Elettroni, protoni e neutroni sono particelle che costituiscono gli atomi e la materia di cui siamo fatti e che vediamo intorno a noi: dall’ossigeno dell'aria che stiamo respirando all’idrogeno dell'acqua, dal carbonio delle cellule del nostro corpo al sodio del sale da cucina. Queste tre particelle sono molto diverse – hanno massa, raggio e altre proprietà differenti – e furono scoperte da tre scienziati legati fra loro. Lo sapevate che Chadwick, colui che scoprì i neutroni, fu un collaboratore e allievo di Rutherford, scopritore dei protoni, che a sua volta fu studente di Thomson, scopritore degli elettroni? Scopriamo insieme queste tre particelle in questo articolo.
Elettroni
Nel 1897 Joseph John Thomson scoprì l’elettrone. Questa particella elementare, ovvero indivisibile, viene simboleggiata da e– e ha massa pari a circa 9.1 · 10-31 kg. La sua carica elettrica equivale a -1.6 · 10-19 Coulomb, definita negativa per convenzione.
Questo valore di carica viene preso come riferimento e dunque si può parlare anche di carica elettronica pari a -1. L’elettrone ha spin pari a ½, ovvero fa parte della famiglia dei fermioni. Il suo raggio classico, detto anche raggio di Compton o di Lorentz, viene calcolato eguagliando l’equazione di Einstein all’equazione dell’energia elettrostatica, e si stima essere attorno a 2.8 · 10-15 m.
Protoni
Ernest Rutherford propose l’idea che gli elettroni orbitassero attorno ad un nucleo di carica opposta. Fu lui stesso a scoprire l'esistenza del protone all’interno del nucleo atomico nel 1919. Un protone è una particella subatomica composta, ovvero divisibile, a sua volta composta da tre particelle elementari chiamate quark: due quark up e un quark down.
Viene simboleggiato con p+ e ha massa pari a 1.673 · 10-27 kg, quindi circa 1800 volte più "pesante" dell'elettrone. La sua carica elettrica è positiva ed in valore assoluto equivale alla carica elettronica, dunque si parla di carica pari a +1. Anche il protone ha spin ½.
Tramite le equazioni si può definire anche il suo raggio classico pari a circa 1.5 · 10-18 m, che però non ha un significato fisico vero e proprio. Sperimentalmente la sua carica si distribuisce in una sfera di più ampio raggio, pari a circa 8.3 · 10-16 m.
Neutroni
Nel 1932 il fisico James Chadwick ipotizzò l'esistenza di una particella neutra, il neutrone, all'interno del nucleo atomico. Un neutrone è una particella subatomica composta, come il protone, formata da un quark up e due quark down.
Viene simboleggiato con n e ha massa pari a 1.675 · 10-27 kg, quindi poco più pesante del protone. Ha carica elettrica nulla e ha spin ½.
Elettroni, protoni e neutroni a confronto
Proviamo ora a fare qualche paragone fra queste tre particelle. Gli elettroni sono particelle indivisibili mentre i protoni e neutroni non lo sono.
Dal punto di vista elettrico elettroni e protoni si attraggono in quanto hanno carica opposta, ma dello stesso valore numerico. Gli atomi neutri dunque contengono lo stesso numero di elettroni e protoni, essendo loro le uniche particelle cariche contenute all’interno. I neutroni, invece, essendo neutri, non interagiscono con le forze elettrostatiche.
Gli elettroni sono più leggeri di circa 1800 volte rispetto ai protoni e ai neutroni, dunque nel calcolo della massa atomica possono essere trascurati. Per questo motivo spesso vengono stilizzati con una pallina più piccola rispetto ai protoni anche se il loro raggio classico calcolato è superiore. Ad ogni modo, una differenza fondamentale in chimica tra elettroni, protoni e neutroni riguarda il fatto che gli elettroni possono essere scambiati tra due atomi (si parla di reazioni di ossido-riduzione o di reazioni redox) mentre i protoni non vengono scambiati tra due o più atomi.
Tutte queste tre particelle hanno spin pari a ½ dunque sono dei fermioni. Gli elettroni fanno parte del gruppo dei leptoni assieme a neutrini e muoni, mentre i protoni ei neutroni fanno parte dei barioni, ovvero quelle particelle subatomiche costituite da un numero dispari di quark.
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