Protone

particella subatomica che, insieme a neutroni ed elettroni, forma gli atomi

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

Protone
Modello a quark del protone
ClassificazioneParticella composta (adrone)
Composizione2 quark up, 1 quark down (uud)
FamigliaFermioni
GruppoBarioni
InterazioniGravitazionale, elettromagnetica, debole, forte
Simbolop
AntiparticellaAntiprotone (p)
TeorizzataWilliam Prout (1815)
ScopertaErnest Rutherford (1919)
Proprietà fisiche
Massa
Carica elettrica1 e

1,602176634×10−19 C[4]

Raggio di carica(0,833±0,010)×10−15 m[5]
Spin½

Costituisce il nucleo atomico assieme al neutrone, con il quale si trasforma continuamente mediante l'emissione e l'assorbimento di pioni virtuali.[6][7] In quanto formato da quark appartiene alla famiglia degli adroni, in particolare al gruppo dei barioni e, avendo spin semi-intero, è un fermione. Oltre che legato dall'interazione forte nel nucleo atomico, può trovarsi libero, stato nel quale è fra le particelle più stabili esistenti, con una vita media stimata τ > 3.6×1029 anni,[8] un valore di una decina di miliardi di miliardi l'età dell'universo.

Scoperta ed etimologia

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Scoperto da Ernest Rutherford nel 1919,[9] il nome "protone" venne introdotto nel 1920 dallo stesso Rutherford come "proton" (in inglese), basandosi sul termine πρῶτον (pròton) del greco antico,[10][11] un superlativo di genere neutro che significa "che è dinanzi a tutti, il primo".[12] Il termine inglese "proton" è stato importato in italiano aggiungendovi una -e finale (e spostamento di accento) per italianizzarne la forma;[13] quindi, la parte finale "-one" di "protone" è parte della parola greca originale e non è qui un suffisso accrescitivo,[14] come peraltro accade in diversi altri casi in italiano;[15] questo in contrapposizione a quanto accaduto al nome del neutrino, dove la desinenza -ino ha invece effettivamente valore diminutivo.[16] Il nome venne infatti proposto da Fermi nel 1932 per l'allora "neutrone di Pauli" per differenziarlo dal "neutrone di Chadwick" (l'attuale neutrone), particella ben più massiva; poi il nome rimase.[17] Esperimenti precedenti, fra cui quelli condotti dai fisici Eugen Goldstein e Wilhelm Wien, avevano già messo in luce l'esistenza nei raggi canale di particelle con carica positiva.[18]

Caratteristiche generali

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Confronto tra le masse di elettrone, protone e neutrone.

Il valore della carica elettrica del protone è uguale a quello dell'elettrone, ma di segno opposto (1,602×10−19 C). Nei nuclei la forza repulsiva fra i protoni è bilanciata dalle presenza dei neutroni e dalla forza nucleare forte che attrae i nucleoni fra loro. La massa a riposo del protone è pari a circa 1,6726231×10−27 kg (9,3828×102 MeV/c²), leggermente inferiore a quella del neutrone e circa 1836 volte superiore a quella dell'elettrone.

Il momento magnetico del protone in unità di magnetone nucleare è pari a +2,793 μN: è stato possibile spiegare il valore anomalo del momento magnetico del protone solo grazie al modello a quark costituenti introdotto negli anni sessanta.

Viene anche definito un raggio classico del protone:

 

pari a 1,529×10−18 m, il quale però non ha un significato fisico ben definito. Infatti, sperimentalmente, la sua carica elettrica si distribuisce in una sfera di raggio medio pari a 0,833 ± 0,010 fm (8,33×10−16 ± 1,0×10−17 m)[5][19]. Il raggio del protone è cioè circa 60 000 volte più piccolo di quello dell'atomo libero di elio, che è di circa 50 pm. Per avere un'idea della sua dimensione, si può considerare che il diametro di un capello umano è circa diecimila miliardi di volte maggiore di quello di un protone, oppure che il puntino di una i potrebbe contenerne circa 500 miliardi, seppure mediamente molto distanziati fra loro.[20]

Proprietà chimiche

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  Lo stesso argomento in dettaglio: Idrone e Idronio.

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 dovuta all'interazione elettromagnetica fra cariche dello stesso segno. Il numero di protoni nel nucleo, detto numero atomico, determina, assieme al numero di elettroni, 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 lo ione molecolare covalente 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.

Proprietà quantistiche

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Il protone, al contrario di altre particelle come l'elettrone, non è una particella fondamentale ma è costituito da quark e gluoni, legati dal meccanismo chiamato confinamento di colore. Il confinamento è una fenomeno risultante dalla interazione forte, la cui natura è però oscura ed elusiva. Ad esempio, è interessante notare che la grandissima parte, il 99% circa, della massa del protone, come di quella del neutrone, è determinata dall'energia della stessa interazione forte che tiene uniti i quark, piuttosto che dalla loro massa propria.[21] L'intensità della forza nucleare forte decresce al crescere dell'energia delle particelle interagenti, sicché i quark e i gluoni si manifestano come particelle singole solo in collisioni ad alte energie o temperature, alle quali i protoni, come in generale gli altri adroni, fondono formando il plasma di quark e gluoni.

La struttura interna dei protoni è studiata negli acceleratori di particelle attraverso gli urti elastici e anelastici ad alta energia fra protoni e nucleoni e fra protoni e leptoni, come gli elettroni. Da questo tipo di esperimenti, a partire da SLAC, è stato possibile scoprire per la prima volta l'esistenza di particelle interne al protone.[22] Sulla base di questi esperimenti, Feynman formulò il modello a partoni, il primo che tenesse in considerazione la struttura composita del protone.[23] Negli anni successivi, i partoni furono identificati con i quark e i gluoni, le cui interazioni sono descritte dalla cromodinamica quantistica. Dal punto di vista teorico, le funzioni di distribuzione dei quark e dei gluoni codificano la struttura composita del protone.

Funzione d'onda dei quark

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Il protone è formato da tre quark, detti "di valenza" in quanto ne determinano i numeri quantici, come lo spin e la carica elettrica. Ad esempio, sapendo che è formato da due quark up e uno down, che hanno rispettivamente carica elettrica   e  , è possibile calcolare che la carica elettrica del protone è uguale a  .

La funzione d'onda del protone deve essere totalmente antisimmetrica rispetto allo scambio di due quark, visto che il protone è un fermione. L'antisimmetria nel caso dei barioni è data dalle componenti di colore, mentre la funzione d'onda per le componenti di sapore e di spin è simmetrica e uguale a

 ,

dove a ciascun quark up   o down   è assegnato uno spin up   o down  .[24]

Il decadimento del protone

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  Lo stesso argomento in dettaglio: 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.[25] 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 nessun'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 1×1015 GeV) e scoprire l'esistenza o meno di un'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 e 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:

 

con un limite inferiore per la vita media parziale pari a 1,6×1033 anni.[26]

  1. ^ https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mp
  2. ^ https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mpc2mev
  3. ^ https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mpu
  4. ^ (EN) elementary charge, su physics.nist.gov. URL consultato il 23 maggio 2022.
  5. ^ a b (EN) N. Bezginov, T. Valdez, M. Horbatsch, A. Marsman, A. C. Vutha e E. A. Hessels, A measurement of the atomic hydrogen Lamb shift and the proton charge radius, in Science, vol. 365, n. 6457, 6 Settembre 2019, pp. 1007-1012, DOI:10.1126/science.aau7807.
  6. ^ Exploring the Role of Pions in the Nucleus (PDF), su Jefferson Lab.
  7. ^ T.E.O. Ericson, Somewhat virtual pions, in Progress in Particle and Nuclear Physics, vol. 1, 1978-01, pp. 173–192, DOI:10.1016/0146-6410(78)90009-1. URL consultato il 23 marzo 2024.
  8. ^ SNO+ Collaboration, M. Anderson e S. Andringa, Search for invisible modes of nucleon decay in water with the SNO+ detector, in Physical Review D, vol. 99, n. 3, 20 febbraio 2019, pp. 032008, DOI:10.1103/PhysRevD.99.032008. URL consultato il 23 marzo 2024.
  9. ^ (EN) Ernest Rutherford, Nuclear constitution of atoms, in Proceedings of the Royal Society of London, A, vol. 97, 1920, pp. 374-400.
  10. ^ (EN) proton | Etymology of proton by etymonline, su www.etymonline.com. URL consultato il 19 marzo 2024.
  11. ^ (EN) The Cardiff Meeting of the British Association, in Nature, vol. 105, n. 2651, 1º agosto 1920, pp. 780–781, DOI:10.1038/105780a0. URL consultato il 19 marzo 2024.
  12. ^ DIZIONARIO GRECO ANTICO - Greco antico - Italiano, su www.grecoantico.com. URL consultato il 19 settembre 2022.
  13. ^ Italianizzare > significato - Dizionario italiano De Mauro, su Internazionale. URL consultato il 19 settembre 2022.
  14. ^ -óne¹ - Treccani, su Treccani. URL consultato il 14 marzo 2024.
  15. ^ Nicola Grandi, Mutamenti innovativi e conservativi nella morfologia valutativa dell’italiano. Origine, sviluppo e diffusione del suffisso accrescitivo –one (PDF), su grandionline.net. URL consultato il 15 luglio 2020 (archiviato dall'url originale il 2 aprile 2015).
  16. ^ -ino¹ - Treccani, su Treccani. URL consultato il 14 marzo 2024.
  17. ^ (EN) Edoardo Amaldi, From the discovery of the neutron to the discovery of nuclear fission, in Physics Reports, vol. 111, n. 1-4, 1984-09, pp. 1–331, DOI:10.1016/0370-1573(84)90214-X. URL consultato il 20 settembre 2022.
  18. ^ (EN) W. Wien, Über positive Elektronen und die Existenz hoher Atomgewichte, in Annalen der Physik, vol. 318, n. 4, 1904-01, pp. 669–677, DOI:10.1002/andp.18943180404. URL consultato il 19 marzo 2024.
  19. ^ Misurato il raggio di massa del protone, su media.inaf.it, 14 maggio 2021.
  20. ^ Bill Bryson, Breve storia di (quasi) tutto, Guanda, 2006.
  21. ^ (EN) André Walker-Loud, Viewpoint: Dissecting the Mass of the Proton, in Physics, vol. 11, 19 Novembre 2018, p. 118.
  22. ^ (EN) Max Klein, Deep import of deep inelastic scattering, su cerncourier.com, 2 Novembre 1999. URL consultato il 26 aprile 2020.
  23. ^ (EN) R. P. Feynman, The Behavior of Hadron Collisions at Extreme Energies, High Energy Collisions: Third International Conference at Stony Brook, N.Y., Gordon & Breach, 1969, pp. 237–249, ISBN 978-0-677-13950-0.
  24. ^ L'equivalenza fra i nomi dei due quark leggeri e i nomi per i due stati di spin ha ragioni storiche ed è da ricercare nella simmetria di isospin. Si veda ad esempio (EN) Quark Model (PDF), su pdg.lbl.gov.
  25. ^ (EN) proton (PDG) (PDF), su pdg.lbl.gov. URL consultato l'8 ottobre 2014.
  26. ^ (EN) H. Nishino et al. (Super-K Collaboration), Search for Proton Decay via pe+ + π0 and pμ+ + π0 in a Large Water Cherenkov Detector, in Physical Review Letters, vol. 102, n. 14, 2012, p. 141801, Bibcode:2009PhRvL.102n1801N, DOI:10.1103/PhysRevLett.102.141801.

Bibliografia

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Voci correlate

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