Por Kevin Beck – Atualizado em 30 de agosto de 2022

Introdução

Os átomos são os blocos de construção fundamentais da matéria e dentro de cada átomo está o núcleo – um conjunto compacto de prótons e nêutrons cercado por uma nuvem de elétrons. Compreender o próton, o constituinte carregado positivamente do núcleo, é essencial para compreender a física e a química atômicas.

Visão geral do átomo

Existem 118 elementos conhecidos, cada um definido pelo seu número atômico – o número de prótons em seu núcleo. A maioria dos elementos também contém nêutrons, cuja contagem varia para produzir diferentes isótopos. A massa combinada de prótons e nêutrons representa quase toda a massa atômica; os elétrons contribuem de forma insignificante (cerca de 1/1.800 da massa de um próton).

O tamanho de um átomo aumenta com seu número atômico porque a nuvem de elétrons se expande, enquanto o núcleo permanece aproximadamente com o mesmo raio, independentemente do número de núcleons.

Fundamentos do Próton

• Massa:1,67×10 ⁻²⁷  kg (≈1 unidade de massa atômica)
• Carga:+1,6×10 ⁻¹⁹  C (positivo)
• Vida útil:o decaimento do próton, se ocorrer, tem meia-vida de aproximadamente 10 ³² –10 ³³  anos - excedendo em muito a idade do universo (~1,4×10 ¹⁰  anos).
• Massa de nêutrons:ligeiramente maior em 1,69×10 ⁻²⁷  quilograma; massa do elétron:9,11×10 ⁻³¹  kg.

A Estrutura do Próton

Os prótons não são elementares; eles são bárions compostos por três quarks ligados pela força forte. O conteúdo de quark do próton é dois quarks up e um quark down:

• Carga de quark ascendente:+2/3e
• Carga de quark down:–1/3e
• Cobrança líquida:(+2/3)+(+2/3)+(–1/3)=+1e

Os quarks vêm em seis sabores – para cima, para baixo, para cima, para baixo, charmoso e estranho – embora apenas os dois primeiros sejam relevantes para a matéria comum. Prótons e nêutrons fazem parte da família dos bárions, que, junto com os mésons, constituem os hádrons que vivenciam a forte interação.

Rotação do Próton

O momento angular intrínseco (spin) do próton é 1/2ħ, uma propriedade quântica que não pode ser visualizada como uma esfera giratória literal. O spin surge das contribuições combinadas dos spins dos quarks, do momento angular orbital dos quarks e da dinâmica dos glúons. Embora os primeiros modelos atribuíssem incorretamente o spin apenas aos quarks, os experimentos modernos e os cálculos de QCD em rede agora reconciliam a teoria com a observação.

Geração em massa:a massa “perdida”

A adição das massas dos quarks constituintes produz apenas cerca de 9% da massa medida do próton. O restante se origina da energia do campo de glúons e do movimento dinâmico dos quarks – manifestações da cromodinâmica quântica (QCD). Em 2018, simulações de rede QCD reproduziram com sucesso a massa do próton, confirmando que a maior parte da massa emerge da energia de ligação e não das massas restantes dos quarks.

As massas das partículas são frequentemente expressas em elétron-volts (eV). Para referência, 1amu ≈ 931,5MeV/c².

Conclusão

Os prótons são fundamentais para a estrutura da matéria, e sua massa, carga, spin e composição interna de quarks revelam a intrincada dança das forças fundamentais. Os avanços na QCD continuam a aprofundar a nossa compreensão de como estas partículas aparentemente simples adquirem a massa e as propriedades que exibem.