Di Kevin Beck – Aggiornato il 30 agosto 2022
Gli atomi sono gli elementi costitutivi fondamentali della materia e all'interno di ciascun atomo si trova il nucleo, un insieme compatto di protoni e neutroni circondato da una nuvola di elettroni. Comprendere il protone, il costituente del nucleo con carica positiva, è essenziale per comprendere la fisica e la chimica atomica.
Ci sono 118 elementi conosciuti, ciascuno definito dal suo numero atomico, il numero di protoni nel suo nucleo. La maggior parte degli elementi contiene anche neutroni, il cui numero varia per produrre isotopi diversi. La massa combinata di protoni e neutroni rappresenta quasi l'intera massa atomica; gli elettroni contribuiscono in modo trascurabile (circa 1/1.800 della massa di un protone).
La dimensione di un atomo cresce con il suo numero atomico perché la nuvola di elettroni si espande, mentre il nucleo rimane all'incirca dello stesso raggio indipendentemente dal numero di nucleoni.
I protoni non sono elementari; sono barioni composti da tre quark legati dalla forza forte. Il contenuto di quark del protone è di due quark up e un quark down:
Esistono sei tipi di quark:su, giù, superiore, inferiore, affascinante e strano, sebbene solo i primi due siano rilevanti per la materia ordinaria. Protoni e neutroni fanno parte della famiglia dei barioni che, insieme ai mesoni, costituisce gli adroni che sperimentano l'interazione forte.
Il momento angolare intrinseco (spin) del protone è 1/2ħ, una proprietà quantistica che non può essere visualizzata come una sfera rotante letterale. Lo spin nasce dai contributi combinati degli spin dei quark, del momento angolare orbitale dei quark e della dinamica dei gluoni. Mentre i primi modelli attribuivano erroneamente lo spin esclusivamente ai quark, gli esperimenti moderni e i calcoli della QCD reticolare ora riconciliano la teoria con l'osservazione.
Sommando le masse dei quark costituenti si ottiene solo circa il 9% della massa misurata del protone. Il resto ha origine dall'energia del campo dei gluoni e dal movimento dinamico dei quark, manifestazioni della cromodinamica quantistica (QCD). Nel 2018, simulazioni QCD reticolari hanno riprodotto con successo la massa del protone, confermando che la maggior parte della massa emerge dall'energia di legame piuttosto che dalle masse restanti dei quark.
Le masse delle particelle sono spesso espresse in elettronvolt (eV). Per riferimento, 1amu ≈ 931,5MeV/c².
I protoni sono fondamentali per la struttura della materia e la loro massa, carica, rotazione e composizione interna dei quark rivelano l’intricata danza delle forze fondamentali. I progressi nella QCD continuano ad approfondire la nostra comprensione di come queste particelle apparentemente semplici acquisiscono la massa e le proprietà che esibiscono.
