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. 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.

Scoperto da Ernest Rutherford nel 1919,^[1] il nome "protone" venne introdotto nel 1920 dallo stesso Rutherford e deriva dal greco antico pròton (πρῶτον), che significa "primo", con l'aggiunta del suffisso -one^[2]. 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.

Caratteristiche generali

Il valore della carica elettrica è uguale a quello dell'elettrone, ma di segno opposto (1,602 × 10⁻¹⁹ C). La massa a riposo è pari a 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. 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 μ_N: 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:

${\displaystyle r_{p}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}{\frac {e^{2}}{m_{p}c^{2}}}}$

pari a 1,529 × 10⁻¹⁸ m, il quale però non ha un significato fisico ben definito. Dato che il protone non è una particella fondamentale non possiede quindi una dimensione fisica 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.^[3]

I protoni e la chimica

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 assieme al numero di elettroni 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

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.^[4] 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 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:

p → e⁺ + π⁰

con un limite inferiore per la vita media parziale pari a 1,6 × 10³³ anni.^[5]

Note

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

Voci correlate

• Atomo
• Elettrone
• Neutrone
• Magnetone nucleare