PROTONE

PROTONE

. Lord Rutherford nel 1921 introdusse il nome di "protone" per indicare la particella carica positivamente che costituisce il nucleo dell'atomo d'idrogeno e che entra come uno dei principali costituenti di tutti gli altri nuclei. Questa particella è dotata d'una carica positiva eguale numericamente alla carica dell'elettrone, ossia pari a (4,770±0,005)•10^-10 u. e. s. Poiché l'atomo d'idrogeno è formato da un protone attorno al quale si muove un solo elettrone, per conoscere la massa del protone basta misurare quella dello ione idrogeno, cioè la massa dell'atomo d'idrogeno privato del suo elettrone. Senza entrare ora in particolari riguardanti i metodi di misura di questa importante grandezza, basti dire che il valore considerato ora come il più preciso è di (1,6609±0,0017) 10^-2 gr. ossia 1838 volte più grande del valore della massa dell'elettrone.

Per spiegare l'andamento del calore specifico dell'idrogeno a basse temperature Dennison fece l'ipotesi che anche il protone, come l'elettrone, fosse dotato d'una quantità di moto areale intrinseca (momento della quantità di moto; v. quantità di moto) o, come si suol dire, di uno "spin". Tale ipotesi è stata ora confermata da un gran numero di fenomeni; si può anzi dire che lo spin del protone è numericamente uguale a quello dell'elettrone, ossia che è eguale ad h/4π erg. sec., dove h = (6,547±o,008)•10^-27 erg. sec. è la costante di Planck. Assumendo, come si suol fare comunemente, l'unità di misura delle quantità di moto areali atomiche eguale ad h/2π, si potrà dire che il protone al pari dell'elettrone è dotato di uno spin ½.

Una particella che sia dotata di uno spin diverso da zero possiede sempre anche un momento magnetico nella stessa direzione; così per es. l'elettrone è dotato d'un momento magnetico pari a un magnetone di Bohr ossia pari a 0,92•10^-20 u. e. m. Il momento magnetico del protone è stato misurato solo assai recentemente e, come vedremo, è circa 1000 volte più piccolo di quello dell'elettrone. Tale misura ha però una speciale importanza e cercheremo quindi di tratteggiarne il significato.

Secondo la meccanica quantistica il moto d'un elettrone ubbidisce all'equazione di Schrödinger; poiché tale equazione non è relativistica, P. A. M. Dirac ha sostituito a essa un'altra equazione la quale è relativisticamente invariante, e, in approssimazione non relativistica, ha come soluzioni le stesse soluzioni dell'equazione di Schrödinger. L'equazione di Dirac ha avuto numerose conferme sperimentali, di modo che si ritiene che essa riproduca fedelmente le caratteristiche dell'elettrone. Un aspetto tipico e fondamentale della teoria di Dirac è il seguente: il fatto che l'elettrone sia dotato di uno spin ½ e di un momento magnetico pari a un magnetone di Bohr, non viene introdotto con ipotesi supplementari, ma appare come una conseguenza naturale della forma relativistica dell'equazione. In generale una particella per cui valga l'equazione di Dira è necessariamente dotata di un momento magnetico pari a

dove h è la costante di Planck, c la velocità della luce, ed e, m rispettivamente la carica e la massa della particella in questione. Se si introducono nella formula sopra scritta i valori numerici delle varie costanti per il caso dell'elettrone, si ottiene il valore sperimentale ricordato in precedenza.

Sorge naturale a questo punto il problema se l'equazione di Dirac valga, oltre che per l'elettrone, anche per il protone. In tal caso questa particella sarà necessariamente dotata d'un momento magnetico pari a 1/1838 del magnetone di Bohr, poiché essa ha carica eguale a quella dell'elettrone e massa 1838 volte maggiore. La 1838ª parte del magnetone di Bohr si suole chiamare magnetone nucleare, in modo che potremo dire che se il protone ubbidisce all'equazione di Dirac deve avere un momento magnetico pari a un magnetone nucleare. Le misure sono state fatte assai di recente da O. Stern, J. Esterman e R. Frisch, e poco dopo, con metodo totalmente diverso, da I. I. Rabi, J. M. B. Kellogg e J. R. Zacharias. I primi sperimentatori hanno trovato che il protone ha un momento magnetico di 2,5 magnetoni nucleari, mentre gli altri un valore di 3,2. La divergenza non grande tra questi due risultati è probabilmente da attribuirsi alla notevole differenza dei metodi di misura; ciò però che si può concludere da entrambi questi risultati sperimentali è che il protone, a differenza dell'elettrone, non ubbidisce all'equazione di Dirac.

Una particella elementare, quale è il protone, è caratterizzata, oltre che dai valori della carica, della massa, dello spin e del momento magnetico, anche dalle leggi statistiche a cui ubbidisce. A questo proposito ricorderemo anzi che tutte le particelle si dividono in due grandi categorie: particelle che seguono la statistica di Fermi, e particelle che seguono la statistica di Bose-Einstein. Per stabilire sperimentalmente a quale di queste due statistiche ubbidisce il protone è ben noto il metodo seguito da F. Rasetti, basato sull'osservazione delle intensità negli spettri Raman di rotazione della molecola di idrogeno (v. raman, effetto di; spettroscopia), la quale è costituita da due protoni e due elettroni; da tali misure è stato possibile concludere che il protone segue, al pari dell'elettrone, la statistica di Fermi. Altre particelle invece, come p. es. le particelle alfa, seguono la statistica di Bose-Einstein.

Per capire questa suddivisione delle particelle in due categorie, suddivisione che costituisce un aspetto fondamentale delle moderne teorie atomiche, faremo ora alcune brevi considerazioni, rimandando per maggiori particolari alla voce statistica meccanica. Consideriamo a tale scopo un grande numero di particelle tutte uguali tra loro, libere di muoversi entro un recipiente chiuso: esse potranno essere atomi oppure elettroni o protoni: questo insieme di particelle costituisce un gas, che a seconda dei casi sarà un gas vero e proprio oppure un gas di elettroni o protoni. Fare la statistica di questo gas significa stabilire il numero probabile di individui appartenenti a esso dotati d'una certa energia o, come si suol dire più esattamente, il numero probabile di individui che si trovano in un determinato stato. Nella statistica di Fermi vale il principio di Pauli, ossia ogni stato può essere occupato al massimo da un solo individuo. La statistica di Bose-Einstein è assai analoga alla statistica classica di Boltzmann, solo che in essa si tiene conto dell'assoluta identità di tutti gl'individui del gas. Come abbiamo detto, il protone è una delle particelle costitutive del nucleo; le prime esperienze che hanno portato a questa concezione sono dovute a lord Rutherford, il quale nel 1919 bombardando l'azoto con particelle alfa osservò che il nucleo di questo elemento emetteva protoni. In seguito fu possibile provocare questo stesso fenomeno in parecchi altri casi. Oggi, in seguito ai grandi progressi compiuti dalla tecnica, vengono usati assai spesso i protoni stessi, accelerati a mezzo di differenze di potenziale di milioni di volt, come proiettili per colpire e disintegrare i nuclei (v. nucleo).