Ce este un proton?

Protonul este una dintre particulele subatomice, numite nucleoni. Împreună cu neutronul, el constituie nucleul atomilor. Nu este o particulă elementară deoarece este alcătuită din trei particule mai mici numite quarcuri. Acestea sunt legate între ele de forța nucleară puternică descrisă de ecuații analoge cu cele ale electromagnetismului. Teoria care descrie această forță este cromodinamica cuantică sau QCD (din engleză Quantum ChromoDynamics). Acesta prezice existența unor veri de fotoni numiți gluoni asociați cu câmpurile de forță QCD.

Elementele chimice sunt clasate în tabloul periodic al elementelor în funcție de numărul atomic. Protonul nu este o particulară elementară, ci una compusă. Este compus din trei particule, două quarcuri up și două down. Aceasta structură înseamnă că este vorba despre un baryon.

Protonul este o particulă încărcată pozitiv. Această sarcină este identică în valoare absolută cu cea a electronului și cu cea a antiparticulei sale încărcate negativ, antiprotonul. Quarcurile care alcătuiesc protonul, două quarcuri up și unul down poartă sarcini electrice ale căror valori sunt fracțiuni din sarcina electrică elementară a protonului și a electronului.

Proprietățile protonului

Masa protonului este de aproximativ 938,2721 MeV/c2 în unități de energie adaptate la fizica particulelor, ceea ce este echivalent cu 1,672 649×10-27 kg. Această masă se datorează în principal energiei schimbate sub formă de gluoni între quarcuri și, prin urmare, nu datorează aproape nimic maselor lor sau existenței bosonului Higgs. Putem calcula această masă cu ecuațiile QCD, dar acest lucru necesită supercalculatoare.

La fel ca neutronul, electronul și quarcurile, protonul este un fermion care poartă un moment unghiular intrinsec, un spin, egal cu ½ în unitatea dată de constanta lui Planck. Aparține grupului de hadroni, particule sensibile la interacțiuni puternice. Aceste forțe conțin quarcuri în protoni, astfel încât aceștia nu pot fi observați ca particule libere, ceea ce a sugerat pentru un timp că protonii erau particule elementare.

Numărul de protoni dintr-un atom este cel care va desemna proprietățile chimice ale acestui atom. Și deci elemental chimic al atomului- hidrogen, carbon, oxigen sau azot, de exemplu.

Originea termenului de proton

Termenul de proton a început să fie folosit curent în literatura științifică începând cu anul 1920 ca urmare a muncii de cercetare a lui Rutherford, care a descoperit existența nucleului și atomilor și care a demonstrat mai apoi că acetia conțineau nuclee de hidrogen.

Ori, în anul 1985, chimistul și medicul britanic, Wiliam Prout, a emis ipoteza conform căreia toți atomii erau construiți din atomi de hridrogen, pe care i-a botezat pornind de la numele din greacă, protos, care vrea să spună primul.

Povestea descoperirii sale datează din 1886, când Eugene Goldstein a descoperit razele anodice și a arătat că acestea erau particule încărcate pozitiv (ioni) produse din gaze.

Cu experimentele sale, Goldstein a observat că aceste particule aveau valori diferite ale relației dintre sarcină și masă. Din acest motiv, sarcina pozitivă cu o particulă nu a putut fi identificată.

În 1911, Ernest Rutherford și-a prezentat modelul atomic planetar. În acest model, a fost stabilit deja că o sarcină electrică pozitivă este concentrată în centrul atomului, înconjurată de electroni descoperiți de Thompson cu o sarcină negativă.

Bazându-se pe teoria lui Prout, Rutherford a ales astfel numele de proton și de prouton, dar primul a fost ales. Astfel că, protonul a fost una din primele particule care a fost identificată.

La fel ca și neutronul, protonul este folosit în domeniul medical pentru a distruge celulele canceroase, iradiindu-le. Este vorba în acest caz, de protonterapie.

Protonii accelerați sunt utilizați în medicină ca parte a terapiei cu protoni pentru tratamentul țesutului tumoral. Această terapie este mai blândă decât cea a razelor X convenționale, deoarece protonii își eliberează energia doar la o adâncime mică a țesutului (vârful Bragg). Deoarece țesutul este semnificativ mai puțin încărcat (factor 3 până la 4), țesutul din spatele lui este relativ ușor în comparație cu radioterapia cu raze X.

Protonii cu energii cinetice cuprinse între aproximativ 10 și 50 MeV din ciclotroni sunt utilizați atât pentru producerea de radionuclizi bogați în protoni în scopuri medicale, cât și pentru activarea la suprafață a pieselor de mașini pentru măsurătorile ulterioare ale uzurii.

Există și antiproton, adică antiparticula protonului. Este cunoscut și sub numele de proton negativ.

Protonul în chimie

Un proton (și nucleu de hidrogen, conform nomenclaturii oficiale a IUPAC) este în chimie un ion (cation) al hidrogenului H+ încărcat pozitiv, numit hidron, indiferent de masa nucleară. Un proton în sens chimic poate fi, prin urmare, un proton (în sens fizic), un deuteron sau un triton, deci poate conține și unul sau doi neutroni în plus față de protonul propriu-zis. Protonul joacă un rol major în aciditate după Bronsted și Lowry.

Prin donarea unui electron, teoretic rămâne doar un nucleu de atom de hidrogen cu un electron. Cu toate acestea, o astfel de formare a nucleelor ​​atomice libere nu este posibilă din punct de vedere chimic. Trebuie să existe întotdeauna o moleculă disponibilă pentru a susține protonul.

Care este durata de viață a unui proton?

Protonul este considerat a fi un etern din punct de vedere practic. Din punctul de vedere al unui model standard din fizică, este vorba despre particule stabile. Legile fizicii nu permit unui nucleon să se descompună în mod spontan din cauza păstrării numărului de baryoni.

Unele teorii prevăd că protonul se poate descompune în alte particule. Inițial, se credea că protonul este o particulă elementară, dar din anii 1970 au existat dovezi puternice că este o particulă compusă. Pentru cromodinamica cuantică, protonul este o particulă formată prin unirea stabilă a trei quarcuri.

De ce protonii sunt necesari?

Protonii sunt esențiali deoarece definesc elementul care este un atom. Numărul atomic, Z este numărul de protoni din nucleul său și este cel care determină proprietățile chimice ale atomului.

Numărul de neutroni, N, este folosit și el, adăugându-se toți nucleonii pentru a se determina izotopii unui element. În consecință, numărul masei, A, este suma celor două subparticule.

O altă caracteristică esențială este că încărcătura sa pozitivă este cea care ajută la capturarea electronilor și la menținerea lor în orbită în jurul nucleului atomului.