Descubra Como o Próton Foi Descoberto e Qual Sua Função

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O próton é uma das pequenas partículas que constituem o núcleo atômico dos átomos. Uma partícula subatômica, com carga elétrica positiva +1e de carga elementar e com uma massa ligeiramente menor que a de um nêutron. Os prótons e os nêutrons possuem massa de aproximadamente uma unidade de massa atômica; referidos coletivamente como núcleos, prótons presentes no núcleo de um átomo.

O número de prótons no núcleo é conhecido como número atômico. Como cada elemento tem um único número de prótons, cada elemento tem seu próprio número atômico.

No moderno modelo padrão da física de partículas, o próton é um hádron e como o nêutron, é composto por três quarks. O próton foi considerado inicialmente uma partícula fundamental, no entanto é agora compreendido ser composto por três quarks de valência; dois quarks up e um quark down.

O assunto deste artigo é o próton e sua história iniciada em 1886, continue lendo para saber mais sobre:

A História dos Prótons

Características Físicas

Prótons Livres

Quarks e a Massa dos Prótons

Prótons na Química

Exposição Humana

Antipróton

A História dos Prótons

Inicialmente havia o conceito de uma partícula tipo hidrogênio como constituinte de outros átomos; conceito este que foi desenvolvido durante um longo período. Em 1815, William Prout propôs que todos os átomos são compostos de átomos de hidrogênio. Prout chamou a estes supostos átomos de hidrogênio de protyles. Ele se baseou numa interpretação simplista de valores iniciais de pesos atômicos, que foi refutada quando valores mais precisos foram medidos.

Em 1886, o físico alemão Eugen Goldstein descobriu os raios ânodos e mostrou que eram partículas carregadas positivamente produzidas a partir de gases. Variando os gases no interior dos tubos, Goldstein observou que estas partículas têm diferentes valores de carga e relação de massa. Por este motivo, não foi possível identificar a carga positiva na partícula; ao contrario das cargas negativas dos elétrons descoberto por Joseph John Thomson.

Depois que Ernest Rutherford descobriu o núcleo atômico em 1911; Antonius Van Den Broek propôs que o lugar de cada elemento na tabela periódica (seu número atômico) seja igual à sua carga nuclear. Isto foi confirmado pelas experiências do físico Inglês Henry Moseley usando espectros de raios x, em 1913.

A lei de Moseley em espectros de raios x justificou muitos conceitos em química; classificando os elementos da tabela periódica em uma ordem lógica baseada em sua física.

As Experiências de Rutherford

Em 1919, Rutherford relatou seus experimentos provando que o núcleo de hidrogênio está presente em outros núcleos. Este resultado é geralmente descrito como a descoberta de prótons. Rutherford aprendeu a produzir núcleos de hidrogênio como um tipo de radiação; criada como um produto do impacto de partículas alfa em gás nitrogênio e reconhecê-los por sua assinatura de penetração única no ar e sua aparência em detectores de cintilação.

Rutherford iniciou estes experimentos ao perceber que quando as partículas alfa foram acionadas no ar; seus detectores de cintilação mostraram as assinaturas dos núcleos de hidrogênio típicos como um produto. Depois do experimento, ele rastreou a reação do nitrogênio no ar e descobriu que quando os alfas eram produzidos em nitrogênio puro, o efeito era maior. Determinou então que este hidrogênio só poderia ter vindo do nitrogênio, portanto o nitrogênio deve conter núcleos de hidrogênio. Um núcleo de hidrogênio estava sendo derrubado pelo impacto da partícula alfa, produzindo oxigênio 17 no processo. Esta foi a primeira reação nuclear relatada.

A hipótese de Prout de que o hidrogênio era o bloco de construção de todos os elementos influenciou Rutherford. A descoberta de que o núcleo de hidrogênio está presente em todos os outros núcleos como uma partícula elementar; fez com que Rutherford lhe desse um nome especial como partícula. Ele suspeitava que o hidrogênio o elemento mais leve, continha apenas uma dessas partículas. Rutherford sugeriu que o núcleo de hidrogênio fosse chamado de próton seguindo a palavra “protyle” de Prout.

Características Físicas

Característica do Próton
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Prótons são férmios de spin compostos por três quarks de valência, tornando os bárions um subtipo de hádrons. Os dois quarks up e um quark down pertencentes ao próton são mantidos unidos pela forte interação nuclear medida pelos glúons. O próton tem carga positiva e a distribuição decai exponencialmente.

Uma perspectiva moderna tem o próton composto por quarks de valência, pelos glúons e pares transitórios de mar de quarks. O próton tem aproximadamente um exponencial decaimento de carga positiva de distribuição com um raio quadrado médio de cerca de 0,8 fm.

Prótons e nêutrons são núcleos. Ambos estão unidos pela força nuclear para formar núcleos atômicos. O núcleo do isótopo mais comum do átomo de hidrogênio é um próton sozinho. Os núcleos do hidrogênio pesado dos isótopos deutério e trítio contem um próton ligado a um ou dois nêutrons, respectivamente. Estes dois isótopos de hidrogênio são utilizados como combustível nuclear em reações de fusão nuclear. Todos os outros tipos de núcleos atômicos são compostos por dois ou mais prótons e diferentes números de nêutrons.

Prótons Livres

O próton livre é aquele que não está ligado a núcleos ou elétrons. Prótons livres são encontrados naturalmente em várias situações em que as energias ou as temperaturas são altas o suficiente para separá-los dos elétrons, para que tenham alguma afinidade.

Prótons livres de alta energia e velocidade compõem 90% dos raios cósmicos, que se propagam no vácuo em distâncias interestelares.

Em temperaturas suficientemente baixas, prótons livres ligam-se aos elétrons. No entanto as propriedades destes prótons não mudam e eles permanecem prótons. Um próton rápido se movendo através da matéria, vai diminuir as interações com elétrons e núcleos até que seja capturado pela nuvem eletrônica de um átomo. O resultado é um átomo protonado, um composto químico de hidrogênio.

A decomposição espontânea de prótons livres nunca foi observada e os prótons são, portanto, considerados partículas estáveis de acordo com o modelo padrão; o que significa que não se desintegra em outras partículas. Este ponto é resumido na conservação do número de bárions nos processos entre as partículas elementares. O que mais leva bárions é precisamente o próton. Se o número de bárion deve ser armazenado, não pode decair em outras partículas mais leves.

No entanto, algumas grandes teorias unificadas de física de partículas, preveem que a decadência de prótons deve ocorrer com vidas entre 10 31 e 10 36 anos. Pesquisas experimentais estabeleceram limites inferiores na vida útil média de um próton para vários produtos de decaimento assumidos.

Alguns tipos raros de prótons livres emitem decaimento radiativo e o resultado da decomposição de nêutrons livres em outras desintegrações. Prótons livres têm a capacidade de pegar um elétron, o que o torna um hidrogênio neutro, que pode reagir quimicamente com muita facilidade.

Interação de Prótons Livres Com a Matéria Comum

Os prótons têm afinidade por elétrons carregados de forma oposta, uma interação de energia relativamente baixa. Assim, os prótons livres devem perder velocidade e energia cinética suficiente para se associarem de perto aos elétrons. Os prótons de alta energia ao percorrer a matéria comum, perdem energia por colisões com núcleos atômicos e por ionização de átomos até serem devastados o suficiente para serem capturados pela nuvem de elétrons em um átomo normal.

Em tal associação com um elétron, o caráter do próton ligado não é alterado e continua sendo um próton. A atração de prótons livres de baixa energia, para qualquer elétron presente em matéria normal faz com que prótons livres parem e formem uma nova ligação química com um átomo. Esse vínculo ocorre a qualquer temperatura suficientemente fria e com qualquer tipo de átomo.

Em interação com qualquer tipo de matéria normal, que não seja plástica; os prótons livres de baixa velocidade são atraídos para elétrons em qualquer átomo ou molécula com o qual eles entram em contato; fazendo com que o próton e a molécula se combinem. Estas são as moléculas protonadas e quimicamente, muitas vezes, como resultado tornam-se ácidos de Bronsted.

Quarks e a Massa dos Prótons

Próton isótopo de hidrogênio
By Mets501 (Own work) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons
A massa de um próton é cerca de 80-100 vezes maior do que a soma das massas restantes dos quarks que o compõe; enquanto os glúons têm massa de repouso zero. A energia extra dos quarks e gluões em uma região dentro de um próton, em comparação com a energia restante dos quarks sozinhos no vácuo QCD, representam quase 99% da massa. A massa restante de um próton é a massa invariante de um sistema de quarks e glúons móveis que compõe a partícula. Em tais sistemas, mesmo a energia das partículas sem massa ainda é medida como parte da massa restante do sistema.

Dois termos são usados para se referir à massa dos quarks que compõe os prótons: a massa de quark atual; refere se a massa de um quark por si só, enquanto a massa de quark constituinte; refere-se à massa de quark atual, mais a massa de campo das partículas de glúon em torno do quark. Essas massas têm valores muito diferentes. Enquanto os glúons são intrinsecamente sem massa, eles possuem energia – a energia de ligação cromo dinâmica quântica – é isso que contribui tanto para a massa total dos prótons.

As dinâmicas internas dos prótons são complicadas, porque elas são determinadas pela troca de glúons dos quarks e pela interação com vários condensados de vácuo.

Prótons na Química

Número Atômico

Na química, o número de prótons no núcleo (Z) de um átomo é conhecido como o número atômico; que determina o elemento químico ao qual o átomo pertence. As propriedades químicas de cada átomo são determinadas pelo número de elétrons (carregados negativamente), que para átomos neutros são iguais ao número de prótons (positivos), de modo que a carga total seja zero.

Para determinar os isótopos de um elemento o número de nêutrons (N) também é utilizado por adição de todos os núcleos, conhecido como o número de massa (A).

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 formando diferentes isômeros nucleares.

Íon de Hidrogênio

O próton se refere ao íon de hidrogênio, H +. Uma vez que o número atômico de hidrogênio é 1 não possui elétrons e corresponde a um núcleo nu, constituído por um próton. O próton é uma carga nua com apenas cerca de 1/64.000 do raio de um átomo de hidrogênio, portanto é extremamente reativo quimicamente. O próton livre tem uma vida extremamente curta em sistemas químicos, como líquidos e reage imediatamente com a nuvem de elétrons de qualquer molécula disponível.

Ressonância Magnética Nuclear do Próton

O termo RMN de próton refere-se à observação de núcleos de hidrogênio-1 em moléculas, principalmente orgânicas, por ressonância magnética nuclear. Este método usa a rotação do próton, que tem o valor de metade. O nome refere-se ao exame de prótons à medida que ocorrem em átomos de hidrogênio-1; em compostos e não implica que existam prótons livres no composto que esta sendo estudado.

Exposição Humana

Os pacotes de experiências de superfície lunar Apolo determinaram que mais de 95% das partículas no vento solar são elétrons e prótons, em números aproximadamente iguais.

Foram realizadas pesquisas sobre os efeitos da taxa de dose de prótons, como normalmente são encontrados nas viagens espaciais, na saúde humana. Há esperanças de identificar quais cromossomos específicos são danificados e definir o dano, durante o desenvolvimento do câncer a partir da exposição ao próton.

Outro estudo procura determinar os efeitos da exposição à radiação de prótons em parâmetros neuroquímicos e comportamentais; incluindo o funcionamento dopaminérgico; a aprendizagem de aversão ao gosto condicionada induzida por anfetaminas e a aprendizagem espacial e a memória; conforme medido pelo labirinto de água de Moris.

Antipróton

O antipróton é a antipartícula do próton. Mas se diferencia do próton por ser negativo, não fazendo parte do núcleo atômico. O antipróton é estável, e no vácuo não se desintegra espontaneamente. No entanto, quando um antipróton se choca com um próton, ambas as partículas são transformadas em mésons; cuja média de vida é extremamente curta.

Embora a existência desta partícula elementar tenha ocorrido pela primeira vez na década de 1930, o antipróton só foi identificado em 1955; no laboratório de radiação da universidade da Califórnia por Emilio Segre e Owen Chamberlain. Razão pela qual foram premiados com o prêmio Nobel de Física em 1959.

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Referência para Próton