Protone: scoperta, decadimento radioattivo

Il protone è una subparticella atomica contenuta nel nucleo che ha carica positiva indicata con p o p⁺. Costituisce una delle particelle fondamentali di un atomo insieme al neutrone e all’elettrone. Il protone ha una massa minore rispetto a quella del neutrone ma 1836 volte maggiore di quella dell’elettrone.

Il numero di protoni contenuto nel nucleo dell’atomo, indicato con Z, è detto numero atomico che corrisponde a un diverso elemento chimico. Il numero di protoni in un atomo determina il suo numero atomico nella Tavola Periodica degli Elementi. Il protone,  indicato con i simboli p, p, ₁H⁺ ha una massa di 1.67262192595(52)·10⁻²⁷ kg

Scoperta del protone

Già nel 1815 il britannico William Prout avanzò l’ipotesi unitaria secondo la quale il peso atomico di tutti gli elementi chimici è pari a un multiplo intero del peso atomico dell’idrogeno.

Nel 1886 il fisico tedesco Eugen Goldstein stabilì l’esistenza delle particelle aventi carica positiva.

Dopo la scoperta dell’elettrone che avvenne nel 1897 da parte del fisico britannico Sir Joseph John Thomson si comprese che dovevano esserci centri di carica positivi all’interno dell’atomo per bilanciare la carica degli elettroni.

La scoperta del nucleo da parte di Rutherford dimostrò che queste cariche positive erano concentrate in una frazione molto piccola del volume degli atomi. Nel 1919 Rutherford scoprì inoltre che poteva si cambiare un elemento in un altro colpendolo con particelle α

Decadimento

Alcuni isotopi naturali e quasi tutti gli isotopi artificiali presentano nuclei instabili a causa di un eccesso di protoni e/o di neutroni. Tale instabilità provoca la trasformazione spontanea in altri isotopi detta decadimento radioattivo che si accompagna con l’emissione di particelle.

Il numero di protoni cambia quando un nucleo subisce un decadimento beta o alfa in una qualsiasi delle sue varie forme. Nuclidi instabili e quindi radioattivi con numero atomico maggiore di 83, subiscono un decadimento con l’emissione di una particella alfa costituita da due protoni e due neutroni che corrisponde a un atomo di elio.

Perdendo due protoni l’elemento si sposta di due posizioni nella tavola periodica passando da Z a Z-2. Il decadimento beta avviene con trasformazione di un nuclide instabile in un altro nuclide. Un tipo di decadimento beta ( il cosiddetto decadimento beta meno) avviene con trasmutazione di un neutrone in una coppia protone-elettrone più un antineutrino cosicché il numero atomico aumenta di una unità mentre rimane invariato il numero di massa.

Nella fisica delle particelle , il decadimento del protone è una forma ipotetica di decadimento delle particelle in cui si suppone che i protoni decadono in particelle subatomiche più leggere.

Applicazioni

La terapia protonica è una tecnica avanzata utilizzata in medicina. La protonterapia è una forma di radioterapia usata nel trattamento del cancro,  in grado di colpire in modo selettivo solo le cellule tumorali preservando i tessuti sani e consentendo, così, di somministrare dosi più elevate.

La risonanza magnetica per immagini, o MRI, è un esame di imaging medico non invasivo che produce immagini dettagliate di quasi tutte le strutture interne del corpo umano, inclusi organi, ossa, muscoli e vasi sanguigni. La tecnica si basa   sull’allineamento dei protoni nei tessuti del corpo con un forte campo magnetico e poi influenzati da onde a radiofrequenza. Misurando la risposta di questi protoni, è possibile produrre immagini dettagliate delle strutture interne del corpo.

I protoni svolgono un ruolo fondamentale in settori quali la produzione di elettricità tramite celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC) e l’analisi di elementi tramite emissione di raggi X indotta da protoni (PIXE).

I protoni possono essere utilizzati per conservare i prodotti alimentari. I protoni sono efficaci nel penetrare i prodotti alimentari e nel distruggere il DNA dei microrganismi. Questo processo può estendere la durata di conservazione del cibo uccidendo batteri e altri patogeni, riducendo il deterioramento e controllando i parassiti. Viene utilizzato anche per sterilizzare le forniture mediche.

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