (e/m), elas não podiam ser identificadas com uma única partícula, ao contrário dos elétrons negativos descobertos por JJ Thomson . Wilhelm Wien em 1898 identificou o íon hidrogênio como a partícula com a maior relação carga-massa em gases ionizados.

Após a descoberta do núcleo atômico por Ernest Rutherford em 1911, Antonius van den Broek propôs que o lugar de cada elemento na tabela periódica (seu número atômico) é igual à sua carga nuclear. Isto foi confirmado experimentalmente por Henry Moseley em 1913 usando espectros de raios-X .

Em 1917 (em experimentos relatados em 1919 e 1925), Rutherford provou que o núcleo de hidrogênio está presente em outros núcleos, resultado geralmente descrito como a descoberta dos prótons. Esses experimentos começaram depois que Rutherford notou que, quando partículas alfa eram lançadas no ar (principalmente nitrogênio), seus detectores de cintilação mostravam as assinaturas de núcleos de hidrogênio típicos como um produto. Após a experimentação, Rutherford rastreou a reação ao nitrogênio no ar e descobriu que quando as partículas alfa eram introduzidas no gás nitrogênio puro, o efeito era maior. Em 1919, Rutherford assumiu que a partícula alfa simplesmente derrubou um próton do nitrogênio, transformando-o em carbono. Depois de observar as imagens da câmara de nuvens de Blackett em 1925, Rutherford percebeu que a partícula alfa foi absorvida. Após a captura da partícula alfa, um núcleo de hidrogênio é ejetado, de modo que o oxigênio pesado, não o carbono, é o resultado – ou seja, o número atômico Z do núcleo é aumentado em vez de reduzido (veja a reação inicial proposta abaixo). Esta foi a primeira reação nuclear relatada , ¹⁴ N + α → ¹⁷ O + p . Rutherford inicialmente pensou em nosso "p" moderno nesta equação como um íon de hidrogênio, H ⁺ .

Dependendo da perspectiva de cada um, 1919 (quando foi visto experimentalmente como derivado de outra fonte que não o hidrogênio) ou 1920 (quando foi reconhecido e proposto como uma partícula elementar) pode ser considerado o momento em que o próton foi 'descoberto'.

Rutherford sabia que o hidrogênio era o elemento mais simples e leve e foi influenciado pela hipótese de Prout de que o hidrogênio era o bloco de construção de todos os elementos. A descoberta de que o núcleo de hidrogênio está presente em outros núcleos como uma partícula elementar levou Rutherford a dar ao núcleo de hidrogênio H ⁺ um nome especial como partícula, pois suspeitava que o hidrogênio, o elemento mais leve, continha apenas uma dessas partículas. Ele nomeou este novo bloco de construção fundamental do núcleo o próton, após o neutro singular da palavra grega para "primeiro", πρῶτον . No entanto, Rutherford também tinha em mente a palavra protyle usada por Prout. Rutherford falou na Associação Britânica para o Avanço da Ciência em sua reunião de Cardiff a partir de 24 de agosto de 1920. Na reunião, Oliver Lodge lhe pediu um novo nome para o núcleo de hidrogênio positivo para evitar confusão com o átomo de hidrogênio neutro. Ele inicialmente sugeriu próton e prouton (depois de Prout). Rutherford mais tarde relatou que a reunião havia aceitado sua sugestão de que o núcleo de hidrogênio fosse chamado de "próton", seguindo a palavra "protilo" de Prout. O primeiro uso da palavra "próton" na literatura científica apareceu em 1920.

Estabilidade

O próton livre (um próton não ligado a nucleons ou elétrons) é uma partícula estável que não foi observada se decompondo espontaneamente em outras partículas. Prótons livres são encontrados naturalmente em várias situações em que as energias ou temperaturas são altas o suficiente para separá-los dos elétrons, pelos quais eles têm alguma afinidade. Prótons livres existem em plasmas em que as temperaturas são muito altas para permitir que eles se combinem com os elétrons . Prótons livres de alta energia e velocidade compõem 90% dos raios cósmicos , que se propagam no vácuo por distâncias interestelares. Prótons livres são emitidos diretamente de núcleos atômicos em alguns tipos raros de decaimento radioativo . Os prótons também resultam (junto com elétrons e antineutrinos ) do decaimento radioativo de nêutrons livres, que são instáveis.

O decaimento espontâneo de prótons livres nunca foi observado e, portanto, os prótons são considerados partículas estáveis ​​de acordo com o Modelo Padrão. No entanto, algumas grandes teorias unificadas (GUTs) da física de partículas preveem que o decaimento de prótons deve ocorrer com tempos de vida entre 10 ³¹ a 10 ³⁶ anos e pesquisas experimentais estabeleceram limites inferiores no tempo de vida médio de um próton para vários produtos de decaimento assumidos.

Experimentos no detector Super-Kamiokande no Japão deram limites mais baixos para a vida média do próton de6,6 × 10 ³³  anos para decaimento para um antimuon e um píon neutro , e8,2 × 10 ³³  anos para decaimento para um pósitron e um píon neutro. Outro experimento no Sudbury Neutrino Observatory, no Canadá, buscou raios gama resultantes de núcleos residuais resultantes do decaimento de um próton do oxigênio-16. Este experimento foi projetado para detectar o decaimento de qualquer produto e estabeleceu um limite inferior para um tempo de vida do próton de2,1 × 10 ²⁹  anos .

No entanto, os prótons são conhecidos por se transformarem em nêutrons através do processo de captura de elétrons (também chamado de decaimento beta inverso ). Para prótons livres, esse processo não ocorre espontaneamente, mas apenas quando a energia é fornecida. A equação é:

p⁺
+
e⁻
→
n
+
ν
_e

O processo é reversível; os nêutrons podem se converter novamente em prótons através do decaimento beta , uma forma comum de decaimento radioativo . De fato, um nêutron livre decai dessa maneira, com um tempo de vida médio de cerca de 15 minutos. Um próton também pode se transformar em nêutrons através do decaimento beta mais (decaimento β+).

De acordo com a teoria quântica de campos , o tempo de vida médio adequado dos prótons se torna finito quando eles estão acelerando com aceleração adequada e diminui com o aumento . A aceleração dá origem a uma probabilidade que não desaparece para a transição${\displaystyle \tau _{\mathrm {p} }}$ ${\ estilo de exibição a}$${\displaystyle \tau _{\mathrm {p} }}$${\ estilo de exibição a}$
p⁺
→
n
+
e⁺
+
ν
_e. Isso foi motivo de preocupação no final da década de 1990 porque é um escalar que pode ser medido pelos observadores inerciais e coacelerados . No referencial inercial , o próton em aceleração deve decair de acordo com a fórmula acima. No entanto, de acordo com o observador coacelerado, o próton está em repouso e, portanto, não deve decair. Esse quebra-cabeça é resolvido ao perceber que no quadro coacelerado há um banho térmico devido ao efeito Fulling-Davies-Unruh , um efeito intrínseco da teoria quântica de campos. Nesse banho térmico, vivenciado pelo próton, há elétrons e antineutrinos com os quais o próton pode interagir de acordo com os processos: (i)${\displaystyle \tau _{\mathrm {p} }}$
p⁺
+
e⁻
→
n
+
ν
, (ii)
p⁺
+
ν
→
n
+
e⁺
e (iii)
p⁺
+
e⁻
+
ν
→
n
. Somando as contribuições de cada um desses processos, deve-se obter . ${\displaystyle \tau _{\mathrm {p} }}$

Quarks e a massa de um próton

Na cromodinâmica quântica , a teoria moderna da força nuclear, a maior parte da massa de prótons e nêutrons é explicada pela relatividade especial . A massa de um próton é cerca de 80 a 100 vezes maior que a soma das massas de repouso de seus três quarks de valência , enquanto os glúons têm massa de repouso zero. A energia extra dos quarks e glúons em um próton, em comparação com a energia de repouso dos quarks sozinhos no vácuo QCD , é responsável por quase 99% da massa do próton. A massa de repouso de um próton é, portanto, a massa invariante do sistema de quarks e glúons em movimento que compõem a partícula, e, em tais sistemas, mesmo a energia de partículas sem massa ainda é medida como parte da massa de repouso da partícula. sistema.

Dois termos são usados ​​para se referir à massa dos quarks que compõem os prótons: a massa do quark atual refere-se à massa de um quark por si só, enquanto a massa do quark constituinte refere-se à massa do quark atual mais a massa do campo de partículas de glúon ao redor do quark. quark. Essas massas normalmente têm valores muito diferentes. A energia cinética dos quarks que é consequência do confinamento é uma contribuição (veja Massa na relatividade especial ). Usando cálculos QCD de rede , as contribuições para a massa do próton são o condensado de quarks (~9%, compreendendo os quarks up e down e um mar de quarks estranhos virtuais), a energia cinética do quark (~32%), a cinética do glúon energia (~37%) e a contribuição gluônica anômala (~23%, compreendendo contribuições de condensados ​​de todos os sabores de quarks).

A função de onda do modelo quark constituinte para o próton é

$${\displaystyle \mathrm {|p_{\uparrow }\rangle ={\tfrac {1}{\sqrt {18}}}\left(2|u_{\uparrow }d_{\downarrow }u_{\uparrow }\ rangle +2|u_{\uparrow }u_{\uparrow }d_{\downarrow }\rangle +2|d_{\downarrow }u_{\uparrow }u_{\uparrow }\rangle -|u_{\uparrow }u_{ \downarrow }d_{\uparrow }\rangle -|u_{\uparrow }d_{\uparrow }u_{\downarrow }\rangle -|u_{\downarrow }d_{\uparrow }u_{\uparrow }\rangle -| d_{\uparrow }u_{\downarrow }u_{\uparrow }\rangle -|d_{\uparrow }u_{\uparrow }u_{\downarrow }\rangle -|u_{\downarrow }u_{\uparrow }d_{ \uparrow }\rangle \right)} .}$$

A dinâmica interna dos prótons é complicada, porque eles são determinados pela troca de glúons dos quarks e pela interação com vários condensados ​​de vácuo. A rede QCD fornece uma maneira de calcular a massa de um próton diretamente da teoria com qualquer precisão, em princípio. Os cálculos mais recentes afirmam que a massa é determinada com precisão superior a 4%, até mesmo com precisão de 1% (veja a Figura S5 em Dürr et al. ). Essas afirmações ainda são controversas, porque os cálculos ainda não podem ser feitos com quarks tão leves quanto no mundo real. Isso significa que as previsões são encontradas por um processo de extrapolação , que pode introduzir erros sistemáticos. É difícil dizer se esses erros são controlados adequadamente, porque as quantidades que são comparadas ao experimento são as massas dos hádrons , que são conhecidas de antemão.

Esses cálculos recentes são realizados por supercomputadores massivos e, como observado por Boffi e Pasquini: "uma descrição detalhada da estrutura do nucleon ainda está faltando porque ... o comportamento de longa distância requer um tratamento não perturbativo e/ou numérico ..." Mais As abordagens conceituais para a estrutura dos prótons são: a abordagem topológica do soliton originalmente devido a Tony Skyrme e a abordagem AdS/QCD mais precisa que a estende para incluir uma teoria das cordas de glúons, vários modelos inspirados em QCD, como o modelo bag e o quark constituinte modelo, que eram populares na década de 1980, e as regras de soma SVZ , que permitem cálculos aproximados de massa aproximados. Esses métodos não têm a mesma precisão que os métodos QCD de rede de força bruta, pelo menos ainda não.

Raio de carga

O problema de definir um raio para um núcleo atômico (próton) é semelhante ao problema do raio atômico , pois nem os átomos nem seus núcleos têm limites definidos. No entanto, o núcleo pode ser modelado como uma esfera de carga positiva para a interpretação de experimentos de espalhamento de elétrons : como não há limite definido para o núcleo, os elétrons "vêem" uma série de seções transversais, para as quais uma média pode ser tomada . A qualificação de "rms" (para " raiz quadrada média ") surge porque é a seção de choque nuclear, proporcional ao quadrado do raio, que é determinante para o espalhamento de elétrons.

O valor internacionalmente aceito do raio de carga de um próton é0,8768  fm (ver ordens de grandeza para comparação com outros tamanhos). Este valor é baseado em medições envolvendo um próton e um elétron (ou seja, medições de espalhamento de elétrons e cálculos complexos envolvendo seção de choque de espalhamento com base na equação de Rosenbluth para seção de choque de transferência de momento ), e estudos dos níveis de energia atômica de hidrogênio e deutério.

No entanto, em 2010, uma equipe de pesquisa internacional publicou uma medição do raio de carga do próton através do deslocamento de Lamb no hidrogênio muônico (um átomo exótico feito de um próton e um múon carregado negativamente ). Como um múon é 200 vezes mais pesado que um elétron, seu comprimento de onda de Broglie é correspondentemente menor. Esse orbital atômico menor é muito mais sensível ao raio de carga do próton, permitindo uma medição mais precisa. Sua medida da raiz quadrada média do raio de carga de um próton é "0,841 84 (67) fm , que difere em 5,0 desvios padrão do valor CODATA de0,8768(69) fm ". Em janeiro de 2013, um valor atualizado para o raio de carga de um próton—0,840 87 (39) fm — foi publicado. A precisão foi melhorada em 1,7 vezes, aumentando a significância da discrepância para 7 σ . O ajuste de CODATA de 2014 reduziu ligeiramente o valor recomendado para o raio do próton (calculado usando apenas medições de elétrons) para0,8751(61) fm , mas isso deixa a discrepância em 5,6 σ .

Se nenhum erro fosse encontrado nas medições ou cálculos, teria sido necessário reexaminar a teoria fundamental mais precisa e melhor testada do mundo: a eletrodinâmica quântica . O raio do próton era um quebra-cabeça a partir de 2017.

Uma resolução veio em 2019, quando dois estudos diferentes, usando diferentes técnicas envolvendo o deslocamento de Lamb do elétron no hidrogênio e o espalhamento elétron-próton, descobriram que o raio do próton era de 0,833 fm, com uma incerteza de ± 0,010 fm, e 0,831 fm.

O raio do próton está ligado ao fator de forma e à seção transversal de transferência de momento . O fator de forma atômica G modifica a seção transversal correspondente ao próton pontual.

${\displaystyle {\begin{aligned}R_{\text{e}}^{2}&=-6{{\frac {dG_{\text{e}}}{dq^{2}}}\,{ \ Bigg \vert }\,}_{q^{2}=0}\\{\frac {d\sigma }{d\Omega }}\ &={{\frac {d\sigma }{d\Omega }}\,{\ Bigg \vert }\,}_{\text{ponto}}G^{2}(q^{2})\end{alinhado}}}$

O fator de forma atômica está relacionado à densidade da função de onda do alvo:

${\displaystyle G(q^{2})=\int e^{iqr}\psi (r)^{2}\,dr^{3}}$

O fator de forma pode ser dividido em fatores de forma elétricos e magnéticos. Estes podem ser escritos como combinações lineares dos fatores de forma de Dirac e Pauli.

${\displaystyle {\begin{aligned}G_{\text{m}}&=F_{\text{D}}+F_{\text{P}}\\G_{\text{e}}&=F_{ \text{D}}-\tau F_{\text{P}}\\{\frac {d\sigma }{d\Omega }}&={{\frac {d\sigma }{d\Omega }} \,{\ Bigg \vert }\,}_{NS}{\frac {1}{1+\tau }}\left(G_{\text{e}}^{2}\left(q^{2 }\right)+{\frac {\tau }{\epsilon }}G_{\text{m}}^{2}\left(q^{2}\right)\right)\end{aligned}}}$

Pressão dentro do próton

Como o próton é composto de quarks confinados por glúons, uma pressão equivalente que atua sobre os quarks pode ser definida. Isso permite o cálculo de sua distribuição em função da distância do centro usando espalhamento Compton de elétrons de alta energia (DVCS, para espalhamento Compton profundamente virtual ). A pressão é máxima no centro, cerca de 10 ³⁵  Pa, que é maior que a pressão dentro de uma estrela de nêutrons . É positivo (repulsivo) a uma distância radial de cerca de 0,6 fm, negativo (atrativo) a distâncias maiores e muito fraco além de cerca de 2 fm.

Raio de carga em próton solvatado, hidrônio

O raio do próton hidratado aparece na equação de Born para calcular a entalpia de hidratação do hidrônio .

Interação de prótons livres com matéria comum

Embora os prótons tenham afinidade por elétrons de carga oposta, esta é uma interação de energia relativamente baixa e, portanto, os prótons livres devem perder velocidade suficiente (e energia cinética ) para se tornarem intimamente associados e ligados aos elétrons. Prótons de alta energia, ao atravessar a matéria comum, perdem energia por colisões com núcleos atômicos e por ionização de átomos (removendo elétrons) até que sejam desacelerados o suficiente para serem capturados pela nuvem de elétrons em um átomo normal.

No entanto, em tal associação com um elétron, o caráter do próton ligado não é alterado e permanece um próton. A atração de prótons livres de baixa energia para quaisquer elétrons presentes na matéria normal (como os elétrons em átomos normais) faz com que os prótons livres parem e formem uma nova ligação química com um átomo. Tal ligação acontece em qualquer temperatura suficientemente "fria" (isto é, comparável às temperaturas na superfície do Sol) e com qualquer tipo de átomo. Assim, em interação com qualquer tipo de matéria normal (não-plasmática), prótons livres de baixa velocidade não permanecem livres, mas são atraídos por elétrons em qualquer átomo ou molécula com a qual entram em contato, fazendo com que o próton e a molécula se combinem. Tais moléculas são então chamadas de " protonadas ", e quimicamente são simplesmente compostos de hidrogênio, muitas vezes carregados positivamente. Muitas vezes, como resultado, eles se tornam os chamados ácidos de Brønsted . Por exemplo, um próton capturado por uma molécula de água na água torna-se hidrônio , o cátion aquoso H ₃ O ⁺ .

Próton em química

Número atômico

Em química , o número de prótons no núcleo de um átomo é conhecido como número atômico , que determina o elemento químico ao qual o átomo pertence. Por exemplo, o número atômico do cloro é 17; isso significa que cada átomo de cloro tem 17 prótons e que todos os átomos com 17 prótons são átomos de cloro. As propriedades químicas de cada átomo são determinadas pelo número de elétrons (carregados negativamente) , que para átomos neutros é igual ao número de prótons (positivos), de modo que a carga total é zero. Por exemplo, um átomo de cloro neutro tem 17 prótons e 17 elétrons, enquanto um ânion Cl- ^tem 17 prótons e 18 elétrons para uma carga total de -1.

Todos os átomos de um determinado elemento não são necessariamente idênticos, no entanto. O número de nêutrons pode variar para formar diferentes isótopos , e os níveis de energia podem diferir, resultando em diferentes isômeros nucleares . Por exemplo, existem dois isótopos estáveis ​​de cloro :³⁵
₁₇Cl
com 35 − 17 = 18 nêutrons e³⁷
₁₇Cl
com 37 − 17 = 20 nêutrons.

íon hidrogênio

O prótio, o isótopo mais comum do hidrogênio, consiste em um próton e um elétron (não possui nêutrons). O termo "íon hidrogênio" ( H⁺
) implica que esse átomo de H perdeu seu único elétron, fazendo com que apenas um próton permaneça. Assim, em química, os termos "próton" e "íon hidrogênio" (para o isótopo de prótio) são usados ​​como sinônimos

Em química, o termo próton refere-se ao íon hidrogênio, H⁺
. Como o número atômico do hidrogênio é 1, um íon de hidrogênio não tem elétrons e corresponde a um núcleo nu, consistindo de um próton (e 0 nêutrons para o isótopo mais abundante prótio). ¹
₁H
). O próton é uma "carga nua" com apenas cerca de 1/64.000 do raio de um átomo de hidrogênio e, portanto, é extremamente reativo quimicamente. O próton livre, portanto, tem um tempo de vida extremamente curto em sistemas químicos como líquidos e reage imediatamente com a nuvem de elétrons de qualquer molécula disponível. Em solução aquosa, forma o íon hidrônio , H ₃ O ⁺ , que por sua vez é solvatado por moléculas de água em aglomerados como [H ₅ O ₂ ] ⁺ e [H ₉ O ₄ ] ⁺ .

A transferência de H⁺
em uma reação ácido-base é geralmente referido como "transferência de prótons". O ácido é referido como um doador de prótons e a base como um aceptor de prótons. Da mesma forma, termos bioquímicos como bomba de prótons e canal de prótons referem-se ao movimento de H⁺
íons.

O íon produzido pela remoção do elétron de um átomo de deutério é conhecido como deutério, não como próton. Da mesma forma, a remoção de um elétron de um átomo de trítio produz um tritão.

Ressonância magnética nuclear de prótons (RMN)

Também em química, o termo " NMR de prótons " refere-se à observação de núcleos de hidrogênio-1 em moléculas (principalmente orgânicas ) por ressonância magnética nuclear . Este método usa o momento magnético de spin quantizado do próton, que é devido ao seu momento angular (ou spin ), que por sua vez tem uma magnitude de metade da constante de Planck reduzida . ( ). O nome refere-se ao exame de prótons como eles ocorrem no prótio (átomos de hidrogênio-1) em compostos, e não implica que existam prótons livres no composto que está sendo estudado. ${\estilo de exibição \hbar /2}$

Exposição humana

Os Pacotes de Experimentos de Superfície Lunar da Apollo (ALSEP) determinaram que mais de 95% das partículas no vento solar são elétrons e prótons, em números aproximadamente iguais.

Como o Espectrômetro de Vento Solar fez medições contínuas, foi possível medir como o campo magnético da Terra afeta as partículas de vento solar que chegam. Por cerca de dois terços de cada órbita, a Lua está fora do campo magnético da Terra. Nesses momentos, uma densidade de prótons típica era de 10 a 20 por centímetro cúbico, com a maioria dos prótons tendo velocidades entre 400 e 650 quilômetros por segundo. Por cerca de cinco dias de cada mês, a Lua está dentro da cauda geomagnética da Terra e, normalmente, nenhuma partícula de vento solar foi detectada. Para o restante de cada órbita lunar, a Lua está em uma região de transição conhecida como bainha magnética, onde o campo magnético da Terra afeta o vento solar, mas não o exclui completamente. Nessa região, o fluxo de partículas é reduzido, com velocidades típicas de prótons de 250 a 450 quilômetros por segundo. Durante a noite lunar, o espectrômetro foi protegido do vento solar pela Lua e nenhuma partícula de vento solar foi medida.

Os prótons também têm origem extra-solar de raios cósmicos galácticos , onde representam cerca de 90% do fluxo total de partículas. Esses prótons geralmente têm energia mais alta que os prótons do vento solar, e sua intensidade é muito mais uniforme e menos variável do que os prótons vindos do Sol, cuja produção é fortemente afetada por eventos de prótons solares , como ejeções de massa coronal .

Pesquisas foram realizadas sobre os efeitos da taxa de dose dos prótons, como normalmente encontrados em viagens espaciais , na saúde humana. Para ser mais específico, há esperanças de identificar quais cromossomos específicos estão danificados e definir o dano durante o desenvolvimento do câncer a partir da exposição de prótons. Outro estudo procura determinar "os efeitos da exposição à irradiação de prótons em parâmetros neuroquímicos e comportamentais, incluindo funcionamento dopaminérgico , aprendizado de aversão ao sabor condicionado induzido por anfetaminas e aprendizado e memória espacial, conforme medido pelo labirinto aquático de Morris . Carregamento elétrico de uma espaçonave devido o bombardeio interplanetário de prótons também foi proposto para estudo.Existem muitos outros estudos que dizem respeito a viagens espaciais, incluindo raios cósmicos galácticos e seus possíveis efeitos sobre a saúde , e exposição a eventos de prótons solares .

Os experimentos de viagem espacial americano Biostack e soviético Biorack demonstraram a gravidade do dano molecular induzido por íons pesados ​​em microorganismos , incluindo cistos de Artemia .

Antipróton

A simetria CPT impõe fortes restrições às propriedades relativas de partículas e antipartículas e, portanto, está aberta a testes rigorosos. Por exemplo, as cargas de um próton e um antipróton devem somar exatamente zero. Esta igualdade foi testada para uma parte em10 ⁸ . A igualdade de suas massas também foi testada para melhor do que uma parte em10 ⁸ . Ao manter antiprótons em uma armadilha de Penning , a igualdade da razão carga-massa de prótons e antiprótons foi testada para uma parte em6 × 10 ⁹ . O momento magnético dos antiprótons foi medido com erro de8 × 10 ⁻³ magnetons de Bohr nucleares , e é igual e oposto ao de um próton.

Veja também

Referências

links externos

• Mídia relacionada a prótons no Wikimedia Commons
• Grupo de Dados de Partículas na LBL
• Grande Colisor de Hádrons
• Beirais, Laurence ; Copeland, Ed; Padilha, Antonio (Tony) (2010). "O próton encolhendo" . Sessenta Símbolos . Brady Haran para a Universidade de Nottingham .