Carica elementare

La carica elementare è definita come il quanto di carica elettrica libera, ossia come la quantità indivisibile di una carica elettrica presente in natura. Viene indicata con il simbolo e, oppure con q_e, ed è una delle costanti fisiche fondamentali.

Da maggio del 2019 il valore della carica elementare è stato fissato con precisione dal Sistema Internazionale, ed è il seguente

dove C è il simbolo del coulomb, l'unità di misura di riferimento della carica elettrica nel Sistema internazionale.

Scoperta e misurazione della carica elementare

Ai tempi di Franklin, ossia intorno al 1750, l'elettricità veniva considerata come un fluido continuo, ossia una sostanza sottile, impalpabile e priva di massa. Qualche decennio più tardi venne avanzata l'idea che anche l'elettricità potesse essere costituita da piccoli corpuscoli invisibili, e solo nel 1838 Richard Laming ipotizzò l'esistenza di una quantità fondamentale di carica elettrica.

Tuttavia il concetto vero e proprio di unità di carica elementare venne introdotto nel 1874 dal fisico irlandese George Stoney, e per riferirsi a tale unità coniò il termine elettrone. Ciò spiega perché si è soliti usare i termini carica elementare e carica dell'elettrone come sinonimi, ma di questo ci occuperemo tra poco.

Tornando a Stoney, egli aveva solo intuito l'esistenza dell'elettrone; la scoperta viene infatti attribuita a John Thomson, che tra il 1896 e il 1897 condusse una serie di esperimenti con cui ne dimostrò l'esistenza e riuscì a calcolare il rapporto tra la carica e la massa dell'elettrone.

Qualche anno dopo, nel 1909, il fisico statunitense Robert Millikan determinò sperimentalmente il valore della carica dell'elettrone, ma non solo. Con quello oggi ricordato come esperimento di Millikan scoprì anche che la carica elettrica è quantizzata, ossia che qualunque carica elettrica che si può osservare in natura è sempre un multiplo della carica dell'elettrone.

Carica elementare e cariche di elettrone e protone

Oggi sappiamo che un atomo è formato da un nucleo costituito da due tipi di particelle, i protoni e i neutroni, e che gli elettroni si muovono nello spazio attorno a esso.

Il neutrone è neutro, ossia ha carica elettrica nulla, mentre elettrone e protone hanno carica elettrica opposta, e si è convenuto di assegnare all'elettrone un valore di carica negativo e al protone un valore di carica positivo.

A seguito dell'esperimento di Millikan, e in particolare dalla scoperta che la carica elettrica è quantizzata, per distinguere le cariche di elettrone e protone si danno oggi le seguenti definizioni:

• il valore della carica elementare (simbolo e oppure q_e) è il modulo del valore della carica dell'elettrone, determinato sperimentalmente da Millikan e oggi convenzionalmente fissato a 1,602176634×10^-19 coulomb

• il valore della carica dell'elettrone, indicato con e^-, con -e, oppure con -q_e, è uguale a -1·e

• il valore della carica del protone, rappresentato con e⁺, con +e, oppure con +q_e, è uguale a +1·e

Carica elementare e quark

Solo qualche decennio fa, e più precisamente nel 1968, venne mostrato che il protone e il neutrone non sono particelle elementari ma che, a loro volta, sono formati da particelle subatomiche, quelle che oggi vengono chiamate quark o più precisamente quark up e quark down.

La carica elettrica di queste particelle non è un multiplo della carica elementare, infatti

- il quark up ha carica elettrica pari a

- il quark down ha una carica elettrica di

Ciò sembrerebbe smentire quanto scritto fin qui sulla quantizzazione della carica elettrica, ma non è così. I quark non sono osservabili individualmente in natura, e ciò spiega anche perché nella definizione di carica elementare si specifica che essa è il quanto di carica elettrica libera, ossia di una carica elettrica osservabile in natura.

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È davvero tutto, ma se vuoi saperne di più sulla carica elettrica puoi leggere la lezione dell'omonimo link.

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