Soluzioni
  • La carica del protone, ossia la carica elettrica di un singolo protone, è uguale a circa +1,602×10-19 coulomb (C) e si indica con una delle seguenti notazioni: e+, +e oppure +qe.

    e^+ \simeq +1,602 \times 10^{-19} \mbox{ C}

    Più precisamente il valore esatto della carica del protone in coulomb è stato fissato a maggio del 2019, ed è il seguente:

    e^+ = +1,602 \ 176 \ 634 \times 10^{-19} \mbox{ C}

    Carica protone, carica elettrone e carica elementare

    Per cogliere la differenza tra le cariche di protone ed elettrone, e per capire qual è la loro relazione con la carica elementare, è necessaria una piccola premessa.

    L'atomo è composto da tre particelle subatomiche: i protoni, i neutroni e gli elettroni. Protoni e neutroni formano il nucleo dell'atomo, mentre gli elettroni ruotano attorno a esso.

    I neutroni hanno carica elettrica nulla, mentre protoni ed elettroni hanno carica elettrica opposta. A tal proposito si è convenuto di assegnare ai protoni un valore di carica positivo e agli elettroni un valore di carica negativo.

    Tra elettroni e protoni i primi a essere scoperti e studiati furono gli elettroni. In particolare in un esperimento condotto nel 1909, e passato alla storia come esperimento di Millikan, venne calcolato il valore della carica dell'elettrone e si dimostrò che la carica elettrica è quantizzata, ossia che qualunque carica elettrica libera in natura è sempre un multiplo (negativo o positivo) della carica dell'elettrone.

    Come conseguenza di ciò, prima della scoperta dei protoni (attribuita a Rutheford, 1919) con il termine elettrone si intendeva l'unità di carica elementare, e non l'elettrone come lo intendiamo oggi.

    Da allora però le cose sono cambiate. Senza scendere troppo nel dettaglio, con l'avanzamento della Fisica e in seguito ad altre scoperte, la comunità scientifica internazionale ha convenuto di dare le seguenti definizioni:

    • la carica elementare è il quanto di carica elettrica libera, ossia la quantità indivisibile di una carica elettrica presente in natura. Si indica con i simboli e oppure qe: il suo valore è il modulo del valore della carica dell'elettrone determinato sperimentalmente da Millikan, e da maggio del 2019 è convenzionalmente fissato a 1,602176634×10-19 C

    e = 1,602 \ 176 \ 634 \times 10^{-19} \mbox{ C}

    • la carica dell'elettrone (simbolo e-, -e o ancora -qe) è la carica elettrica di un singolo elettrone, il cui valore è uguale a -1·e

    e^- = -1 \cdot e = -1,602 \ 176 \ 634 \times 10^{-19} \mbox{ C}

    • la carica del protone (simbolo e+, +e o ancora +qe) è la carica elettrica di un singolo protone, il cui valore è pari a +1·e

    e^+ = +1 \cdot e = +1,602 \ 176 \ 634 \times 10^{-19} \mbox{ C}

    In definitiva il valore della carica elettrica del protone è uguale a quello della carica elettrica dell'elettrone, ma con segno opposto. Nel contempo è interessante notare che la massa del protone è circa 1836 volte la massa dell'elettrone.

    Carica protone nel sistema CGS

    L'unità di misura utilizzata dal sistema CGS per le misure di carica elettrica è l'esu (unità di carica elettrostatica), detta anche statcoulomb (StatC) o franklin (Fr).

    Il legame tra coulomb ed esu è dato dalla seguente relazione

    1 \mbox{ esu} \simeq 3,33564 \times 10^{-10} \mbox{ C}

    di conseguenza per calcolare il valore della carica del protone in esu basta dividere il valore della carica espresso in coulomb per il fattore di conversione 3,33564×10-10

    \\ e^+ = +1,602 \ 176 \ 634 \times 10^{-19} \mbox{ C} \simeq \\ \\ \simeq \left[\left(+1,602 \ 176 \ 634 \times 10^{-19}\right) : \left(3,33564 \times 10^{-10}\right)\right] \mbox{ esu} \simeq \\ \\ \simeq +4,8032 \times 10^{-10} \mbox{ esu}

    Risulta quindi che il valore della carica del protone in unità di carica elettrostatica è di circa +4,8032×10-10 esu

    e^+ \simeq +4,8032 \times 10^{-10} \mbox{ esu}

    Approfondimento sul calcolo della carica del protone

    Alcuni esperimenti condotti nel 1968 hanno mostrato che il protone non è una particella elementare ma che, a sua volta, è composto da oggetti puntiformi detti quark up e quark down:

    - il quark up ha carica elettrica pari a +\frac{2}{3} \cdot e

    - il quark down ha carica elettrica data da -\frac{1}{3} \cdot e

    dove il simbolo e denota la carica elementare.

    Il protone è formato da due quark up e da un quark down, dunque possiamo calcolare la sua carica sommando la carica elettrica di due quark up e la carica elettrica di un quark down

    e^+ = \left(+\frac{2}{3} \cdot e\right) + \left(+\frac{2}{3} \cdot e \right) + \left(-\frac{1}{3} \cdot e\right)

    e dunque

    +\frac{3}{3} \cdot e = +1 \cdot e

    ***

    Con questo è davvero tutto! Concludiamo segnalandoti la pagina sulle costanti fisiche, tra cui è presente anche la carica del protone.

    Risposta di Galois
 
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