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Protone

Protone: caratteristiche e proprietà

In questa lezione studieremo le caratteristiche del protone (come ad esempio la carica elettrica e la massa) e in quale parte dell'atomo è collocata questa particella.

Vedremo a chi è stata attribuita la scoperta del protone e riassumeremo brevemente il percorso storico e gli esperimenti effettuati che hanno portato all'individuazione di questa particella.

Vedremo infine come è possibile determinare quanti protoni sono presenti nel nucleo di un atomo.

Caratteristiche generali del protone

Il protone (indicato solitamente con il simbolo p+) corrisponde alla più piccola carica elettrica positiva esistente libera in natura e rappresenta pertanto il quanto di elettricità positiva; con il neutrone è la particella fondamentale di ogni nucleo atomico.

Il numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo corrisponde al valore del numero atomico dell'elemento a cui l'atomo appartiene; un solo protone costituisce il nucleo di un atomo di idrogeno.

I protoni sono collocati nel nucleo dell'atomo.

La scoperta del protone

La scoperta del protone viene generalmente attribuita al chimico e fisico neozelandese naturalizzato britannico Ernest Rutherford (Brightwater, 30 agosto 1871 – Cambridge, 19 ottobre 1937) ma il primo ad averne ipotizzato l'esistenza fu il fisico tedesco E. Goldstein. 

Egli, nei suoi esperimenti, utilizzò un tubo di Crookes leggermente modificato; in questo caso il catodo, che occupava una posizione centrale era forato in diverse punti e il tubo era riempito con un gas rarefatto.

Goldstein notò dietro al catodo una luminescenza che egli ipotizzò provocata da particelle cariche positivamente (raggi anodici o raggi canale) che si muovevano con movimento opposto rispetto ai raggi catodici.

Egli suppose che gli elettroni emessi dal catodo, urtassero le particelle del gas presenti all'interno del tubo. In quest'urto riuscivano a strappare elettroni alle particelle del gas, trasformandole così in particelle cariche positivamente che venivano attratte dal catodo.

Raggi canale

Tubo di Crookes utilizzato da E. Rutherford nei suoi esperimenti.

Proprietà fondamentali del protone

La carica elettrica del protone è uguale (ma di segno contrario) alla carica dell'elettrone cioè a 1,602·10-19 C (coulomb); la massa a riposo del protone è pari a 1,672·10-27 kg (= 938 MeV), un valore 1836,1 volte la massa dell'elettrone; il suo spin ½ ħ, il suo raggio è 0,833 ± 0,010 · 10-15 m.

La sua vita media, in base a tutti i dati conosciuti, risulta infinita (il protone è cioè una particella stabile); avendo spin semintero il protone è inoltre un fermione composto da 2 quark up e 1 quark down (uud), ed essendo un fermione, obbedisce al principio di esclusione di Pauli e alla statistica di Fermi-Dirac.

Composizione del protone

Il protone è una particella subatomica formata da 2 quark up e 1 quark down (uud).

Quanti protoni sono presenti nel nucleo di un determinato atomo?

Il numero di protoni presenti nel nucleo di un determinato atomo corrisponde al valore del numero atomico dell'atomo. Il numero atomico (indicato con la lettera Z e reperibile in qualsiasi tavola periodica degli elementi) indica infatti il numero di protoni di un atomo.

Ad esempio, consultando la tavola periodica è possibile osservare che l'atomo di ossigeno (O) ha 8 protoni mentre quello di idrogeno (H) ne ha soltanto uno.

Casella nella tavola periodica dell'atomo di idrogeno.

Misura della massa e della carica del protone

La massa e la carica del protone si possono determinare, con diversi gradi di precisione, in molti modi. Così la deflessione di fasci di protoni in campi elettrici e campi magnetici dà il rapporto tra carica e massa del protone.

Il fatto che l'atomo d'idrogeno è elettricamente neutro assicura che la carica del protone e quella dell'elettrone sono uguali in valore assoluto e quindi ogni metodo per misurare la carica dell'elettrone, come ad esempio l'esperimento compiuto nel 1909 da R. A. Millikan, fornisce anche il valore della carica del protone.

Anche le esperienze di carattere spettroscopico contribuiscono alla conoscenza di questi dati, in primo luogo dando il rapporto tra la carica e la massa dell'elettrone. Inoltre, tutti i metodi di determinazione del numero di Avogadro danno indirettamente la massa del protone.

Attraversamento della materia

Un protone di alta velocità, attraversando una sostanza, perde energia mediante vari meccanismi: per esempio può urtare un nucleo e venire deviato elasticamente o produrre una reazione nucleare.

Oltre a subire collisioni di questo tipo però i protoni (come del resto tutte le altre particelle cariche di massa notevolmente maggiore di quella dell'elettrone) perdono energia cedendola agli elettroni del mezzo materiale che attraversano, senza subire deflessioni di rilievo dalla traiettoria iniziale: la perdita di energia ha semplicemente l'effetto di rallentarli.

Alla fine il protone si arresta e la distanza compresa tra il punto in cui aveva energia E e il punto d'arresto prende il nome di percorso del protone di quell'energia: è chiaro che il percorso è funzione dell'energia e dipende anche dal mezzo materiale in cui il protone si muove. Una formula semiempirica che ci fornisce il percorso dei protoni nell'aria in funzione della loro energia è la seguente:

Percorso del protone

in cui:

  • P indica il percorso in metri;
  • E l'energia espressa in MeV = 108 eV del protone.

Tale formula risulta corretta per valori di E compresi tra pochi MeV e circa 200 MeV.

Riassumendo

Il protone è una particella subatomica con massa di 1,672·10-27 kg e carica elettrica che per convenzione è uguale a +1 (ma di valore reale 1,602·10-19 C e di segno opposto a quella dell'elettrone); il numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo corrisponde al numero atomico.

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