Massa delle particelle: elettroni, protoni e neutroni

In questo appunto viene spiegato come le particelle sono in fisica delle entità costituenti che, seppur microscopiche contribuiscono a comporre la materia. La materia, in fisica (e in realtà in generale in tutte le discipline scientifiche) è tutto ciò che ha una massa e occupa un volume. In questo appunto analizzeremo le particelle della materia più note. Essendo le particelle delle entità microscopiche (ma che esistono), calcolarne la massa può risultare molto difficoltoso.
Alcune teorie, per risolvere il problema della massa delle particelle, ipotizzano un campo scalare che permea lo spaziotempo, che interagisce con le particelle in maniera differente: da tale interazione deriverebbe la massa.

Le particelle responsabili del campo vengono chiamate bosoni di Higgs, di cui e` stata provata la loro presenza al CERN.

Massa dell'elettrone

L'elettrone è una particella dotata di carica elettrica negativa. Rispetto a protone e neutrone è molto più leggera, quindi molto spesso la sua massa viene trascurata. In realtà, la massa dell'elettrone ha comunque un valore, che è alquanto ridotto. Tale valore, indicato con

è pari a

. L'elettrone è una particella elementare. Appartiene alla prima generazione della famiglia dei leptoni, è soggetto all'interazione gravitazionale, a quella elettromagnetica e all'interazione debole.

Massa del protone

Il protone è una particella dotata di carica elettrica positiva. Infatti, un atomo neutro è composto da un numero uguale di elettroni e protoni, quindi le cariche si "bilanciano" in questo modo. La massa del protone, comunemente indicata con

è

, cioè poco più di 1800 volte quella dell'elettrone e quasi uguale a quella del neutrone, che vedremo nel paragrafo successivo. Il protone viene iscritto alla categoria dei barioni, in quanto è composto da tre quark: due quark up e un quark down.
I quark sono delle particelle subatomiche, che compongono, come nel caso del protone, alcune particelle subatomiche.
Più precisamente, diremo che la massa del protone è pari a circa 1836 volte la massa dell'elettrone.

Per ulteriori approfondimenti sui quark vedi anche qua

Massa del neutrone

Il neutrone è una particella che non è dotata di carica elettrica.
La massa del neutrone, detta anche

è

. I nuclei atomici degli elementi (ad eccezione del più comune isotopo dell'idrogeno, ossia il prozio il cui nucleo consiste di un singolo protone) sono composti da protoni e neutroni. I neutroni decadono in un protone, emettendo un elettrone e un antineutrino, secondo la reazione:

. Lo stesso tipo di decadimento (decadimento beta) si verifica in alcuni nuclei.
I protoni all'interno del nucleo si trasformano continuamente in neutroni e viceversa, mediante l'emissione e l'assorbimento di pioni. Il neutrone è classificato come barione, ed è costituito da due quark down e un quark up. Nel modello standard sono raffigurati i quark, i bosoni e i leptoni, tra cui i neutrini di cui, per ora, non si conosce la massa ma si spera di ricavarla osservando il doppio decadimento beta.

Per approfondimenti sull'atomo, vedi anche qua.

Vediamo qualche esercizio in cui viene richiesto, per la risoluzione, di conoscere la massa di elettrone, neutrone e protone.

Esercizi

• a) Calcolare la massa di un atomo di prozio.
• b) Calcolare la massa di un atomo di carbonio-12.

Svolgimento degli esercizi

• a) Come già detto in uno dei paragrafi precedenti, il prozio è il comune idrogeno, atomo che non contiene neutroni, bensì un solo protone e un solo elettrone. Diremo che quindi
  [math] m_H = m_e \cdot 1 + m_p \cdot 1 + m_n = 9.11 \cdot 10^{-31} \text{kg} + 1.673 \cdot 10^{-27} \text{kg} = 1.674 \cdot 10^{-27} \text{kg} [/math]
  Un’osservazione interessante che possiamo fare è che la massa dell’atomo di idrogeno in questione è davvero vicina alla massa del protone, questo perché essendo il protone oltre 1800 volte più pesante dell’elettrone, il contributo che quest’ultimo dà alla massa dell’atomo è praticamente trascurabile.
• b) Il Carbonio–12 è un isotopo del carbonio avente numero di massa 12. Questo ci dice che, essendo il carbonio un elemento con numero atomico pari a 6, esso avrà 6 protoni e 6 neutroni, oltre a 6 elettroni, dato che l’atomo è neutro elettricamente e quindi è necessario bilanciare le cariche.
  Per questo si avrà che
  [math] m_C = m_e \cdot 6 + m_p \cdot 6 + m_n \cdot 6 = 6 \cdot (m_e + m_p + m_n) = 2.0 \cdot 10^{-26} \text{kg} [/math]
  .
  È da questo valore che si trova il valore esatto dell’unità di massa atomica, che corrisponde alla dodicesima parte della massa di un atomo di carbonio-12. Si può inoltre notare come dividendo per 12 la massa di questo atomo si ottenga (circa) la massa dell’atomo di prozio che abbiamo analizzato all’inizio. Non è affatto una coincidenza se si tiene conto del fatto che la massa del carbonio è di circa 1 uma (ossia una unità di massa atomica).