How big is Protón?

Un protón es una partícula con carga eléctrica positiva que se encuentra en el núcleo, en el centro de todo átomo. Tiene unos 1,7 femtómetros de diámetro, medido como el doble de su radio de carga, el radio medio de su carga eléctrica. Un femtómetro es una millonésima de una milmillonésima de metro (10⁻¹⁵ metros).

Tamaño

Un protón no tiene una superficie dura. Es una nube de tres partículas más pequeñas llamadas quarks, dos quarks arriba y un quark abajo, unidas por la fuerza nuclear fuerte, la misma fuerza que mantiene unidos protones y neutrones en un núcleo. El valor recomendado de su radio de carga, que recoge el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos (NIST), es de 0,84075 femtómetros. Su incertidumbre es inferior al 1 %.

Hay dos formas principales de medirlo. Una consiste en lanzar electrones contra protones y registrar cómo rebotan. La otra mide la luz que emiten los átomos de hidrógeno, cuyos niveles de energía se desplazan muy ligeramente porque el protón no es un punto.

Comparaciones de tamaño

Un neutrón, el compañero del protón en el núcleo, tiene aproximadamente el mismo tamaño. Si se miden de la misma manera, por cómo se distribuye su magnetismo, sus radios difieren en menos de un 2 %.
Un núcleo de helio, formado por dos protones y dos neutrones, tiene unos 3,4 femtómetros de diámetro, el doble del ancho de un solo protón.
Un átomo de hidrógeno, formado por un protón con un electrón a su alrededor, tiene unos 0,1 nanómetros de diámetro, aproximadamente 60 000 veces el ancho de su protón. Un nanómetro es una milmillonésima de metro.
Si un protón se agrandara hasta el tamaño de un balón de baloncesto, el átomo de hidrógeno que lo rodea tendría unos 15 kilómetros de diámetro.
Unos 60 000 millones de protones, colocados uno al lado del otro, abarcarían el grosor de un cabello humano, de unos 0,1 milímetros.

El enigma del radio del protón

Antes de 2010, ambos métodos daban un radio de unos 0,88 femtómetros. Ese año, un equipo del Instituto Paul Scherrer, en Suiza, midió átomos de hidrógeno en los que el electrón había sido sustituido por un muón. Un muón es como un electrón, pero unas 200 veces más pesado, por lo que orbita mucho más cerca del protón y es mucho más sensible al tamaño de este. El equipo obtuvo 0,84184 femtómetros, aproximadamente un 4 % menos, una diferencia demasiado grande para atribuirla a un error de medición.

Los físicos llamaron a esta discrepancia el enigma del radio del protón, y algunos esperaban que fuera señal de una fuerza desconocida de la naturaleza. En 2019, el experimento PRad del Laboratorio Jefferson, en Virginia, en Estados Unidos, informó de un nuevo tipo de medición de la dispersión de electrones que dio 0,831 femtómetros, en línea con el valor menor. En 2026, un estudio preciso del hidrógeno corriente realizado en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, en Alemania, también coincidió con ese valor menor, y sus autores describen el enigma como resuelto.

Un componente básico de todos los elementos

El número de protones de un núcleo determina de qué elemento es un átomo. Todo átomo con un protón es de hidrógeno, y todo átomo con seis es de carbono. Un protón tiene 1 836 veces la masa de un electrón, así que los protones y neutrones del núcleo concentran casi toda la masa de un átomo.