¿Sabías que, a pesar de tener el mismo valor de carga (pero en positivo), los protones son 2.000 veces más pesados que los electrones? Y, lo más llamativo de todo, es que nadie sabe por qué sucede esto: se trata de uno de los misterios aún presentes en la física moderna.
Y es que estas pequeñas partículas, los protones, son elementos de lo más curiosos y fascinantes. Ocupan la parte central del átomo, junto a los neutrones, formando un caparazón que aporta masa y carga positiva al átomo. Mientras, los electrones, cargados con energía negativa y mucho más ligeros, orbitan entorno a ellos en varias capas y saltando de unas a otras.
El electrón: la partícula responsable de que nada toque nada
Los protones son partículas indispensables para entender el mundo tal y como lo conocemos y, desde luego, sin ellos los átomos no tendrían sentido y la materia tendría una forma muy distinta: gracias a ellos, la carga negativa se equilibra con la positiva, se da neutralidad al átomo, y generan la unión para que los electrones no escapen de la zona externa.
Sin embargo, llegar a su descubrimiento fue un proceso caótico y difícil, lleno de experimentos cuyos sorprendentes resultados fascinaron a los científicos de la época. Te contamos todo sobre este característico hecho, así como de la importancia del protón en muchos aspectos de la vida actual.
RUTHERFORD Y LA LÁMINA DE ORO
A principios del siglo XX, ya se sabía que el átomo no era indivisible, sino que estaba compuesto de partículas más pequeñas. Esto era debido a que, en el año 1897, Joseph John Thomson había descubierto que lo componían pequeñas partículas de carga negativa a las que llamó electrones. Sin embargo, a partir de este hallazgo, se había determinado que el átomo debía ser una esfera donde los electrones y algún tipo de carga positiva desconocida que justificara su neutralidad y le diese masa, convivían juntos. En el año 1911, el físico británico Ernest Rutherford, desmintió esto con un fascinante experimento.
Lise Meitner, la científica que dividió el átomo
Se conoce como experimento de la lámina de oro y cambió la concepción del átomo por completo, dándole una forma similar a la que se conoce a día de hoy y marcando la física de la época. Así, Rutherford situó una lámina de oro, que rodeó de un detector de partículas, y bombardeó con un haz de emisión alfa, es decir, partículas cargadas positivamente. Como el físico pensaba que el átomo era una esfera cargada de forma uniforme, esperaba que las fuerzas estuviesen distribuidas y no fuese suficientes para desviar el haz. Por lo tanto, estaba seguro que el flujo de partículas alfa atravesaría la lámina sin inmutarse.
Sin embargo, el resultado fue inesperado: 1 de cada 20.000 partículas se desviaba. La única explicación lógica era que existiese una acumulación de carga positiva en el átomo, muy pequeña, que provocase esa desviación al las alfa con ellas. Es decir: la parte positiva y negativa no convivían en el centro del átomo. En palabras del propio Rutherford: “Fue el evento más increíble de mi vida, de hecho, fue casi tan increíble como si disparases una bala a un papel y esta regresase y te golpeara”
De esta forma, el físico británico pudo concluir que la carga positiva se encontraba en un volumen muy pequeño que, además, debía contener casi toda la masa del átomo, por eso las partículas alfa positivas se desviaban al encontrarse con ella. Además, eso derivaba en que el resto del átomo debía estar, prácticamente, vacío, y que los electrones debían ser partículas puntuales situadas alrededor del núcleo.
Años más tarde, en 1918 y a partir de esos primeros resultados, Rutherford realizó numerosos experimentos con nitrógeno y helio que le permitieron establecer la figuradel protón. Para ser más exactos, estableció que el núcleo de hidrógeno, ocupado por un único protón, se trataba de una partícula fundamental.
INDISPENSABLE, PERO NO ELEMENTAL
A pesar de todo, el protón no es una partícula elemental. Es decir, es indispensable en la comprensión de la interacción de la materia y en la composición y comportamiento de los átomos. Sin embargo, desde el año 1970, se sabe que no es una partícula fundamental, sino que está compuesta por otras tres. Se trata de los quarks.
Los quarks son partículas indivisibles que componen a otras más masivas, como por ejemplo, los neutrones o los propios protones. Son un tipo de elementos que no pueden observarse libres, sino que en grupos y, además, se trata del único tipo de partículas capaces de interactuar con las cuatro fuerzas que rigen la materia: la nuclear débil, la nuclear fuerte, la electromagnética y la gravitatoria. Su descubrimiento, en los primeros aceleradores de partículas, le valió en Nobel en 1990 a los físicos Richard Taylor, Henry Kendall y Jerome Friedman.
Taylor, Kendall y Friedman celebrando la entrega del Nobel de física de 1990.
LA RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR
Las propiedades de los protones son muy usadas en la medicina, y uno de los mejores ejemplos es el procedimiento de resonancia magnética nuclear, un proceso seguro y cómodo que permite obtener imágenes exactas del interior del cuerpo humano. Sirve, sobre todo, para la detección de enfermedades y la revisión del estado de órganos internos.
La técnica se aprovecha de la rotación del protón. Y es que, sí, los protones rotan sobre sí mismos en un movimiento llamado precesión, el cual les confiere un momento angular, es decir, una orientación. En la física, esta orientación se denomina spin. Así, se introduce una sustancia en el cuerpo del individuo que tiene capacidad para producir un campo magnético leve. Cuando el campo se genera, los protones se orientan de acuerdo a él, direccionando su spin. Cuando el pulso magnético pasa, los protones vuelven a su estado original, emitiendo una señal energética.
La RMN, o resonancia nuclear magnética, es capaz de detectar esas señales, las cuales se emitirán de forma diferente de acuerdo al estado del átomo y, por lo tanto, de la célula, y así crear imágenes que simulen el interior del cuerpo humano. Es una técnica más segura que las radiografías, puesto que no incluye el uso de rayos X.
Imagen del cerebro obtenida mediante resonancia magnética nuclear.
TERAPIA DE PROTONES
Además, dentro de ese mismo área médico, los protones son también usados en tratamientos de cáncer de diferentes tipos. En este tipo de técnica, conocida comoprotonterapia o terapia de protones, los haces de protones son usados para bombardear los tejidos afectados por el tumor.
Así, mediante un acelerador (el ciclotrón), se aceleran los protones, otorgándoles velocidad y, con ello, energía. Además, mediante una serie de elementos técnicos y dispositivos, es posible ajustar esta energía, limitar su ancho y especificar su dispersión, para conseguir el haz con las características deseadas. Las partículas se dirigen hacia la zona del tumor mediante un colimador y se genera la radiación. Los protones cargados atacarán entonces el ADN celular, generando muerte celular o interfiriendo en el proceso de división celular.
LOS ANTIPROTONES Y LOS RAYOS CÓSMICOS
Quizás, una de las partícula más curiosas relacionadas con los protones, sean los antiprotones, también conocidos como protones negativos. La diferencia con los protones es que su masa es igual, pero su carga es negativa y, además, no forman parte de los núcleos atómicos. Son elementos que se llevan observando desde hace más de 25 años en los rayos cósmicos, probablemente, debido a colisiones de protones con diferentes tipos de núcleos en el medio interestelar.
Confirmada una propiedad de la antimateria
Los antiprotones son parte de las antipartículas, un tipo de elementos poco comunes debido a su escaseza. Sin embargo, los científicos apuestan a que, en el origen del Universo, existían materia y antimateria en proporciones iguales. Y, aunque a día de hoy los científicos plantean una serie de posibles explicaciones, la razón de que les Universo observable esté compuesto en su mayor parte solo por materia y de que no se hayan encontrado grandes estructuras de antimateria en él, sigue siendo un completo misterio.
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