Os prótons são partículas minúsculas com apenas um femtômetro de diâmetro, mas sem eles, os átomos não existiriam

Ilustração gráfica de átomo contendo prótons. Crédito da imagem: cokada via Getty Images

Os prótons são minúsculas partículas subatômicas que, junto com os nêutrons, formam o núcleo de um átomo. 

Quanto mais pesado o átomo, mais prótons (e nêutrons) ele contém. O hidrogênio, que é o elemento mais leve, tem um núcleo feito de um único próton. O elemento mais pesado da Tabela Periódica, que é Oganesson, tem 118 prótons.

Os prótons não são partículas elementares; na verdade, eles são compostos de partículas ainda menores chamadas quarks. Como os nêutrons, os prótons contêm três quarks (dois quarks "up" e um quark "down") que são mantidos juntos dentro de um próton pela Força Forte. Partículas feitas de três quarks são chamadas de "bárions" , portanto, quando os físicos se referem à "matéria bariônica", eles estão se referindo especificamente à matéria feita de prótons e nêutrons que compõem os átomos que então constroem todas as pessoas, planetas, estrelas, galáxias e tudo o mais que podemos ver visivelmente no universo ao nosso redor.

DESCOBERTA DOS PRÓTONS

Durante a maior parte do século 19, pensava-se que os átomos eram o menor e mais básico bloco de construção de toda a matéria, mas quando o século se aproximava do fim, a evidência de que os átomos são realmente feitos de partículas menores começou a crescer. Os cientistas começaram a fazer experiências com raios anódicos e catódicos, que são feixes carregados positiva e negativamente produzidos por tubos de descarga de gás. 

Em 1897 JJ Thomson descobriu que os raios catódicos são fluxos de partículas subatômicas eletricamente negativas chamadas elétrons, que estavam sendo liberadas dos átomos no tubo de descarga. Correspondentemente, os raios anódicos devem ser fluxos de íons, que são átomos carregados positivamente. Em particular, os íons de hidrogênio foram reconhecidos em raios anódicos em 1898 pelo físico alemão Wilhelm Wien. 

A primeira hipótese da estrutura dos átomos, portanto, tinha elétrons carregados negativamente espalhados por uma massa amorfamente distribuída de carga positiva. Foi chamado de modelo do pudim de ameixa, com os elétrons sendo feitos de forma análoga a ameixas embutidas na massa. 

O físico britânico Ernest Rutherford duvidava desse modelo. Entre 1909 e 1911, Hans Geiger e Ernest Marsden, sob a tutela de Rutherford na Universidade de Manchester, dispararam o que foi chamado de partículas alfa, que conhecemos hoje como núcleos de hélio, em uma folha de ouro. No modelo do pudim de passas, as partículas alfa deveriam ter passado direto pelos átomos de ouro ou sido desviadas um pouco.

Fotografia de Ernest Rutherford e Hans Geiger com seu aparelho de contagem de partículas alfa. Crédito da imagem: Science & Society Picture Library via Getty Images

Em vez disso, Geiger e Marsden descobriram em seu experimento que às vezes as partículas alfa eram desviadas em grandes ângulos, ou até mesmo ricocheteavam para trás. Isso só poderia acontecer se houvesse um nó de carga elétrica no centro de um átomo, em vez de estar espalhado como no modelo do pudim de ameixas. Isso convenceu Rutherford de que os átomos realmente consistiam em um núcleo minúsculo e compacto cercado por um espaço vazio com elétrons orbitando ao redor do núcleo à distância. 

Este modelo, embora simplificado porque não incorpora o comportamento da mecânica quântica dos elétrons, é chamado de modelo de Bohr em homenagem a Niels Bohr, que junto com Rutherford juntou todas as peças.

No experimento da folha de ouro, as partículas alfa desviadas encontravam esse núcleo. Mas de que era feito o núcleo?

Vários experimentos, incluindo alguns realizados por Rutherford, mostraram que os núcleos de hidrogênio poderiam sair de outros elementos e, em 1920, Rutherford percebeu que os núcleos de hidrogênio deveriam ser o bloco de construção básico de todos os núcleos atômicos, já que o hidrogênio é o elemento mais leve. Ele chamou o núcleo de hidrogênio de próton, que significa "primeiro" em grego porque Rutherford o via como o primeiro bloco de construção de todos os átomos. Hoje sabemos que os prótons (e nêutrons) são formados a partir de partículas ainda menores, os quarks, e que o núcleo de um átomo é feito de prótons e nêutrons (com exceção da forma básica do hidrogênio, que não possui nêutrons).

QUAL É A CARGA DE UM PRÓTON?

Um próton tem o que é chamado de "carga elementar", ou "e" abreviadamente. É a unidade básica de carga contra a qual todas as outras cargas são medidas. Apenas os quarks têm uma carga menor, sendo um terço ou dois terços da carga elementar.

A carga elementar do próton é 1,602192 x 10^-19 coulombs (C). Isso é exatamente igual e oposta à carga de um elétron, que é, 1,602192 x 10^-19 coulombs. Como suas cargas são iguais e o outro coabitante do núcleo atômico, o nêutron, é neutro, desde que o número de prótons e elétrons seja igual, suas cargas se anulam e os átomos são eletricamente neutros. Remova um elétron de um átomo, de qualquer maneira, e isso perturba o equilíbrio entre as cargas cumulativas dos elétrons e dos prótons, e o átomo torna-se carregado positivamente, um íon.

QUAL É O TAMANHO E A MASSA DE UM PRÓTON?

Dado que os prótons são partículas subatômicas no coração de um átomo, eles são, portanto, extremamente pequenos, medindo apenas centenas de trilionésimos de metro (10^-15 metros). Robert Hofstadter, que era um físico americano que ganhou o Prêmio Nobel por seu trabalho caracterizando prótons e nêutrons, descreveu esta escala de 10^-15 metros como um 'femtômetro', em homenagem ao famoso físico Enrico Fermi

Prótons, nêutrons e elétrons

Podemos comparar a escala de um femtômetro com a largura de um cabelo humano, que está na região de cem milionésimos, ou 10^-8, de um metro, ou o raio de um átomo inteiro cerca de dez bilionésimos, ou 10^-10, de um metro. 

Dado seu tamanho minúsculo, eles também têm uma massa minúscula, apenas 1,673 x 10^-27 quilogramas. Isso é mil trilhões de trilionésimos de um quilograma. Para comparação, é 1.836 vezes mais massivo do que um elétron (9,1 x 10^-31 quilogramas). Também é um pouco menos massivo que um nêutron (1,674 x 10^-27 quilogramas, ou 1,008 vezes mais massivo que um próton). 

PRÓTONS NO ESPAÇO

A Nebulosa de Orion capturada em detalhes sem precedentes nesta imagem pelo Telescópio Espacial James Webb. A nebulosa de Orion é uma região H-II preenchida com gás hidrogênio. Crédito da imagem: NASA, ESA, CSA, Redução e análise de dados: Equipe PDRs4All ERS; processamento gráfico S. Fuenmayor

Dado que o hidrogênio é de longe o elemento (ou molécula) mais comum no universo, e como os núcleos de hidrogênio são apenas prótons individuais, basta dizer que a ciência dos prótons pode nos ensinar muito sobre a distribuição da matéria e os mecanismos violentos que conduzir alguns dos fenômenos mais energéticos do cosmos.

As nebulosas de formação estelar preenchidas com gás hidrogênio no espaço profundo são frequentemente chamadas de regiões H-II. Esta notação significa que o hidrogênio foi ionizado pela luz ultravioleta de estrelas jovens ao seu redor (HI é hidrogênio atômico neutro; H-II é ionizado); a energia do fóton ultravioleta que o hidrogênio absorve é suficiente para expulsar o elétron. Como um átomo de hidrogênio consiste em apenas um único próton e um único elétron, a perda do elétron deixa apenas o próton. Quando um próton na nebulosa recaptura um elétron, ele emite um fóton de luz em um comprimento de onda característico de 656,3 nanômetros, conhecida como emissão de H-II.

Os prótons também são vitais no núcleo do sol, onde a energia que se manifesta como a luz e o calor do sol é gerada por meio de um mecanismo conhecido como cadeia próton-próton. No núcleo do sol, a temperatura chega a 15 milhões de graus Celsius (27 milhões de graus Fahrenheit), suficiente para a fusão nuclear. Nessas altas temperaturas, todos os átomos são ionizados e, como o sol é principalmente hidrogênio, isso significa que o núcleo do sol está cheio de prótons. 

Na cadeia próton-próton, dois prótons que se juntam nessas condições no centro do sol podem se fundir, produzindo no processo um neutrino e um pósitron carregado positivamente (que é o equivalente de antimatéria de um elétron).

Perder a carga positiva transforma um dos prótons em um nêutron neutro e, juntos, o próton e o nêutron formam o deutério (um isótopo do hidrogênio). Esse núcleo de deutério pode então se fundir com outro próton, formando o hélio-3 (feito de dois prótons e um nêutron) e emitindo energia no processo que eventualmente segue seu caminho até a superfície do sol como radiação, que vemos como luz e sentimos como calor. 

Enquanto isso, o núcleo de hélio-3 pode então se fundir com outro núcleo de hélio-3 formado pelo mesmo processo, criando hélio-4 (2 prótons, 2 nêutrons) e emitindo outros dois prótons. Esses outros prótons podem então formar mais hélio-3 e assim por diante em uma reação em cadeia, liberando mais energia no processo. O sol contém núcleos de hidrogênio suficientes para continuar fazendo isso por mais 5 bilhões de anos.

Os prótons também são vitais no núcleo do sol, onde a energia que se manifesta como a luz e o calor do sol é gerada por meio de um mecanismo conhecido como cadeia próton-próton. Crédito da imagem: cokada via Getty Images

O vento solar, que é um fluxo de partículas carregadas que se afastam da atmosfera do sol, inclui muitos prótons além de elétrons e vários núcleos atômicos. Quando o vento solar colide com uma atmosfera planetária como a da Terra, os prótons e elétrons conduzem as linhas do campo magnético em direção aos polos do planeta, interagindo e ionizando átomos e moléculas na atmosfera. Esses átomos e moléculas então brilham, produzindo as auroras das luzes do norte e do sul.

Às vezes, o sol entra em erupção em uma erupção solar, muitas vezes resultando na liberação de uma ejeção de massa coronal. Essas violentas erupções solares podem acelerar prótons a altas energias. Essas "partículas de energia solar" são empurradas para quase a velocidade da luz à medida que se afastam do sol e são um perigo de radiação para astronautas e passageiros em aviões de alta altitude.

Existem também prótons de alta energia (e partículas alfa) vindos de fora do nosso sistema solar. Esses "raios cósmicos" são poderosos, viajando um pouquinho abaixo da velocidade da luz, mas sua origem permanece um mistério desconcertante. Evidentemente, eles são acelerados por poderosos campos magnéticos, e os principais suspeitos incluem núcleos galácticos ativos e os ambientes de buracos negros que eles contêm. Alternativamente, remanescentes de supernovas e regiões densas de formação de estrelas também foram propostas como pontos de origem para essas balas de partículas enviadas em nossa direção.

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RECURSOS ADICIONAIS

Aprenda como o próton é complexo com este artigo da Gaia Ciência. Explore como medições recentes reduziram o tamanho do próton com este artigo da Nature. Leia mais sobre prótons e aprenda sobre a fusão nuclear com a ajuda de alguns diagramas úteis neste artigo da Universidade de Warwick. 

BIBLIOGRAFIA

• Física de partículas, por Brian R. Martin (2011, One-World Publications)
• Collins Dicionário de Física vinculado à Internet (2007, Collins)

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Referência:

COOPER, Keith. Protons: The essential building blocks of atoms. Space, Nova York, 27, nov. 2022. References. Disponível em: <https://www.space.com/protons-facts-discovery-charge-mass>. Acesso em: 29, dez. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.