Protone: differenze tra le versioni

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{{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 settembre 2019|titolo=A measurement of the atomic hydrogen Lamb shift and the proton charge radius|rivista=Science|volume=365|numero=6457|pp=1007-1012|doi=10.1126/science.aau7807|lingua=en}}</ref>

| spin = ½''ħ''

}}

Il '''protone''' è una [[particella subatomica]] dotata di [[carica elettrica]] positiva, formata da due [[quark up]] e un [[quark down]] uniti dalla [[interazione forte]] e detti "di valenza" in quanto ne determinano quasi tutte le caratteristiche fisiche.

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=173–192173-192|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 dall'interazione forte nel nucleo atomico, può trovarsi libero, stato nel quale è fra le particelle più stabili esistenti, con una [[vita media]] stimata ''τ'' > 3,6×10²⁹&nbsp;anni,<ref>{{Cita pubblicazione|nome=SNO+|cognome=Collaboration|nome2=M.|cognome2=Anderson|nome3=S.|cognome3=Andringa|data=20 febbraio 2019|titolo=Search for invisible modes of nucleon decay in water with the SNO+ detector|rivista=Physical Review D|volume=99|numero=3|ppp=032008|accesso=23 marzo 2024|doi=10.1103/PhysRevD.99.032008|url=http://arxiv.org/abs/1812.05552}}</ref> un valoremiliardi di una decinamiliardi di miliardivolte dila miliardistima lattuale dell'[[età dell'universo]] (1,37x10<Sup>10</sup> anni).

==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 ''πρῶτον'' (pròton) del [[lingua greca antica|greco antico]],<ref>{{Cita web|url=https://www.etymonline.com/word/proton|titolo=proton {{!}} Etymology of proton by etymonline|lingua=en|accesso=19 marzo 2024}}</ref><ref>{{Cita pubblicazione|data=1º agosto 1920|titolo=The Cardiff Meeting of the British Association|rivista=Nature|volume=105|numero=2651|pp=780–781780-781|lingua=en|accesso=19 marzo 2024|doi=10.1038/105780a0|url=https://www.nature.com/articles/105780a0}}</ref> 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|accesso=19 settembre 2022}}</ref> Il termine inglese "proton" è stato importato in italiano aggiungendovi una -e finale (e spostamento di accento) 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=19 settembre 2022}}</ref> quindi, la parte finale "-one" di "protone" è parte della parola greca originale e non è qui un suffisso italiano accrescitivo,.<ref>{{Cita web|url=https://www.treccani.it/vocabolario/one1/,%20https://www.treccani.it/vocabolario/one1/|titolo=-óne¹ - Treccani|sito=Treccani|lingua=it|accesso=14 marzo 2024}}</ref> 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|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.<ref>{{Cita web|url=https://www.treccani.it/vocabolario/ino1/,%20https://www.treccani.it/vocabolario/ino1/|titolo=-ino¹ - Treccani|sito=Treccani|lingua=it|accesso=14 marzo 2024}}</ref> 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=1–3311-331|lingua=en|accesso=20 settembre 2022|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]].<ref>{{Cita pubblicazione|nome=W.|cognome=Wien|data=1904-01|titolo=Über positive Elektronen und die Existenz hoher Atomgewichte|rivista=Annalen der Physik|volume=318|numero=4|pp=669–677669-677|lingua=en|accesso=19 marzo 2024|doi=10.1002/andp.18943180404|url=https://zenodo.org/record/2190505}}</ref>

==Caratteristiche generali==

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Il nucleo del più comune [[isotopo]] dell'[[idrogeno]], il [[Prozio (chimica)|prozio]], è costituito esclusivamente da un protone ed è rappresentato come H⁺. 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]] esistente fra cariche dello stesso segno.

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=1–1101-110|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⁺ ([[idrone]], 0 ''e'') è un [[acido di Lewis]] e un [[ossidante]];<ref>Il protone in soluzione acquosa (H₃O⁺), 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⁻ ([[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=947–948947-948|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 può esistere stabilmente in quanto troppo reattivo ed esiste invece lo [[ione molecolare]] covalente [[idrossonio]], o semplicemente ossonio, H₃O⁺. In questo contesto, secondo la [[teoria acido-base di Brønsted-Lowry]], una specie molecolare capace di donare un protone ad un'altra è un [[acido]] e una capace di accettarne un protone da un'altra specie è una [[base (chimica)|base]].<ref>{{Cita libro|autore=Paolo Silvestroni|titolo=Fondamenti di Cimica|anno=1968|editore=LIBRERIA EREDI VIRGILIO VESCHI|pp=355-357}}</ref>

===Il protone come acido di Lewis e precursore di acidi di Brønsted===

Il raggio di carica elettrica del protone libero(8,4075×10⁻¹⁶ 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⁺, potendopuò avvicinarsi a un'altra specie chimica ed accettare da essa una [[Doppietto elettronico|coppia di elettroni]].<ref>{{Cita dalibro|nome=Egon|cognome=Wiberg|nome2=Nils|cognome2=Wiberg|nome3=A. un'altraF.|cognome3=Holleman|titolo=Anorganische specieChemie|url=https://www.worldcat.org/title/970042787|accesso=2024-08-16|edizione=103. chimica,Auflage|data=2017|editore=De èGruyter|p=266|OCLC=970042787|ISBN=978-3-11-026932-1}}</ref> In tal modo H⁺ rappresenta quindi il più semplice degli [[Acido di Lewis|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> eed è fortissimo: può unirsi spontaneamente a qualsiasi specie chimica elettricamente neutra,: perfino a un atomo di [[elio]] può essere protonato [[Processo esotermico|esotermicamente]] (-[[Entalpia standard di formazione|Δ''H_r''°]] = 177,8&nbsp;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⁺,<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 H₂, e chequesto, 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=357–359357-359|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⁺ 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=215–222215-222|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 di Brønsted: reagendo con una molecola di acqua, ad esempio, si ottiene lo ione H₃O⁺ già menzionato; dall'[[ammoniaca]] si ottiene lo ione [[ammonio]] NH₄⁺; dal [[metano]], lo ione [[Flussionalità|flussionale]] [[metanio]] CH₅⁺<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=1–81-8|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]], H₃⁺, 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=1–201-20|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==

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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">

{{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=237–249237-249|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.

===Funzione d'onda dei quark===

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La funzione d'onda del protone deve essere totalmente antisimmetrica rispetto allo scambio di due quark, visto che il protone è un fermione. L'antisimmetria nel caso dei barioni è data dalle componenti di colore, mentre la funzione d'onda per le componenti di sapore e di spin è simmetrica e uguale a

:<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>