Protone: differenze tra le versioni
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* {{Val|1,007 276 466 621|(53)|ul=u}}<ref>https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mpu</ref>
| carica_elettrica = 1 [[carica elementare|e]]<br/>
{{M|1,602176634|e=−19|ul=C}}<ref>{{cita web|url=https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?e|titolo=elementary charge|lingua=en|accesso=23 maggio 2022}}</ref>
| raggio_carica = {{M|0,833|e=−15|0,010|ul=m}}<ref name="ref_A">{{Cita pubblicazione|autore1=N. Bezginov|autore2=T. Valdez|autore3=M. Horbatsch|autore4=A. Marsman|autore5=A. C. Vutha|autore6=E. A. Hessels|data=6
| spin = ½''ħ''
}}
Costituisce il [[nucleo atomico]] assieme al [[neutrone]], con il quale si trasforma continuamente mediante l'emissione e l'assorbimento di [[Pione|pioni]] [[Particella virtuale|virtuali]].<ref>{{Cita web|url=https://www.jlab.org/intralab/calendar/archive04/pn12/talks/Gaskell.pdf|titolo=Exploring the Role of Pions in the Nucleus|sito=Jefferson Lab}}</ref><ref>{{Cita pubblicazione|nome=T.E.O.|cognome=Ericson|data=1978-01|titolo=Somewhat virtual pions|rivista=Progress in Particle and Nuclear Physics|volume=1|pp=173-192|accesso=23 marzo 2024|doi=10.1016/0146-6410(78)90009-1|url=https://doi.org/10.1016/0146-6410(78)90009-1}}</ref> In quanto formato da [[Quark (particella)|quark]] appartiene alla famiglia degli [[Adrone|adroni]], in particolare al gruppo dei [[Barione|barioni]], e avendo [[spin]] semi-intero è un [[fermione]]. Oltre che legato
==Scoperta ed etimologia==
Scoperto da [[Ernest Rutherford]] nel 1919,<ref>{{cita pubblicazione|autore=Ernest Rutherford|anno=1920|titolo=Nuclear constitution of atoms|rivista=Proceedings of the Royal Society of London, A|volume=97 |pp=374-400|lingua=en}}</ref> il nome "protone" venne introdotto nel 1920 dallo stesso Rutherford come "proton" (in inglese), basandosi sul termine
▲}}</ref> il nome "protone" venne introdotto nel 1920 dallo stesso Rutherford come "proton" (in inglese), basandosi sul termine πρῶτον (''pròton'') del [[lingua greca antica|greco antico]], un [[Grado di comparazione|superlativo]] di [[Neutro (linguistica)|genere neutro]] che significa "che è dinanzi a tutti, il primo".<ref>{{Cita web|url=https://www.grecoantico.com/dizionario-greco-antico.php?lemma=PRWTOS100|titolo=DIZIONARIO GRECO ANTICO - Greco antico - Italiano|sito=www.grecoantico.com|accesso=2022-09-19}}</ref> Il termine inglese "proton" è stato importato in italiano aggiungendovi una -e finale per italianizzarne la forma;<ref>{{Cita web|url=https://dizionario.internazionale.it/parola/www.internazionale.it|titolo=Italianizzare > significato - Dizionario italiano De Mauro|sito=Internazionale|lingua=it|accesso=2022-09-19}}</ref> e quindi la parte finale "-one" di "protone" non è qui un suffisso e non deve quindi far pensare ad un accrescitivo, come peraltro accade in diversi altri casi in italiano;<ref>{{Cita web|url=http://www.grandionline.net/nicola/pubblicazioni/grandisli00.pdf|titolo=Mutamenti innovativi e conservativi nella morfologia valutativa dell’italiano. Origine, sviluppo e diffusione del suffisso accrescitivo –one|autore=Nicola Grandi|accesso=15 luglio 2020|dataarchivio=2 aprile 2015|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20150402091516/http://www.grandionline.net/nicola/pubblicazioni/grandisli00.pdf|urlmorto=sì}}</ref> questo in contrapposizione a quanto accaduto al nome del [[neutrino]], dove la desinenza -''ino'' ha invece effettivamente valore diminutivo. Il nome venne infatti proposto da [[Enrico Fermi|Fermi]] nel 1932 per l'allora "neutrone di [[Wolfgang Pauli|Pauli]]" per differenziarlo dal "neutrone di [[James Chadwick|Chadwick]]" (l'attuale [[neutrone]]), particella ben più massiva; poi il nome rimase.<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Edoardo|cognome=Amaldi|data=1984-09|titolo=From the discovery of the neutron to the discovery of nuclear fission|rivista=Physics Reports|volume=111|numero=1-4|pp=1–331|lingua=en|accesso=2022-09-20|doi=10.1016/0370-1573(84)90214-X|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/037015738490214X}}</ref> Esperimenti precedenti, fra cui quelli condotti dai fisici [[Eugen Goldstein]] e [[Wilhelm Wien]], avevano già messo in luce l'esistenza nei [[Raggi anodici|raggi canale]] di [[Particella (fisica)|particelle]] con [[Carica elettrica|carica positiva]].
==Caratteristiche generali==
[[File:Mass-comparison-atomic-components.svg|thumb|Confronto tra le masse di elettrone, protone e neutrone.]]
Il valore della carica elettrica del protone è uguale a quello dell'elettrone, ma di segno opposto ({{M|1,602|e=−19|ul=C}}). Negli atomi successivi all'[[idrogeno]] la forza repulsiva fra i protoni è attenuata dalla presenza dei [[neutrone|neutroni]] e più che controbilanciata dalla [[Interazione forte|forza nucleare forte]] che attrae i [[Nucleone|nucleoni]] fra loro.
Il [[Magnetone nucleare#Momento magnetico anomalo del protone|momento magnetico del protone]] in unità di [[magnetone nucleare]] è pari a +2,793 μ<sub>N</sub>: è stato possibile spiegare il valore ''anomalo'' del momento magnetico del protone solo grazie al [[modello a quark costituenti]] introdotto negli [[Anni 1960|anni sessanta]].
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== Proprietà chimiche ==
{{Vedi anche|Idrone|Idronio}}
Il nucleo del più comune [[isotopo]] dell'[[idrogeno]], il [[Prozio (chimica)|prozio]], è costituito esclusivamente da un protone ed è rappresentato come H<sup>+</sup>. I nuclei degli altri atomi sono composti da neutroni e protoni tenuti insieme dalla [[Interazione forte|forza forte]], che contrasta efficacemente la [[forza di Coulomb|repulsione coulombiana]]
Il numero di protoni nel nucleo, detto [[numero atomico]], simbolo ''Z'', è fondamentale in chimica in quanto definisce l'[[elemento chimico]]<ref>{{Cita libro|cognome=British Electricity International|titolo=Nuclear physics and basic technology|url=https://doi.org/10.1016/B978-0-08-040519-3.50008-1|accesso=22 luglio 2024|data=1992|editore=Elsevier|pp=1-110|ISBN=978-0-08-040519-3|doi=10.1016/b978-0-08-040519-3.50008-1}}</ref> corrispondente a tale nucleo e determina, assieme al numero di elettroni presenti e la loro [[Configurazione elettronica|configurazione]], la natura stessa di tale specie (atomo o ione) e le sue proprietà chimiche.<ref>{{Cita libro|autore=Paolo Silvestroni|titolo=Fondamenti di Chimica|anno=1968|editore=LIBRERIA EREDI VIRGILIO VESCHI|p=531}}</ref> Esempio: H, con un solo elettrone, è un [[radicale libero]]; la specie cationica H<sup>+</sup> ([[idrone]], 0 ''e'') è un [[acido di Lewis]] e un [[ossidante]];<ref>Il protone in soluzione acquosa (H<sub>3</sub>O<sup>+</sup>), ad esempio, ha [[potenziale standard di riduzione]] 0 e quindi è in grado di ossidare qualsiasi specie chimica il cui potenziale standard di riduzione sia negativo (molti metalli).</ref> la specie anionica H<sup>−</sup> ([[idruro]], 2 ''e'') è una [[base di Lewis]] e un [[riducente]].<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Christian T.|cognome=Goralski|nome2=Bakthan|cognome2=Singaram|data=1º settembre 2006|titolo=SPECIAL FEATURE SECTION: HYDRIDE REDUCTIONS|rivista=Organic Process Research & Development|volume=10|numero=5|pp=947-948|lingua=en|accesso=22 luglio 2024|doi=10.1021/op0601363|url=https://pubs.acs.org/doi/10.1021/op0601363}}</ref>
In [[chimica]] e [[biochimica]] il termine viene usato quasi sempre impropriamente per riferirsi allo [[ione]] dell'[[idrogeno]] in [[soluzione acquosa]] ([[Idronio|idrogenione]]), mentre in realtà il protone libero in soluzione acquosa non esiste ed esiste invece lo [[ione molecolare]] covalente idrossonio o semplicemente ossonio H<sub>3</sub>O<sup>+</sup>. In questo contesto, secondo la [[teoria acido-base di Brønsted-Lowry]], un donatore di protoni è un [[acido]] e un accettore di protoni una [[base (chimica)|base]].▼
▲In [[chimica]] e [[biochimica]] il termine viene usato quasi sempre impropriamente per riferirsi allo [[ione]] dell'[[idrogeno]] in [[soluzione acquosa]] ([[Idronio|idrogenione]]), mentre in realtà il protone libero in soluzione acquosa non
==Proprietà quantistiche==▼
Il protone, al contrario di altre particelle come l'[[elettrone]], non è una particella fondamentale ma è costituito da [[Quark (particella)|quark]] e [[gluone|gluoni]], legati dal meccanismo chiamato [[Confinamento dei quark|confinamento di colore]]. Il confinamento è una fenomeno risultante dalla [[interazione forte]], la cui natura è però oscura ed elusiva. Ad esempio, è interessante notare che la grandissima parte, il 99% circa, della massa del protone, come di quella del neutrone, è determinata dall'energia della stessa [[interazione forte]] che tiene uniti i [[Quark (particella)|quark]], piuttosto che dalla loro massa propria.<ref>{{cita pubblicazione|url=https://physics.aps.org/articles/v11/118|lingua=en|autore=André Walker-Loud|rivista=Physics|volume=11|pagina=118|data=19 Novembre 2018|titolo=Viewpoint: Dissecting the Mass of the Proton}}</ref> L'intensità della forza nucleare forte decresce al crescere dell'energia delle particelle interagenti, sicché i quark e i gluoni si manifestano come particelle singole solo in collisioni ad alte energie o temperature, alle quali i protoni, come in generale gli altri [[adrone|adroni]], fondono formando il [[plasma di quark e gluoni]].▼
===Il protone come acido di Lewis e precursore di acidi di Brønsted===
La struttura interna dei protoni è studiata negli acceleratori di particelle attraverso gli [[urto elastico|urti elastici]] e anelastici ad alta energia fra protoni e [[Nucleone|nucleoni]] e fra protoni e [[Leptone|leptoni]], come gli elettroni. Da questo tipo di esperimenti, a partire da [[SLAC]], è stato possibile scoprire per la prima volta l'esistenza di particelle interne al protone.<ref>{{cita web|url=https://cerncourier.com/a/deep-import-of-deep-inelastic-scattering/|titolo=Deep import of deep inelastic scattering|autore=Max Klein|data=2 Novembre 1999|accesso=26 aprile 2020|lingua=en}}</ref> Sulla base di questi esperimenti, Feynman formulò il modello a [[partone|partoni]], il primo che tenesse in considerazione la struttura composita del protone.<ref name="feynman">▼
Il raggio di carica elettrica del protone (8,4075×10<sup>−16</sup> m)<ref>{{Cita web|url=https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?rp|titolo=CODATA Value: proton rms charge radius|sito=physics.nist.gov|accesso=2024-08-16}}</ref> è enormemente più piccolo rispetto a qualsiasi altro ione positivo: il [[campo elettrico]] da esso esercitato è quindi intensissimo. Per questo e per il fatto che, a differenza di altri ioni positivi, non c'è per esso alcun guscio elettronico, il protone libero H<sup>+</sup> può avvicinarsi a un'altra specie chimica ed accettare da essa una [[Doppietto elettronico|coppia di elettroni]].<ref>{{Cita libro|nome=Egon|cognome=Wiberg|nome2=Nils|cognome2=Wiberg|nome3=A. F.|cognome3=Holleman|titolo=Anorganische Chemie|url=https://www.worldcat.org/title/970042787|accesso=2024-08-16|edizione=103. Auflage|data=2017|editore=De Gruyter|p=266|OCLC=970042787|ISBN=978-3-11-026932-1}}</ref> In tal modo H<sup>+</sup> rappresenta quindi il più semplice degli acidi di Lewis<ref>{{Cita libro|autore=Paolo Silvestroni|titolo=Fondamenti di Chimica|anno=1968|editore=LIBRERIA EREDI VIRGILIO VESCHI|pp=357-358}}</ref><ref>{{Cita libro|nome=Erwin|cognome=Riedel|nome2=Christoph|cognome2=Janiak|titolo=Anorganische Chemie|edizione=10. Auflage|collana=De Gruyter Studium|data=2022|editore=De Gruyter|pp=367-370|ISBN=978-3-11-069604-2}}</ref> ed è fortissimo: può unirsi spontaneamente a qualsiasi specie chimica elettricamente neutra: perfino un atomo di [[elio]] può essere protonato [[Processo esotermico|esotermicamente]] (-[[Entalpia standard di formazione|Δ''H<sub>r</sub>''°]] = 177,8 kJ/mol),<ref>{{Cita web|url=https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C7440597&Units=SI&Mask=20#Ion-Energetics|titolo=Helium - Gas phase ion energetics data|sito=webbook.nist.gov}}</ref> generando in tal caso lo [[ione molecolare]] HHe<sup>+</sup>,<ref>{{Cita libro|titolo=Gas-phase ion and neutral thermochemistry|collana=Journal of physical and chemical reference data|data=1988|editore=American chemical society American institute of physics|ISBN=978-0-88318-562-9}}</ref> [[isoelettronico]] alla molecola H<sub>2</sub> e questo, a sua volta, è il più forte acido di Brønsted conosciuto.<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Rolf|cognome=Güsten|nome2=Helmut|cognome2=Wiesemeyer|nome3=David|cognome3=Neufeld|data=2019-04|titolo=Astrophysical detection of the helium hydride ion HeH+|rivista=Nature|volume=568|numero=7752|pp=357-359|lingua=en|accesso=15 luglio 2024|doi=10.1038/s41586-019-1090-x|url=https://www.nature.com/articles/s41586-019-1090-x}}</ref>
Lo ione H<sup>+</sup> libero può essere generato in fase gassosa nella sorgente di uno [[spettrometro di massa]] per ionizzazione dell'idrogeno;<ref name=":0">{{Cita pubblicazione|nome=Fulvio|cognome=Cacace|data=1º giugno 1988|titolo=Radiolytic approach to gas-phase ion chemistry|rivista=Accounts of Chemical Research|volume=21|numero=6|pp=215-222|lingua=en|accesso=15 luglio 2024|doi=10.1021/ar00150a001|url=https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ar00150a001}}</ref> in tal modo può essere immesso in una [[trappola ionica]] e ivi fatto reagire con altre molecole di interesse e generare quindi le corrispondenti specie "protonate" che, in tal modo, divengono acidi di Brønsted: reagendo con una molecola di acqua, ad esempio, si ottiene lo ione H<sub>3</sub>O<sup>+</sup> già menzionato; dall'[[ammoniaca]] si ottiene lo ione [[ammonio]] NH<sub>4</sub><sup>+</sup>; dal [[metano]], lo ione [[Flussionalità|flussionale]] [[metanio]] CH<sub>5</sub><sup>+</sup><ref>{{Cita pubblicazione|nome=Golam|cognome=Rasul|nome2=G. K.|cognome2=Surya Prakash|nome3=George A.|cognome3=Olah|data=28 novembre 2011|titolo=Comparative study of the hypercoordinate carbonium ions and their boron analogs: A challenge for spectroscopists|rivista=Chemical Physics Letters|volume=517|numero=1|pp=1-8|accesso=15 luglio 2024|doi=10.1016/j.cplett.2011.10.020|url=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009261411012735}}</ref>; dall'idrogeno molecolare, lo ione triangolare [[idrogenonio]], H<sub>3</sub><sup>+</sup>, osservato fin dal 1911.<ref>{{Cita pubblicazione|data=1913-08|titolo=Bakerian Lecture :—Rays of positive electricity|rivista=Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character|volume=89|numero=607|pp=1-20|lingua=en|accesso=15 luglio 2024|doi=10.1098/rspa.1913.0057|url=https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspa.1913.0057}}</ref>
Una branca della [[chimica]] si focalizza sulla protonazione in fase gassosa di molecole e sui trasferimenti di protone tra molecola e molecola:<ref name=":0" /> in tale ambito, assume particolare importanza l'[[affinità protonica]], definita come la [[Entalpia|variazione di entalpia]], cambiata di segno, della reazione di protonazione della molecola,<ref>"[http://goldbook.iupac.org/P04907.html Proton affinity.]" ''Compendium of Chemical Terminology''.</ref> in quanto tale affinità rappresenta una misura della [[basicità intrinseca]] di quella molecola.<ref>{{Cita libro|autore=J. E. Huheey|autore2=E. A. Keiter|autore3=R. L. Keiter|titolo=Chimica Inorganica,Principi, Strutture, Reattività|ed=2|anno=1999|editore=Piccin|pp=342-344|ISBN=88-299-1470-3}}</ref>
▲==Proprietà quantistiche==
▲Il protone, al contrario di altre particelle come l'[[elettrone]], non è una particella
}}</ref> Negli anni successivi, i partoni furono identificati con i quark e i gluoni, le cui interazioni sono descritte dalla [[cromodinamica quantistica]]. Dal punto di vista teorico, le funzioni di distribuzione dei quark e dei gluoni codificano la struttura composita del protone.▼
▲La struttura interna dei protoni è studiata negli acceleratori di particelle attraverso gli [[urto elastico|urti elastici]] e anelastici ad alta energia fra protoni e [[Nucleone|nucleoni]] e fra protoni e [[Leptone|leptoni]], come gli elettroni. Da questo tipo di esperimenti, a partire da [[SLAC]], è stato possibile scoprire per la prima volta l'esistenza di particelle interne al protone.<ref>{{cita web|url=https://cerncourier.com/a/deep-import-of-deep-inelastic-scattering/|titolo=Deep import of deep inelastic scattering|autore=Max Klein|data=2
===Funzione d'onda dei quark di valenza===▼
▲{{cita conferenza|autore=R. P. Feynman|anno=1969|titolo=The Behavior of Hadron Collisions at Extreme Energies|conferenza=High Energy Collisions: Third International Conference at Stony Brook, N.Y.|pp=237-249|editore=[[Gordon & Breach]]|isbn=978-0-677-13950-0|lingua=en}}</ref> Negli anni successivi, i partoni furono identificati con i quark e i gluoni, le cui interazioni sono descritte dalla [[cromodinamica quantistica]]. Dal punto di vista teorico, le funzioni di distribuzione dei quark e dei gluoni codificano la struttura composita del protone.
Il protone è formato da tre quark, detti
La funzione d'onda del protone deve essere totalmente antisimmetrica rispetto allo scambio di due quark
:<math>|p_\uparrow\rangle= \frac{1}{\sqrt {18}} [ 2| u_\uparrow d_\downarrow u_\uparrow \rangle + 2| u_\uparrow u_\uparrow d_\downarrow \rangle +2| d_\downarrow u_\uparrow u_\uparrow \rangle - | u_\uparrow u_\downarrow d_\uparrow\rangle -| u_\uparrow d_\uparrow u_\downarrow\rangle -| u_\downarrow d_\uparrow u_\uparrow\rangle
-| d_\uparrow u_\downarrow u_\uparrow\rangle -| d_\uparrow u_\uparrow u_\downarrow\rangle -| u_\downarrow u_\uparrow d_\uparrow\rangle ]</math>
dove a ciascun quark up <math>u</math> o down <math>d</math> è assegnato uno spin up <math>\uparrow</math> o down <math>\downarrow</math>.<ref>L'equivalenza fra i nomi dei due quark leggeri e i nomi per i due stati di spin ha ragioni storiche ed è da ricercare nella simmetria di [[isospin]]. Si veda ad esempio {{cita web|url=http://pdg.lbl.gov/2019/reviews/rpp2019-rev-quark-model.pdf|titolo=Quark Model|lingua=en}}</ref>
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In base agli attuali esperimenti di [[Fisica delle particelle|fisica particellare]] il protone è una [[Particella (fisica)|particella]] "stabile", il che significa che non [[Decadimento particellare|decade]] in altre particelle e quindi, entro i limiti sperimentali, la sua vita è eterna.<ref name="protonpdg">{{cita web|lingua=en|url=http://pdg.lbl.gov/2014/listings/rpp2014-list-p.pdf|titolo=proton (PDG)|accesso=8 ottobre 2014}}</ref> Questo fatto è riassunto dalla [[Legge di conservazione del numero barionico|conservazione del numero barionico]] nei processi fra [[Particella elementare|particelle elementari]]. Infatti il barione più leggero è proprio il protone e, se il numero barionico deve essere conservato, esso non può decadere in nessun'altra particella più leggera.
Tuttavia rimane aperta la possibilità che, in tempi molto più grandi di quelli finora osservati, il protone possa decadere in altre particelle. Diversi [[teoria della grande unificazione|modelli teorici di grande unificazione]] (GUT) propongono infatti processi di non conservazione del numero barionico, tra cui proprio il decadimento del protone. Studiando questo eventuale fenomeno sarebbe possibile indagare una regione energetica attualmente irraggiungibile (circa {{Val|1e15|ul=GeV}}) e scoprire l'esistenza o meno di un'unica forza fondamentale. Per questo motivo nel mondo sono attivi diversi esperimenti che hanno come obiettivo quello di misurare la vita media del protone. Tale evento però, se esiste, è estremamente difficile da osservarsi in quanto richiede apparati molto grandi e complessi per raccogliere un numero sufficientemente grande di protoni
Ad esempio, uno dei canali di decadimento maggiormente studiato è il seguente:
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:<math>p \to e^+ + \pi^{0}</math>
con un limite inferiore per la vita media parziale pari a {{M|1,6|e=33}} anni.<ref name="Nishino">
▲ |titolo=Search for Proton Decay via ''p'' → ''e''<sup>+</sup> + ''π''<sup>0</sup> and ''p'' → ''μ''<sup>+</sup> + ''π''<sup>0</sup> in a Large Water Cherenkov Detector
== Note ==
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* {{cita libro|autore=Albert Messiah|titolo=Mécanique quantique, tome 1|anno=1966|editore=Dunod|lingua=fr}}
* {{cita libro|autore=[[Paul Dirac]]|titolo=I principi della meccanica quantistica|anno=1971|editore=Bollati Boringhieri}}
* {{cita libro|autore=[[John von Neumann]]|titolo=Mathematical foundations of Quantum Mechanics|url=https://archive.org/details/mathematicalfoun0000vonn|anno=1955|editore=Princeton University Press|lingua=en}}
* {{cita libro|autore1=Stephen Gustafson|autore2=Israel M. Sigal|titolo=Mathematical concepts of quantum mechanics|url=https://archive.org/details/mathematicalconc0000gust|anno=2006|editore=Springer|lingua=en}}
* {{cita libro|autore=Franz Schwabl|titolo=Quantum mechanics|anno=2002|editore=Springer|lingua=en}}
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== Altri progetti ==
{{interprogetto|wikt|preposizione=sul}}
== Collegamenti esterni ==
* {{Collegamenti esterni}}
* {{Cita web|url=http://goldbook.iupac.org/P04906.html|titolo=IUPAC Gold Book, "proton"|lingua=en}}
{{particelle}}
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