Descubrimiento del protón: resumen y explicación

El protón es una partícula subatómica con carga eléctrica positiva que se encuentra en el núcleo de los átomos. Su descubrimiento fue el resultado de varias investigaciones realizadas entre finales del siglo XIX y comienzos del XX. Por eso, para entenderlo bien, conviene distinguir entre quienes detectaron los llamados rayos positivos y quien identificó la partícula del núcleo y le dio el nombre de protón.

En 1911, Ernest Rutherford propuso un modelo atómico según el cual casi toda la masa del átomo y su carga positiva se concentraban en una región central muy pequeña: el núcleo. Alrededor de ese núcleo se encontrarían los electrones, partículas de carga negativa. A partir de este modelo, Rutherford continuó investigando qué constituía exactamente el núcleo.

En 1920 utilizó el término protón para referirse a la partícula positiva fundamental del núcleo. La palabra procede del griego prôtos, que significa «primero». Sin embargo, las evidencias experimentales que llevaron a este descubrimiento habían comenzado varias décadas antes.

Resumen

El protón es una partícula subatómica de carga positiva situada en el núcleo atómico. Los experimentos de Goldstein permitieron observar los rayos canales, formados por partículas positivas, aunque sus características dependían del gas empleado. Rutherford relacionó esas partículas con los núcleos y, en 1920, las denominó protones. En 1918, al bombardear nitrógeno con partículas alfa, detectó núcleos de hidrógeno, demostrando que los núcleos atómicos podían contener protones, fundamentales para comprender la estructura de la materia.

Antecedentes: los rayos catódicos y los rayos canales

Durante la segunda mitad del siglo XIX, varios científicos estudiaron las descargas eléctricas producidas dentro de tubos con gases a baja presión. En estos experimentos aparecían los llamados rayos catódicos, que se desplazaban desde el cátodo, o electrodo negativo, hacia el ánodo.

En 1897, J. J. Thomson demostró que los rayos catódicos estaban formados por partículas con carga negativa. Estas partículas recibieron posteriormente el nombre de electrones. El resultado fue importante porque mostró que los átomos no eran indivisibles, como se había pensado durante mucho tiempo.

En 1886, el físico Eugen Goldstein modificó el tubo de descarga utilizado en este tipo de investigaciones. Colocó un cátodo perforado y observó que, además de los rayos catódicos, aparecía otro haz que atravesaba los orificios del electrodo en sentido contrario. A estas emisiones las llamó rayos canales, también conocidos como rayos positivos.

Los estudios posteriores indicaron que los rayos canales estaban formados por partículas con carga positiva. Cuando se aplicaba un campo eléctrico, esas partículas se desviaban hacia la placa negativa, lo que confirmaba el signo de su carga. Sin embargo, sus características dependían del gas introducido en el tubo: no siempre se trataba de la misma partícula.

El hidrógeno proporcionaba las partículas positivas más ligeras. Su núcleo está formado por una sola partícula positiva, que es el protón. Esta observación fue esencial para relacionar los rayos positivos con la estructura interna de los átomos.

Por esta razón, existe una diferencia entre dos formas de atribuir el descubrimiento. Goldstein fue quien observó los rayos canales, una evidencia temprana de partículas positivas. Rutherford, en cambio, relacionó de manera más clara esas partículas con los núcleos atómicos, estudió su participación en reacciones nucleares y las denominó protones.

El experimento de Rutherford

En 1918, Rutherford investigó qué ocurría cuando se bombardeaban determinados gases con partículas alfa. Estas partículas son núcleos de helio: están formadas por dos protones y dos neutrones y tienen una carga positiva, pero carecen de electrones.

En la época de los primeros experimentos de Rutherford todavía no se había demostrado la existencia del neutrón. Por ello, el investigador interpretaba las partículas alfa como agrupaciones de partículas positivas. Con el conocimiento actual sabemos que un núcleo de helio contiene dos protones y dos neutrones.

El dispositivo experimental incluía una fuente radiactiva capaz de emitir partículas alfa, una cámara por la que podían circular distintos gases y un sistema para detectar las partículas que salían del gas. La detección se realizaba mediante una pantalla recubierta de sulfuro de zinc, material que producía pequeños destellos cuando recibía el impacto de una partícula. Estos destellos se observaban con un microscopio.

También se empleaban materiales absorbentes, como láminas de mica, para comparar el alcance de las partículas. Además, un campo magnético desviaba otras radiaciones, como los electrones beta, con el fin de evitar que alterasen las observaciones.

Una de las propiedades que Rutherford podía estudiar era el alcance de las partículas. El alcance es la distancia que una partícula puede recorrer en un medio antes de perder su energía. Depende de factores como la naturaleza de la partícula, su energía inicial y el material que atraviesa. Al analizar ese recorrido y la forma en que las partículas se desviaban, era posible obtener información sobre lo que se había producido en el interior de la cámara.

Rutherford repitió las observaciones utilizando gases como el hidrógeno y el nitrógeno. Comparó las partículas que salían después de los choques con las partículas alfa que habían entrado en el aparato. El objetivo era averiguar si el bombardeo podía expulsar componentes del núcleo del gas estudiado.

Conclusiones: el descubrimiento del protón

Al bombardear nitrógeno con partículas alfa, Rutherford detectó la emisión de núcleos de hidrógeno. La interpretación fue que una colisión suficientemente energética podía provocar una transformación del núcleo de nitrógeno y liberar una partícula positiva equivalente al núcleo del hidrógeno.

En la actualidad, esta conclusión se expresa así: el núcleo del hidrógeno ordinario es un protón. Por tanto, los resultados mostraban que los núcleos de otros elementos podían contener partículas del mismo tipo que formaban el núcleo del hidrógeno.

El descubrimiento no consistió únicamente en observar una radiación positiva. Los experimentos de los rayos canales habían aportado la primera evidencia de partículas positivas, pero Rutherford dio un paso más: identificó la partícula como un componente fundamental de los núcleos atómicos y estableció su importancia para comprender la estructura de la materia.

El proceso puede organizarse en tres etapas:

1. Los experimentos con tubos de descarga permitieron descubrir los electrones y observar los rayos canales.
2. El estudio de esos rayos mostró que existían partículas con carga positiva.
3. Rutherford demostró, mediante el bombardeo de gases con partículas alfa, que los núcleos de los átomos podían liberar núcleos de hidrógeno, es decir, protones.

Así se consolidó la idea de que el núcleo atómico contiene protones. Más adelante se establecería que también contiene neutrones, mientras que los electrones se encuentran en la región exterior del átomo.