Protón: qué es, carga, masa y descubrimiento

Los protones son partículas subatómicas de carga positiva con una masa similar al neutrón y que forma parte del núcleo atómico del elemento. A su vez, está compuesto por 2 quarks up y un quark down, justo al contrario que los neutrones. La carga eléctrica positiva del protón se debe al intento fallido del quark down para compensar la carga del resto de quarks, pues la carga del primero es más pequeña e insuficiente para conseguirlo.

Siempre que se alcance la energía adecuada, los protones pueden moverse tanto dentro como fuera del núcleo. En el primer caso, los protones pueden moverse debido a la vibración térmica o a los aceleradores de partículas que los excitan hasta inducirles la velocidad de la luz. Pudiendo usarlos posteriormente como proyectiles para escudriñar la estructura y propiedades de la materia. A menos que se trate de un elemento químico inestable, se necesitará de una inyección de energía externa para poder movilizarlo.

Al tratarse de partículas cargadas, los protones pueden inducir la creación de un campo magnético. Al igual que sucedía con los neutrones, los protones tienen un momento angular intrínseco, por lo que el spin del protón es ½. Este valor es importante en la interacción con los campos magnéticos y hace que sea relevante para estudiar la estructura molecular de otros compuestos químicos. Las fuerzas electromagnéticas entre protones y electrones permiten compensar las cargas eléctricas entre ambos, conservando la estabilidad atómica.

Los protones determinan la identidad atómica del elemento, es decir, se usan para diferenciar los elementos químicos. Sufren una potente fuerza nuclear inducida por los neutrones, que compensa las fuerzas de repulsión provocadas entre la cargas de los protones, manteniéndolos unidos en el núcleo. Cuando un elemento químico posee la misma cantidad de neutrones y protones se denomina átomo neutro.

Aunque los protones son partículas bastante estables, la descompensación energética entre estos y los neutrones puede inducir a la desintegración alfa. Este proceso libera una cantidad de protones y neutrones en busca de una mayor estabilidad, variando la identidad del elemento químico. Un ejemplo de desintegración alfa es el paso del Ra (Radio) a He (Helio) y Rn (Radón), donde se produce la expulsión de 2 protones y 2 neutrones. Su desintegración conlleva la producción de importantes cantidades de energía, algo idóneo en los procesos de fisión y fusión nuclear. Sin embargo, la estabilidad del protón le confiere una vida infinita en términos experimentales, hallándose de manera libre en rayos cósmicos o vientos solares.

Carga de un protón

En cuanto a qué carga tiene un protón libre o en un átomo, esta es de 1,6 x10^-19 C siendo de signo opuesto a la carga del electrón. Semejante hecho permite la compensación de las cargas eléctricas y la neutralidad del elemento. Siguiendo los principios básicos de la compensación electrostática, los protones experimentan fuerzas de atracción con los electrones y fuerzas de repulsión entre sí. En general, el número de protones y electrones es el mismo. Sin embargo, puede perder electrones por lo que el equilibrio electrostático se perdería dando lugar a un ión negativo o positivo. Un átomo con exceso de protones se denomina catión, mientras que el exceso de electrones recibe el nombre de anión. Esta condición es muy importante desde el punto de vista químico, pues condiciona la reactividad de los elementos con otros y con su medio.

Masa de un protón

La masa del protón es significativamente mayor que el electrón y similar al neutrón, con un valor de 1,6726 x 10^-27 kg. Aunque la mayor masa del protón ejerce una considerable fuerza gravitatoria sobre el electrón, no es capaz de vencer las fuerzas electromagnéticas que mantienen los orbitales de electrones en su posición. En cuanto a los neutrones, si la cantidad de protones está descompensada con estos, ocurre la desintegración radiactiva en busca de una nueva posición de equilibrio. La masa del protón determina propiedades como la masa atómica, la reactividad química o la emisión/absorción de la radiación.

El protón fue descubierto en 1918 por Ernest Rutherford durante un experimento en el que bombardeaba una serie de gases ligeros. Sin embargo, sus avances se apoyaron sobre otros estudios científicos reseñables, a la vez que servían de apoyo a otros profesionales. Así, Rutherford consideró los avances de J.J Thomson para indagar sobre la naturaleza atómica. Con ayuda de Hans Geiger realizó un experimento donde acribillaban nitrógeno con partículas alfa.

Durante el proceso, se emitieron una serie de partículas de carga positiva con una masa considerablemente mayor que los electrones. Además, comprobaron la transmutación de elementos químicos al observar la transformación del nitrógeno a oxígeno. Ambos propusieron que estas partículas eran núcleos de hidrógeno, partícula fundamental común en todos los núcleos atómicos. Otro experimento famoso relacionado es el que realizó Ernest Marsden con Geiger en el que bombardearon una lámina de oro con partículas alfa.

Se propuso el nombre de rayos canales o positivos para identificar a las partículas descubiertas. El nombre protón fue usado por el propio Rutherford en el año 1925. En su modelo, propuso la existencia de electrones en el núcleo, circunstancia desmentida por Chadwick en 1932. En cuanto a qué carga tiene el protón, tuvo que intervenir Robert Millikan para que se abarcara la relación de las cargas del protón con las del electrón y su valor aproximado. La parte referente a la estructura nuclear de protones y neutrones vino de la mano de Werner Heisenberg tiempo después. Por tanto, el descubrimiento del protón tal como lo conocemos se apoya en la sucesión de diversos experimentos solapados unos con otros.

Ahora que ya sabes qué es un protón, su carga, su masa y su descubrimiento, te animamos a leer nuestros artículos sobre Ernest Rutherford y los Modelos atómicos: qué son y línea del tiempo.

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