Protoi

Protoia (p edo p⁺) nukleoko partikula subatomiko bat da, karga elektriko positiboa duena. Haren karga oinarrizko karga-unitatea da: 1,602×10⁻¹⁹C.

Protoi
Protoiaren quark-egitura. Quark bakoitzaren kolore-karga ausazkoa da, baina hiru koloreek presente egon behar dute. Quarken arteko indarrak gluoiek kudeatzen dituzte.
Sailkapena	Barioia[1]
Konposaketa	2 u quark, d quark 1
Estatistika	Fermionikoa
Elkarreraginak	grabitazioa, elektromagnetiko, elkarrekintza ahula, elkarrekintza bortitza
Ikurra	, , N+
Antipartikula	Antiprotoia
Teorizatua	William Prout (1815)
Aurkitua	Ernest Rutherford (1917–1919, izen ematea, 1920) 1920
Masa inbariantea	1.672621777(74)×10−27 kg[2] 938.272046(21) MeV/c2[2] 1.007276466812(90) u[2]
Bataz besteko bizitza	>2.1×1029 urte (egonkorra)[3]
Karga elektrikoa	+1 e 1.602176565(35)×10−19 C[2]
Kargaren erradioa	0.8775(51) fm[2]
Dipolo elektrikoaren momentua	<5.4×10−24 e·cm
Polarizagarritasun elektrikoa	1.20(6)×10−3 fm3
Momentu magnetikoa	+1 e 1.602176565(35)×10−19 C[2]
Polarizagarritasun magnetikoa	1.9(5)×10−4 fm3
Espina	1⁄2
Isoespina	1⁄2
Paritatea	+1
Kondentsatua	I(JP) = 1⁄2(1⁄2+)

Atomo batek bere nukleoan duen protoi kopuruari zenbaki atomiko deritzo. Zenbaki atomikoak elementu kimikoa determinatzen du, elementuaren ezaugarri fisiko-kimiko asko baldintzatzen baititu. Taula periodikoan zenbaki atomikoaren arabera sailkatzen dira elementu kimikoak.^[4]Protoi hitza grezieratik dator (πρῶτον) eta lehena esan nahi du. Ernest Rutherford-ek 1920an hidrogeno-nukleoa izendatzeko erabili zuen. Arrazoia honakoa izan zen: Rutherford-ek, talka atomikoen bitartez, egiaztatu zuen hidrogeno-nukleoa nitrogenotik lor zitekeela.^[5] Bertatik, hidrogeno-nukleoa atomo pisutsuagoak eraikitzeko funtsa zela ondorioztatu zuen, horregatik, hain zuzen, esleitu zion hidrogeno-nukleoari "lehena" izena.

Halaber, kimikan eta biokimikan, protoi hitza hidrogeno-ioia (H⁺) adierazteko erabiltzen da. Testuinguru horretan, protoi-igorle bat azido bat da, eta protoi-hartzaile bat, basea^[6].

Protoiek, neutroiekin batera, nukleoi deritzon multzoa osatzen dute; hau da, atomoaren nukleoa osatzen duten partikulak dira. Protoi guztiek karga elektriko berdina dutenez, elkar aldaratzen dute. Hala ere, atomoen nukleoan pilatuta daude. Hori, distantzia txikietan, indar nuklear bortitzaren erakarpena aldarapen elektrostatikoa baino handiagoa delako da; beraz, protoiak trinkotu egiten dira, sakabanatu beharrean.^[7]

Deskribapena

Protoiak quarkez osatutako partikulak dira, horregatik, hadroien taldekoak kontsideratzen dira. Protoi bakoitza hiru balentzia quarkez osatuta dago,^[8] eta elkarrekintza nuklear bortitzari esker mantentzen dira elkarri lotuta. Horietako bi goi quarkak dira eta hirugarrena behe quarka. Goi quarkei dagokienez, +½  balioko spina dute; behe quarken kasuan, berriz, spina -½ -koa da. Hortaz, erraz ikusten da oinarrizko partikulen spinen batura eginez, protoiak +½  balioko spina duela. Ondorioz, protoiak spin erdi-osoa du, eta, beraz, definizioz, fermioia da. ^[9]Hortaz, protoia aldi berean hadroia eta fermioia da, ondorioz, barioia da.

Protoiaren masari dagokionez, zati handi bat lotura-energiaren ondorioa da. Hau da, hiru quarken masaren batura protoiaren masaren % 1a besterik ez da.^[10] Protoiaren gainerako masa gluoiek sorturiko lotura-energiatik eta lotura hauek inguratzen dituzten quark-antiquark bikoteetatik dator.^[7] Horrez gain, quarkek ez bezala, protoiek karga-erradio neurgarri bat dute: 0.833 fm, errorea ±0.010 fm delarik (2019an bi teknika desberdinekin egindako saiakeretan balio berdina eskuratu zen).^[11][12]

Bestalde, giro-tenperaturan, oro har, protoiak ez dira aske ibiltzen; elektroiekin loturak ezartzen dituzte, betiere beraien protoi izaera mantenduz. Batzuetan, ordea, protoiek energia zinetiko handiegia dute elektroiekin lotuta egoteko. Kasu horietan, inguruko materiarekin duten elkarrekintzaren ondorioz, abiadura galduz doaz. Nahikoa moteldu ostean, atomo baten elektroi-hodeian harrapatuta geratzen dira, partikula askea izateari utziz. Inguruan, materia beharrean, hutsa eta elektroi askeak baldin badaude (unibertsoaren sorreran bezala), elektroi bakarrarekin egingo du lotura protoiak, hidrogeno-atomo bat sortuz.

Historia

Hidrogeno-atomoa gainontzeko partikulen egituraren oinarria dena urte askotan ontzat hartu den ideia izan da. Pisu atomikoaren interpretazio sinplista batean oinarrituta, 1815ean, William Prout-ek atomo guztiak hidrogeno atomoz ("protyles" zeritzenak) osatuta zeudela proposatu zuen. ^[13] Hipotesi hura ordea, baztertu egin zen pisu atomikoen balio zehatzagoak neurtu zirenean.^[14]

1886an, Eugen Goldstein-ek izpi anodikoak aurkitu zituen, eta ondorioztau zuen gasetatik sortutako karga positibodun partikulak (ioiak) zirela. Goldstein-ek zioen, atomoa elektrikoki neutroa zenez, elektroien karga negatiboa konpentsatzeko karga positiboa ere izan behar zela atomoaren baitan. Hori frogatzeko, atomoaren kargaren eta masaren arteko proportzioa kalkulatu zuen izpi anodikoez baliatuz. Proportzio horren balioa izpi anodikoen hodian sarturiko gas motaren araberakoa zen. Ondorioz, hipotesian protoitzat jotako partikulak ioi positiboak zirela behatu zuen Goldstein-ek.

1911an Ernest Rutherford-ek atomoaren nukleoa aurkitu zuen^[15]. Ondoren, Antonius van den Broek-ek proposatu zuen elementu bakoitzaren taula periodikoko kokapena nukleoaren kargak; hau da, zenbaki atomikoak, determinatzen duela. Broek-ek proposatutakoa Henry Moseley-k frogatu zuen esperimentalki 1913an, X izpien espektroaz baliatuz.

1917an, Ernest Rutherford-ek egiaztatu zuen hidrogenoaren nukleoa beste atomoen nukleoan ere badagoela. Horretarako, bi esperimentu egin zituen: bata, 1919an, eta,  bestea, 1925ean. Lehenengo esperimentuan, nitrogenoa alfa-partikulekin bonbardatzean agertzen ziren distirak hidrogeno-nukleoen bere-berezkoak zirela konturatu zen. Bestela esanda, alfa-partikularen eta nitrogeno-atomoaren arteko talka gertatzean, nitrogenotik protoi bat askatzen zela ohartu zen. Esperimentuaren ondoren, hidrogeno-atomoak izen berezi bat behar zuela erabaki zuen, beste atomo guztien baitan zegoela frogatu baitzuen. Proton izendatu zuen (hitz honek grekoz lehena esan nahi du). Urte batzuk beranduago, Oliver Lodge-ek positiboki kargatutako hidrogeno-atomoa izendatzeko eskatu zion. Eskaera honi erantzunez, 1920an, protoi izena positiboki kargatutako hidrogeno atomoari esleitu zion.

Geroago, bigarren esperimentuan, kontrako prozesua ere posible zela ohartu zen. Hau da, 1925ean, nitrogeno-atomo eta alfa-partikula banaren arteko erreakzioaren produktuak protoi bat eta oxigeno-atomo bat zirela egiaztatu zuen. Aipatutako erreakzioa izan zen historian dokumentatutako lehen erreakzio nuklearra, 14N + α → 17O + p. Esperimentuak 1919an eta 1925ean burutu zirenez, batzuek diote Rutherford-ek protoia 1919an aurkitu zuela, beste batzuek, ordea, 1925ean.

Azken ikerketetan, zientzialariek frogatu dute trumoi-ekaitzek dozenaka MeV-ko energia duten protoiak sortzen dituztela.^[16] Horrez gain, protoien erabilera oso ohikoa da protoi-terapiako eta partikulen fisikako esperimentuetan, Hadroien Talkagailu Handia horren adibide argia izanik.

Atomoen egitura

Protoiei eta neutroiei nukleoi deritze. Nukleoi horiek indar nuklearraren bidez loturik daude, atomoaren nukleoa osatuz. Nukleoaren egitura sinpleena hidrogeno atomoaren protio isotopoa (¹H) da, zeina protoi bakarrez osatua dagoen. Hidrogenoaren beste bi isotopo deuterioa eta tritioa dira^[17]. Deuterioa elkarri loturik dauden protoi batez eta neutroi batez eraturik dago; tritioa, aldiz, protoi batez eta bi neutroiz. Gainerako atomoen nukleoak bi protoik edo gehiagok eta zenbait neutroik osatzen dute.

Protoia partikulen fisikan

Egonkortasuna

Protoia bario arinena izanik, partikula egonkorra dela esan daiteke. Gainera, protoi askeen desintegraziorik ez da inoiz behatu.^[18] Hala ere, eredu estandarrak protoiak bizitza-denbora finitua duela aurresaten du, 10³¹ eta 10³⁶ urte bitartekoa.^[3][19][20]

Teoria batzuek diote protoia energia xurgatu gabe desintegra daitekeela, azpian adierazitako eratan:^[21]

(1) Protoiaren desintegrazioa positroi eta pioi neutro banatan:

p → e+ + π⁰

(2) Protoiaren desintegrazioa muoi eta pioi neutro banatan:

p → μ + π⁰

Bestalde, protoiak neutroi bihur daitezke, alderantzizko beta-desintegrazio edo elektroi-harrapaketa deritzon prozesuaren bidez, neutroi-izarren sorreran gertatzen den bezalaxe. Gertaera hori ez da espontaneoa, energia xurgatzen baitu sistemak. Era berean, prozesua itzulgarria denez, aurkako prozesua ere gerta daiteke, modu espontaneoan. Beta-desintegrazio deritzo, eta haren batez besteko bizitza 15 minutu ingurukoa da.^[22]

Protoiaren erradioa

Azken behaketa esperimentalek diotenez, protoiaren erradioa 8,4184 × 10-16 m-koa da.^[23]

• Protoiaren erradioa = 2 h / (π c m_p) = 8,41235641483227·10-16 m
• Protoiaren erradioa = 2 λ_p / π = 8,41235641483233·10-16m
  • h Planck-en konstea da
  • π  3,14159265358979… da.
  • c argiaren abiadura da.
  • m_p protoiaren masa da.
  • λ_p protoiaren Compton-en uhin luzera da.

Protoi askeen elkarrekintza materiarekin

Nahiz eta protoiek elektroiekiko erakarpen indarra jasan, honek ez du eragin handirik protoiengan. Ondorioz, protoiek energia zinetiko asko galdu behar dute elektroi batekin lotura egonkor bat sortzeko. Energiaren galera hori protoiek nukleo atomikoekin talka egitean edo atomoak ionizatzean gertatu ohi da. Hala ere, elektroi batekin lotuta egon arren, protoiak bere izaera mantentzen du. Energia gutxiko protoi askeek jasaten duten elektroiekiko erakarpen indarrak protoiak geldiarazten ditu, eta, atomoekin elkartuz, beste egitura kimiko bat sortzen dute. Beraz, abiadura txikia duen protoi batek edozein material arrunt (plasma izango ez dena) zeharkatzen duenean, talka egingo du material horren atomo edo molekulekin. Talka horietan, atomo edo molekula horien elektroiek protoia erakarriko dute, eta protoi askea zenak eta molekulak, beste konposatu kimiko bat sortuko dute.

Antiprotoia

Protoiaren antipartikula antiprotoia da. Protoi negatibo izenez ere ezagutzen da. Protoiak eta antiprotoiak aurkako karga dute, baina masa berdina.^[24]

CPT-simetriak partikulek eta haien antipartikulek dituzten propietateak ezaugarritzen ditu. Adibidez, partikula baten eta haren antipartikulen kargen arteko batura nulua izan behar dela.

Protoia kimikan

Zenbaki atomikoa

Kimikan, atomoaren nukleoan dagoen protoi-kopuruari atomo-zenbaki edo zenbaki atomiko deritzo, eta, honek, zehazten du atomoa ze elementu kimiko den. Adibidez, kloroaren zenbaki atomikoa 17 da, beraz, kloro atomo bakoitzak 17 protoi ditu nukleoan, eta 17 protoidun atomo guztiak kloro atomoak dira. Atomo neutroen karga totala nulua da, karga positibodun protoi eta karga negatibodun elektroi kopurua berdina baita. Hala ere, elementu baten atomo guztiak ez dira beti berdinak. Askotan, atomoen protoi eta neutroi kopurua berdina izan arren, batzuetan ez da hori gertatzen. Kasu horiei isotopo deritze.

Erreferentziak

1. (Ingelesez) Amsler, C.; Doser, M.; Antonelli, M.; Asner, D.M.; Babu, K.S.; Baer, H.; Band, H.R.; Barnett, R.M. et al.. (2008-09). «Review of Particle Physics» Physics Letters B 667 (1-5): 1–6.  doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018. ISSN 0370-2693. (Noiz kontsultatua: 2018-11-21).
2. Mohr, P.J.; Taylor, B.N. and Newell, D.B. (2011), "The 2010 CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants", National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, US.
3. (Ingelesez) Buccella, F.; Miele, G.; Rosa, L.; Santorelli, P.; Tuzi, T.. (1989-12). «An upper limit for the proton lifetime in SO(10)» Physics Letters B 233 (1-2): 178–182.  doi:10.1016/0370-2693(89)90637-0. ISSN 0370-2693. (Noiz kontsultatua: 2018-11-21).
4. R., Scerri, Eric. (2007). The periodic table : its story and its significance. Oxford University Press ISBN 9780195345674. PMC 122340314. (Noiz kontsultatua: 2018-11-21).
5. (Ingelesez) «proton | Definition, Mass, Charge, & Facts» Encyclopedia Britannica (Noiz kontsultatua: 2020-12-03).
6. «ZT Hiztegi Berria» zthiztegia.elhuyar.eus (Noiz kontsultatua: 2021-01-17).
7. N., Cottingham, W.. (2001). An introduction to nuclear physics. (2nd ed. argitaraldia) Cambridge University Press ISBN 0511040466. PMC 56761496. (Noiz kontsultatua: 2018-11-21).
8. (Ingelesez) Adair, R. K.. (1988). The great design. Particles, fields, and creation.. (Noiz kontsultatua: 2020-12-03).
9. (Ingelesez) Eichten, Estia J.; Lane, Kenneth D.; Peskin, Michael E.. (1983-03-14). «New Tests for Quark and Lepton Substructure» Physical Review Letters 50 (11): 811–814.  doi:10.1103/PhysRevLett.50.811. ISSN 0031-9007. (Noiz kontsultatua: 2018-11-21).
10. «Has the mass of the common quark been nailed down?» Physics Today 2010  doi:10.1063/pt.5.024218. ISSN 1945-0699. (Noiz kontsultatua: 2020-12-03).
11. (Ingelesez) Bezginov, N.; Valdez, T.; Horbatsch, M.; Marsman, A.; Vutha, A. C.; Hessels, E. A.. (2019-09). «A measurement of the atomic hydrogen Lamb shift and the proton charge radius» Science 365 (6457): 1007–1012.  doi:10.1126/science.aau7807. ISSN 0036-8075. (Noiz kontsultatua: 2020-12-03).
12. (Ingelesez) Xiong, W.; Gasparian, A.; Gao, H.; Dutta, D.; Khandaker, M.; Liyanage, N.; Pasyuk, E.; Peng, C. et al.. (2019-11). «A small proton charge radius from an electron-proton scattering experiment» Nature 575 (7781): 147–150.  doi:10.1038/s41586-019-1721-2. ISSN 0028-0836. (Noiz kontsultatua: 2020-12-03).
13. F.R.S, Professor Orme Masson. (1921-02-01). «XXIV. The constitution of atoms» The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science 41 (242): 281–285.  doi:10.1080/14786442108636219. ISSN 1941-5982. (Noiz kontsultatua: 2020-12-03).
14. Scerri, Eric R.. (2007). The periodic table : its story and its significance. Oxford University Press ISBN 978-0-19-534567-4. PMC 122340314. (Noiz kontsultatua: 2020-12-03).
15. 1932-2011., Dahl, Per F.,. (1997). Flash of the cathode rays : a history of J.J. Thomson's electron. Institute of Physics Pub ISBN 0585208530. PMC 44959463. (Noiz kontsultatua: 2018-11-21).
16. (Ingelesez) Köhn, Christoph; Ebert, Ute. (2015-02). «Calculation of beams of positrons, neutrons, and protons associated with terrestrial gamma ray flashes» Journal of Geophysical Research (Atmospheres) 120 (4): 1620–1635.  doi:10.1002/2014JD022229. ISSN 0148-0227. (Noiz kontsultatua: 2020-12-03).
17. S., Rigden, John. (2002). Hydrogen : the essential element. Harvard University Press ISBN 0674007387. PMC 48256825. (Noiz kontsultatua: 2018-11-21).
18. (Ingelesez) Wilkes, Richard Jeffrey (ORCID:0000000208248524). (Wed Nov 15 00:00:00 EST 2017). Experimental Neutrino Physics. (Noiz kontsultatua: 2020-12-03).
19. (Ingelesez) Lee, Dae-Gyu; Mohapatra, R. N.; Parida, M. K.; Rani, Merostar. (1995-01-01). «Predictions for the proton lifetime in minimal nonsupersymmetric SO(10) models: An update» Physical Review D 51 (1): 229–235.  doi:10.1103/PhysRevD.51.229. ISSN 0556-2821. (Noiz kontsultatua: 2018-11-21).
20. «東京大学宇宙線研究所付属神岡宇宙素粒子研究施設» www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp (Noiz kontsultatua: 2018-11-21).
21. (Ingelesez) Nishino, H.; Clark, S.; Abe, K.; Hayato, Y.; Iida, T.; Ikeda, M.; Kameda, J.; Kobayashi, K. et al.. (2009-04). «Search for Proton Decay via p→e+π0 and p→μ+π0 in a Large Water Cherenkov Detector» Physical Review Letters 102 (14): 141801.  doi:10.1103/PhysRevLett.102.141801. ISSN 0031-9007. (Noiz kontsultatua: 2020-12-03).
22. (Ingelesez) Ahmed, S. N.; Anthony, A. E.; Beier, E. W.; Bellerive, A.; Biller, S. D.; Boger, J.; Boulay, M. G.; Bowler, M. G. et al.. (2004-03-10). «Constraints on Nucleon Decay via Invisible Modes from the Sudbury Neutrino Observatory» Physical Review Letters 92 (10)  doi:10.1103/PhysRevLett.92.102004. ISSN 0031-9007. (Noiz kontsultatua: 2018-11-21).
23. «Fundamental Physical Constants from NIST» physics.nist.gov (Noiz kontsultatua: 2020-12-03).
24. (Ingelesez) Gabrielse, G.. (2006-04). «Antiproton mass measurements» International Journal of Mass Spectrometry 251 (2-3): 273–280.  doi:10.1016/j.ijms.2006.02.013. (Noiz kontsultatua: 2020-12-03).

Bibliografia

1. «Fundamental Physical Constants. Proton mass»
2. «Decaimiento del Protón»
3. «The Behavior of Hadron Collisions at Extreme Energies»
4. «La desintegración radioactiva»
5. «LIV. Collision of α particles with light atoms. IV. An anomalous effect in nitrogen»
6. «¿Qué tan grande es el protón?»
7. «The size of the proton»
8. «Fundamental Physical Constants. Proton Compton wavelength»
9. «Mass of the Common Quark Finally Nailed Down»
10. «Ab initio determination of Light Hadron Masses»

Ikus, gainera

• Anfiprotiko
• Elektroi
• Fisika nuklear

Kanpo estekak

• Datuak: Q2294
• Multimedia: Protons / Q2294