IHE Wiki
Protone | |
---|---|
Modello a quark del protone | |
Classificazione | Particella composta (adrone) |
Composizione | 2 quark up, 1 quark down (uud) |
Famiglia | Fermioni |
Gruppo | Barioni |
Interazioni | Gravitazionale, elettromagnetica, debole, forte |
Simbolo | p |
Antiparticella | Antiprotone (p) |
Teorizzata | William Prout (1815) |
Scoperta | Ernest Rutherford (1919) |
Proprietà fisiche | |
Massa | |
Carica elettrica | 1 e |
Raggio di carica | (0,833±0,010)×10−15 m[5] |
Spin | ½ |
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.
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 pari a circa dieci miliardi di miliardi l'età dell'universo.
Scoperta ed etimologia
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 italiano 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
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.[19]
Il valore della carica elettrica del protone è uguale a quello dell'elettrone, ma di segno opposto (1,602×10−19 C). Negli atomi successivi all'idrogeno la forza repulsiva fra i protoni è attenuata dalla presenza dei neutroni e più che controbilanciata dalla forza nucleare forte che attrae i nucleoni fra loro.
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][20]. 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.[21]
Proprietà chimiche
Il nucleo del più comune isotopo dell'idrogeno, il prozio, è costituito esclusivamente da un protone ed è rappresentato come H+. I nuclei degli altri atomi sono composti da neutroni e protoni tenuti insieme dalla forza forte, che contrasta efficacemente la repulsione coulombiana esistente fra cariche dello stesso segno.
Il numero di protoni nel nucleo, detto numero atomico, simbolo Z, è fondamentale in chimica in quanto definisce l'elemento chimico[22] corrispondente a tale nucleo e determina, assieme al numero di elettroni presenti e la loro configurazione, la natura stessa di tale specie (atomo o ione) e le sue proprietà chimiche.[23] Esempio: H, con un solo elettrone, è un radicale libero; la specie cationica H+ (idrone, 0 e) è un acido di Lewis e un ossidante;[24] la specie anionica H− (idruro, 2 e) è una base di Lewis e un riducente.[25]
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 può esistere stabilmente in quanto troppo reattivo ed esiste invece lo ione molecolare covalente idrossonio, o semplicemente ossonio, H3O+. In questo contesto, secondo la teoria acido-base di Brønsted-Lowry, una specie molecolare capace di donare un protone ad un'altra è un acido e una capace di accettarne un protone da un'altra specie è una base.[26]
Il protone libero, H+, potendo accettare una coppia di elettroni da un'altra specie chimica, è il più semplice degli acidi di Lewis[27][28] e può unirsi spontaneamente a qualsiasi specie chimica elettricamente neutra, perfino a un atomo di elio, generando in tal caso lo ione molecolare HHe+,[29] isoelettronico alla molecola H2, e che è il più forte acido di Brønsted conosciuto.[30]
Lo ione H+ può essere generato in fase gassosa nella sorgente di uno spettrometro di massa per ionizzazione dell'idrogeno;[31] in tal modo può essere immesso in una trappola ionica e ivi fatto reagire con altre molecole di interesse e generare quindi le corrispondenti specie "protonate" che, in tal modo, divengono acidi di di Brønsted: reagendo con una molecola di acqua, ad esempio, si ottiene lo ione H3O+ già menzionato; dall'ammoniaca si ottiene lo ione ammonio NH4+; dal metano, lo ione flussionale metanio CH5+[32]; dall'idrogeno molecolare, lo ione triangolare idrogenonio, H3+, osservato fin dal 1911.[33]
Una branca della chimica si focalizza sulla protonazione in fase gassosa di molecole e sui trasferimenti di protone tra molecola e molecola:[31] in tale ambito assume particolare importanza l'affinità protonica, definita come la variazione di entalpia, cambiata di segno, della reazione di protonazione della molecola,[34] in quanto tale affinità rappresenta una misura della basicità intrinseca di quella molecola.[35]
Proprietà quantistiche
Il protone, al contrario di altre particelle come l'elettrone, non è una particella elementare, ma una particella composita costituita 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.[36] 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.[37] Sulla base di questi esperimenti, Feynman formulò il modello a partoni, il primo che tenesse in considerazione la struttura composita del protone.[38] 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
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 .[39]
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.[40] 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.[41]
Note
- ^ https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mp
- ^ https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mpc2mev
- ^ https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mpu
- ^ (EN) elementary charge, su physics.nist.gov. URL consultato il 23 maggio 2022.
- ^ 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.
- ^ Exploring the Role of Pions in the Nucleus (PDF), su Jefferson Lab.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ (EN) Ernest Rutherford, Nuclear constitution of atoms, in Proceedings of the Royal Society of London, A, vol. 97, 1920, pp. 374-400.
- ^ (EN) proton | Etymology of proton by etymonline, su etymonline.com. URL consultato il 19 marzo 2024.
- ^ (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.
- ^ DIZIONARIO GRECO ANTICO - Greco antico - Italiano, su grecoantico.com. URL consultato il 19 settembre 2022.
- ^ Italianizzare > significato - Dizionario italiano De Mauro, su Internazionale. URL consultato il 19 settembre 2022.
- ^ -óne¹ - Treccani, su Treccani. URL consultato il 14 marzo 2024.
- ^ 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).
- ^ -ino¹ - Treccani, su Treccani. URL consultato il 14 marzo 2024.
- ^ (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.
- ^ (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.
- ^ CODATA Value: proton mass, su physics.nist.gov. URL consultato il 15 luglio 2024.
- ^ Misurato il raggio di massa del protone, su media.inaf.it, 14 maggio 2021.
- ^ Bill Bryson, Breve storia di (quasi) tutto, Guanda, 2006.
- ^ British Electricity International, Nuclear physics and basic technology, Elsevier, 1992, pp. 1–110, DOI:10.1016/b978-0-08-040519-3.50008-1, ISBN 978-0-08-040519-3. URL consultato il 22 luglio 2024.
- ^ Paolo Silvestroni, Fondamenti di Chimica, LIBRERIA EREDI VIRGILIO VESCHI, 1968, p. 531.
- ^ Il protone in soluzione acquosa (H3O+), ad esempio, ha potenziale standard di riduzione 0 e quindi è in grado di ossidare qualsiasi specie chimica il cui potenziale standard di riduzione sia negativo (molti metalli).
- ^ (EN) Christian T. Goralski e Bakthan Singaram, SPECIAL FEATURE SECTION: HYDRIDE REDUCTIONS, in Organic Process Research & Development, vol. 10, n. 5, 1º settembre 2006, pp. 947–948, DOI:10.1021/op0601363. URL consultato il 22 luglio 2024.
- ^ Paolo Silvestroni, Fondamenti di Cimica, LIBRERIA EREDI VIRGILIO VESCHI, 1968, pp. 355-357.
- ^ Paolo Silvestroni, Fondamenti di Chimica, LIBRERIA EREDI VIRGILIO VESCHI, 1968, pp. 357-358.
- ^ Erwin Riedel e Christoph Janiak, Anorganische Chemie, collana De Gruyter Studium, 10. Auflage, De Gruyter, 2022, pp. 367-370, ISBN 978-3-11-069604-2.
- ^ Gas-phase ion and neutral thermochemistry, collana Journal of physical and chemical reference data, American chemical society American institute of physics, 1988, ISBN 978-0-88318-562-9.
- ^ (EN) Rolf Güsten, Helmut Wiesemeyer e David Neufeld, Astrophysical detection of the helium hydride ion HeH+, in Nature, vol. 568, n. 7752, 2019-04, pp. 357–359, DOI:10.1038/s41586-019-1090-x. URL consultato il 15 luglio 2024.
- ^ a b (EN) Fulvio Cacace, Radiolytic approach to gas-phase ion chemistry, in Accounts of Chemical Research, vol. 21, n. 6, 1º giugno 1988, pp. 215–222, DOI:10.1021/ar00150a001. URL consultato il 15 luglio 2024.
- ^ Golam Rasul, G. K. Surya Prakash e George A. Olah, Comparative study of the hypercoordinate carbonium ions and their boron analogs: A challenge for spectroscopists, in Chemical Physics Letters, vol. 517, n. 1, 28 novembre 2011, pp. 1–8, DOI:10.1016/j.cplett.2011.10.020. URL consultato il 15 luglio 2024.
- ^ (EN) Bakerian Lecture :—Rays of positive electricity, in Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character, vol. 89, n. 607, 1913-08, pp. 1–20, DOI:10.1098/rspa.1913.0057. URL consultato il 15 luglio 2024.
- ^ "Proton affinity." Compendium of Chemical Terminology.
- ^ J. E. Huheey, E. A. Keiter e R. L. Keiter, Chimica Inorganica,Principi, Strutture, Reattività, 2ª ed., Piccin, 1999, pp. 342-344, ISBN 88-299-1470-3.
- ^ (EN) André Walker-Loud, Viewpoint: Dissecting the Mass of the Proton, in Physics, vol. 11, 19 novembre 2018, p. 118.
- ^ (EN) Max Klein, Deep import of deep inelastic scattering, su cerncourier.com, 2 novembre 1999. URL consultato il 26 aprile 2020.
- ^ (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.
- ^ 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.
- ^ (EN) proton (PDG) (PDF), su pdg.lbl.gov. URL consultato l'8 ottobre 2014.
- ^ (EN) 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, n. 14, 2012, p. 141801, Bibcode:2009PhRvL.102n1801N, DOI:10.1103/PhysRevLett.102.141801.
Bibliografia
- (FR) 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 e 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.
- Giancarlo Ghirardi, Un'occhiata alle carte di Dio, Net, 1997.
Voci correlate
Altri progetti
- Wikizionario contiene il lemma di dizionario «protone»
- Wikimedia Commons contiene immagini o altri file sul protone
Collegamenti esterni
- protone, su Treccani.it – Enciclopedie on line, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
- (EN) proton, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
- (EN) IUPAC Gold Book, "proton", su goldbook.iupac.org.
Controllo di autorità | Thesaurus BNCF 11805 · LCCN (EN) sh85107796 · GND (DE) 4137643-2 · BNF (FR) cb11951081z (data) · J9U (EN, HE) 987007541245005171 · NDL (EN, JA) 00574364 |
---|