Por Kevin Beck - Actualizado el 30 de agosto de 2022
Los átomos son los componentes fundamentales de la materia y dentro de cada átomo se encuentra el núcleo, un conjunto compacto de protones y neutrones rodeado por una nube de electrones. Comprender el protón, el componente cargado positivamente del núcleo, es esencial para comprender la física y la química atómicas.
Hay 118 elementos conocidos, cada uno definido por su número atómico (el número de protones en su núcleo). La mayoría de los elementos también contienen neutrones, cuyo recuento varía para producir diferentes isótopos. La masa combinada de protones y neutrones representa casi toda la masa atómica; los electrones contribuyen de manera insignificante (aproximadamente 1/1800 de la masa de un protón).
El tamaño de un átomo crece con su número atómico porque la nube de electrones se expande, mientras que el núcleo permanece aproximadamente con el mismo radio independientemente del número de nucleones.
Los protones no son elementales; son bariones compuestos por tres quarks unidos por la fuerza fuerte. El contenido de quarks del protón es dos quarks arriba y uno abajo:
Los quarks vienen en seis sabores:arriba, abajo, arriba, abajo, encantador y extraño, aunque sólo los dos primeros son relevantes para la materia ordinaria. Los protones y neutrones forman parte de la familia de los bariones, que, junto con los mesones, constituyen los hadrones que experimentan la interacción fuerte.
El momento angular intrínseco (espín) del protón es 1/2ħ, una propiedad cuántica que no puede visualizarse como una esfera literal que gira. El espín surge de las contribuciones combinadas de los espines de los quarks, el momento angular orbital de los quarks y la dinámica de los gluones. Mientras que los primeros modelos atribuían incorrectamente el espín únicamente a los quarks, los experimentos modernos y los cálculos de QCD de red ahora concilian la teoría con la observación.
Sumar las masas de los quarks constituyentes produce sólo alrededor del 9% de la masa medida del protón. El resto se origina en la energía del campo de gluones y el movimiento dinámico de los quarks, manifestaciones de la cromodinámica cuántica (QCD). En 2018, las simulaciones de QCD reticular reprodujeron con éxito la masa del protón, confirmando que la mayor parte de la masa emerge de la energía de enlace y no del resto de las masas de los quarks.
Las masas de las partículas suelen expresarse en electronvoltios (eV). Como referencia, 1amu ≈ 931,5MeV/c².
Los protones son fundamentales para la estructura de la materia, y su masa, carga, espín y composición interna de quarks revelan la intrincada danza de las fuerzas fundamentales. Los avances en QCD continúan profundizando nuestra comprensión de cómo estas partículas aparentemente simples adquieren la masa y las propiedades que exhiben.
