Protone

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.
Protone
Quark structure proton.svg
Modello a quark del protone
Classificazione Fermione
Composizione 2 quark up, 1 quark down
Famiglia Adrone
Gruppo Barione
Interazione Gravità, Elettromagnetica, Debole, Forte
Antiparticella Antiprotone
Scoperta Eugene Goldstein nel 1885
Simbolo p+
Massa 1,672 621 71(29) × 10−27 kg

938,272 029(80) MeV/c2

1,007 276 466 88(13) u

Carica elettrica 1,602 176 53(14) × 10−19 C
Spin ½

Il protone è una particella subatomica composta dotata di carica elettrica positiva, formata da due quark up e un quark down che sono detti di valenza, in quanto ne determinano quasi tutte le caratteristiche fisiche.

Costituisce il nucleo assieme al neutrone, con il quale si trasforma continuamente mediante l'emissione e l'assorbimento di pioni.

Il nome "protone" venne introdotto nel 1920 da Ernest Rutherford e deriva dal greco antico pròtos (πρῶτον), che significa "primo", con l'aggiunta del suffisso -one già usato per l'elettrone. Allo stesso Rutherford ne viene attribuita tradizionalmente la scoperta, sebbene esperimenti precedenti, fra cui quelli condotti dai fisici Eugene Goldstein e Wilhelm Wien, avessero messo in luce l'esistenza di particelle con carica positiva.

Caratteristiche generali[modifica | modifica wikitesto]

In quanto formato da quark il protone appartiene alla famiglia degli adroni, e in particolare al gruppo dei barioni. Avendo spin semi-intero è un fermione. Può esistere libero o legato in un nucleo atomico.

Il valore della carica elettrica è uguale a quello dell'elettrone, ma di segno opposto (1,602 × 10-19 coulomb). La massa a riposo è pari a 1,6726231 × 10-27 kg (9,3828 × 102 MeV/c2), quasi uguale a quella del neutrone e circa 1836 volte superiore a quella dell'elettrone. È interessante notare che gran parte della massa del protone (come di quella del neutrone) è determinata dall'energia del campo gluonico che tiene uniti i quark, piuttosto che dalla loro massa propria.

Il momento magnetico del protone in unità di magnetone nucleare è pari a +2.793 \mu_N: è stato possibile spiegare il valore anomalo del momento magnetico del protone solo grazie al modello a quark costituenti introdotto negli anni '60.

Viene anche definito un raggio classico del protone:

 r_p = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{e^2}{m_pc^2}

pari a 1,535 × 10-18 m, il quale però non ha un significato fisico ben definito. Dato che il protone non è una particella fondamentale, possiede quindi una dimensione fisica non perfettamente fissata. La sua superficie è determinata da forze che non terminano bruscamente ed è quindi in qualche modo sfumata. Il protone ha un diametro di circa 1,6 – 1,7 fm. Per avere un'idea della sua dimensione basti pensare che il puntino di una i potrebbe contenerne circa 500 miliardi.[1]

I protoni e la chimica[modifica | modifica wikitesto]

Il nucleo del più comune isotopo dell'idrogeno (il prozio) è costituito esclusivamente da un protone. I nuclei degli altri atomi sono composti da neutroni e protoni tenuti insieme dalla forza forte, che contrasta efficacemente la repulsione coulombiana e consente alle particelle neutre di restare legate a quelle cariche. Il numero di protoni nel nucleo, detto numero atomico, determina le proprietà chimiche dell'atomo e la natura stessa dell'elemento.

In chimica e biochimica il termine viene usato quasi sempre impropriamente per riferirsi allo ione dell'idrogeno in soluzione acquosa (idrogenione), mentre in realtà il protone libero in soluzione acquosa non esiste ed esiste invece il composto covalente catione idrossonio o semplicemente ossonio H3O+. In questo contesto, secondo la teoria acido-base di Brønsted-Lowry, un donatore di protoni è un acido e un accettore di protoni una base.

Il decadimento del protone[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Decadimento del protone.

In base agli attuali esperimenti di fisica particellare il protone è una particella "stabile", il che significa che non decade in altre particelle e quindi, entro i limiti sperimentali, la sua vita è eterna.[2] Questo fatto è riassunto dalla conservazione del numero barionico nei processi fra particelle elementari. Infatti il barione più leggero è proprio il protone e, se il numero barionico deve essere conservato, esso non può decadere in nessuna altra particella più leggera.

Tuttavia rimane aperta la possibilità che, in tempi molto più grandi di quelli finora osservati, il protone possa decadere in altre particelle. Diversi modelli teorici di grande unificazione (GUT) propongono infatti processi di non conservazione del numero barionico, tra cui proprio il decadimento del protone. Studiando questo eventuale fenomeno sarebbe possibile indagare una regione energetica attualmente irraggiungibile (circa 1015 GeV) e scoprire l'esistenza o meno di una unica forza fondamentale. Per questo motivo nel mondo sono attivi diversi esperimenti che hanno come obiettivo quello di misurare la vita media del protone. Tale evento però, se esiste, è estremamente difficile da osservarsi in quanto richiede apparati molto grandi e complessi per raccogliere un numero sufficientemente grande di protoni ed avere una probabilità non trascurabile di rilevare un decadimento. Attualmente esistono solo dei limiti sperimentali per i diversi canali di decadimento, tutti molto maggiori dell'età dell'universo.

Ad esempio, uno dei canali di decadimento maggiormente studiato è il seguente:

pe+ + π0

con un limite inferiore per la vita media parziale pari a 1,6 × 1033 anni.[3]

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Bill Bryson, Breve storia di (quasi) tutto, Guanda, 2006.
  2. ^ (EN) proton (PDG). URL consultato l'8 ottobre 2014.
  3. ^ H. Nishino et al. (Super-K Collaboration), Search for Proton Decay via p e+ + π0 and p μ+ + π0 in a Large Water Cherenkov Detector in Physical Review Letters, vol. 102, nº 14, 2012, p. 141801, Bibcode:2009PhRvL.102n1801N, DOI:10.1103/PhysRevLett.102.141801.

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

  • Albert Messiah, Mécanique quantique, tome 1, Dunod, 1966.
  • Paul Dirac, I principi della meccanica quantistica, Bollati Boringhieri, 1971.
  • John von Neumann, Mathematical foundations of Quantum Mechanics, Princeton University Press, 1955.
  • Stephen Gustafson, Israel M. Sigal, Mathematical concepts of quantum mechanics, Springer, 2006.
  • Franz Schwabl, Quantum mechanics, Springer, 2002.
  • Franco Strocchi, An introduction to the mathematical structure of quantum mechanics, a short course for mathematicians, World Scientific Publishing, 2005.
  • L. Pauling e E. B. Wilson Introduction To Quantum Mechanics With Applications To Chemistry (McGrawHill, New York, 1935)
  • S. Dushman The Elements of Quantum Mechanics (John Wiley & Sons, New York, 1938)
  • M. Planck, L. Silberstein e H. T. Clarke The origin and development of the quantum theory (Clarendon Press, Oxford, 1922)
  • F. Reiche, H. Hatfield, e L. Henry The quantum theory (E. P. Dutton & co., New York, 1922)
  • J. F. Frenkel Wave Mechanics: Advanced General Theory (Clarendon Press, Oxford, 1934)
  • N. F. Mott Elements of Wave Mechanics (Cambridge University Press, 1958)
  • Gian Carlo Ghirardi, Un'occhiata alle carte di Dio, Net, 1997.

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Altri progetti[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]