Il numero di protoni non ha alcun legame con il numero di positroni. Anche se si potrebbe erroneamente pensare così, il protone non è composto da un positrone più qualche altra cosa. Il protone è composto da quarks, particelle dotate di carica elettrica, che hanno proprietà molto diverse da elettroni e positroni. L’unica cosa in comune che hanno è che tutte le combinazioni stabili di quarks (quarks liberi non esistono) che si osservano in natura sono tali per cui la carica della particella risultante è sempre o nulla o pari a quella elettronica con segno positivo o negativo. Il perchè di questo non è ancora noto, ma per fortuna è così perchè questo permette il bilanciamento delle cariche in un atomo (vedi più avanti).
Del resto non è neanche vero che, come regola generale, il numero di protoni e quello di elettroni si equivalga esattamente. Basti pensare che le reazioni nucleari che tengono accese le stelle trasformano, ad ogni singola reazione, quattro atomi di idrogeno (quattro protoni+quattro elettroni) in uno di elio (due protoni+due neutroni+due elettroni) più due positroni, due neutrini e due fotoni. È pur vero che alla fine i due positroni incontrano i due elettroni che hanno perso il nucleo ed entrambi si annichilano producendo altri due fotoni, ma esiste tuttavia un intervallo di tempo, brevissimo ma non nullo, i cui due degli elettroni iniziali si ritrovano senza il protone che li accompagnava all’inizio.
L’affermazione invece è vera se consideriamo la materia ordinaria che ci circonda nella vita quotidiana. Ma questo accade per motivi legati al comportamento dello forza elettrostatica e non per le modalità di creazione delle particelle.
Tutti i nuclei sono carichi positivamente, la carica è pari a quella elettronica con segno positivo moltiplicata per il numero di protoni presenti, questo perchè la carica del protone è esattamente opposta a quella dell’elettrone. Gli elettroni sono carichi negativamente. Quindi nuclei ed elettroni si attraggono.
Se un nucleo è circondato da un certo numero di elettroni che ha attirato, gli altri elettroni verranno attirati non dalla carica completa del nucleo, ma da quella schermata, cioè quella che si ottiene sommando la carica del nucleo con quella degli elettroni (che è negativa) che gli girano intorno. Quando un nucleo si è circondato di un numero di elettroni esattamente pari ai propri protoni, la carica schermata risulta nulla e quindi l’atomo perde la capacità di attirare altri elettroni. In realtà la schermatura non è mai perfetta, alcuni atomi sono in grado di attirare elettroni in surplus se questi passano a distanza ravvicinata, e in questo modo si formano gli ioni. Ma in generale un elettrone distante non sente l’attrazione di un atomo che complessivamente ha carica nulla.
Quindi la stragrande maggioranza degli atomi ha un pari numero di elettroni e di protoni.
Se escludiamo i fenomeni di decadimento radioattivo, i processi fisici che accadono sulla Terra non producono nuove particelle ma si limitano a ricombinare quelle già presenti. Allora anche la formazione degli ioni avviene rispettando l’equilibrio elettroni-protoni, perché ogni elettrone in surplus di uno ione negativo deve provenire da un altro atomo che ha perso uno dei suoi elettroni di competenza (diventando uno ione positivo).
Infine c’è da considerare che i nuclei e gli elettroni isolati sono oggetti molto sfuggenti, dato che sono molto più piccoli di un atomo. Se in una zona di spazio si trovano nuclei ed elettroni in quantità non bilanciate, inizialmente si formeranno tutti gli atomi possibili dopodichè le particelle rimaste (solo nuclei o solo elettroni), avendo tutte carica elettrica dello stesso segno, si respingeranno e quindi si allontaneranno velocemente dalla zona in cui erano inizialmente. Per cui sulla Terra, a meno di creare condizioni particolari in un laboratorio, non si presentano mai zone dello spazio in cui c’è una discrepanza misurabile tra il numero di elettroni e quello dei protoni.