Los protones son los ladrillos de los átomos

Cuanto más pesado es el átomo, más protones (y neutrones) contiene. El hidrógeno, que es el elemento más ligero, tiene un núcleo formado por un solo protón. El elemento más pesado de la Tabla Periódica, que es Oganesson, tiene 118 protones.

Los protones no son partículas elementales; en realidad están formados por partículas aún más pequeñas llamadas quarks. Al igual que los neutrones, los protones contienen tres quarks (dos quarks "arriba" y un quark "abajo") que la fuerza fuerte mantiene unidos dentro de un protón. Las partículas formadas por tres quarks se conocen como " bariones "; por lo tanto, cuando los físicos se refieren a "materia bariónica", se refieren específicamente a la materia formada por protones y neutrones que forman átomos que luego construyen todas las personas, planetas, estrellas, galaxias y todo lo demás que podemos ver visiblemente en el universo que nos rodea.

A lo largo de la mayor parte del siglo XIX, se pensó que los átomos eran el bloque de construcción más pequeño y básico de toda la materia, pero a medida que ese siglo se acercaba a su fin, la evidencia de que los átomos en realidad están hechos de partículas más pequeñas comenzó a crecer. Los científicos comenzaron a experimentar con rayos de ánodo y cátodo: estos son haces cargados positiva y negativamente producidos por tubos de descarga de gas.

En 1897 J.J. Thomson descubrió que los rayos catódicos son corrientes de partículas subatómicas eléctricamente negativas llamadas electrones, que se liberaban de los átomos en el tubo de descarga. En consecuencia, los rayos del ánodo deben ser corrientes de iones, que son átomos con carga positiva. En particular, los iones de hidrógeno fueron reconocidos en los rayos del ánodo en 1898 por el físico alemán Wilhelm Wien.

La primera hipótesis de la estructura de los átomos, por lo tanto, tenía electrones cargados negativamente esparcidos a través de una masa amorfamente distribuida de carga positiva. Se llamó el modelo del pudín de ciruelas, con los electrones siendo análogos a las ciruelas incrustadas en la masa.

El físico británico Ernest Rutherford dudaba de este modelo. Entre 1909 y 1911 Hans Geiger y Ernest Marsden, bajo la tutela de Rutherford en la Universidad de Manchester, dispararon lo que llamaron partículas alfa —lo que hoy conocemos como núcleos de helio— contra una hoja de lámina de oro. En el modelo del pudín de ciruelas, las partículas alfa deberían haber pasado directamente a través de los átomos de oro, o haberse desviado un poco.

En cambio, Geiger y Marsden descubrieron en su experimento que a veces las partículas alfa se desviaban en ángulos grandes o incluso rebotaban directamente. Eso solo podría suceder si hubiera un nudo de carga eléctrica en el centro de un átomo, en lugar de esparcirse como en el modelo del pudín de ciruelas. Esto convenció a Rutherford de que los átomos en realidad consistían en un núcleo diminuto y apretado rodeado por un espacio vacío con electrones que orbitaban alrededor del núcleo a cierta distancia.

Este modelo, aunque simplificado porque no incorpora el comportamiento de la mecánica cuántica de los electrones, se conoce como el modelo de Bohr en honor a Niels Bohr, quien junto con Rutherford juntó todas las piezas.

En el experimento de la hoja de oro, las partículas alfa desviadas se encontraban con este núcleo. Pero, ¿de qué estaba hecho el núcleo?

Varios experimentos, incluidos algunos realizados por Rutherford, demostraron que los núcleos de hidrógeno podían surgir de otros elementos y, en 1920, Rutherford había calculado que los núcleos de hidrógeno debían ser el componente básico de todos los núcleos atómicos, ya que el hidrógeno es el elemento más ligero. Llamó al núcleo de hidrógeno un protón, que significa "primero" en griego porque Rutherford lo vio como el primer bloque de construcción para todos los átomos. Hoy sabemos que los protones (y los neutrones) se forman a partir de partículas aún más pequeñas, los quarks, y que el núcleo de un átomo está formado por protones y neutrones (con la excepción de la forma básica del hidrógeno, que no tiene neutrones).

Un protón tiene lo que se llama una "carga elemental" (e), es la unidad básica de carga contra la cual se miden todas las demás cargas. Solo los quarks tienen una carga más pequeña, siendo un tercio o dos tercios de la carga elemental.
Dado que el hidrógeno es, con mucho, el elemento (o molécula) más común en el universo, y dado que los núcleos de hidrógeno son solo protones individuales, entonces basta con decir que la ciencia de los protones puede enseñarnos mucho sobre la distribución de la materia y los mecanismos violentos que lo generan.

Las nebulosas de formación de estrellas llenas de gas hidrógeno en el espacio profundo a menudo se denominan regiones H-II. Esta notación significa que el hidrógeno ha sido ionizado por la luz ultravioleta de las estrellas jóvenes que lo rodean (HI es hidrógeno atómico neutro; H-II está ionizado); la energía del fotón ultravioleta que absorbe el hidrógeno es suficiente para expulsar al electrón. Dado que un átomo de hidrógeno consta de un solo protón y un solo electrón, la pérdida del electrón deja solo el protón. Cuando un protón en la nebulosa recaptura un electrón, emite un fotón de luz a una longitud de onda característica de 656,3 nanómetros, conocida como emisión H-II.

Los protones también son vitales en el núcleo del sol, donde la energía que se manifiesta como la luz y el calor del sol se genera a través de un mecanismo conocido como cadena protón-protón. En el centro del sol, la temperatura alcanza los 27 millones de grados Fahrenheit (15 millones de grados Celsius), suficiente para la fusión nuclear. En estas altas temperaturas, todos los átomos están ionizados, y dado que el sol es principalmente hidrógeno, esto significa que el núcleo del sol está lleno de protones.