Proton

Proton (p+)
Klassifikation
Fermion Hadron Baryon Nukleon
Eigenschaften
elektrische Ladung	1 e (+1,602 · 10−19 C)
Masse	1,007 276 466 879(91) u 1,672 621 898(21) · 10−27 kg 1836,152 673 89(17) me
Compton-Wellenlänge	1,321 409 853 96(61) · 10−15 m
magnetisches Moment	1,410 606 7873(97) · 10−26 J / T
g-Faktor	5,585 694 702(17)
gyromagnetisches Verhältnis	2,675 222 005(63) · 108 1/(sT)
SpinParität	1/2+
Isospin	1/2 (z-Komponente +1/2)
mittlere Lebensdauer	stabil
Wechselwirkungen	stark schwach elektromagnetisch Gravitation
Quark-Zusammensetzung	1 Down, 2 Up

Das Proton [ˈproːtɔn] (Plural Protonen [proˈtoːnən]; von altgriechisch τὸ πρῶτον to prōton ‚das erste‘) ist ein stabiles, elektrisch positiv geladenes Hadron. In Teilchen- und Kernreaktionen wird es mit dem Formelzeichen p notiert. Das Proton gehört neben dem Neutron und dem Elektron zu den Bausteinen der Atome, aus denen alltägliche Gegenstände bestehen.

Aufbau

Das Proton besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark (Formel uud). Diese drei Valenzquarks werden von einem „See“ aus Gluonen und Quark-Antiquark-Paaren umgeben. Nur ungefähr 1 % der Masse des Protons kommt von den Massen der Valenzquarks, der Rest stammt von der Bewegungs- und Bindungsenergie zwischen Quarks und den Gluonen, wobei letztere als Kraft-Austauschteilchen die starke Kraft zwischen den Quarks vermitteln. Der Durchmesser eines freien Protons beträgt etwa 1,7 · 10⁻¹⁵ m, also 1,7 Femtometer (fm). Das Proton ist wie das Neutron ein Baryon.

Eigenschaften

Das Proton ist das einzige stabile Hadron und das leichteste Baryon. Da ein Zerfall immer nur zu leichteren Teilchen führen kann, muss das Proton wegen der Baryonenzahlerhaltung nach dem Standardmodell stabil sein. Experimente am Kamiokande lassen auf eine Halbwertzeit von mindestens 10³² Jahren schließen. Die Suche nach dem Protonenzerfall ist für die Physik von besonderer Bedeutung, da sie einen möglichen Test für Theorien jenseits des Standardmodells darstellt.

Das magnetische Moment lässt sich über das Quarkmodell zu ${\vec {\mu _{\rm {p}}}}={\frac {4}{3}}{\vec {\mu _{\rm {u}}}}-{\frac {1}{3}}{\vec {\mu _{\rm {d}}}}=+2{,}79{\vec {\mu _{\mathrm {N} }}}$, wobei $\mu _{\mathrm {N} }$ das Kernmagneton bezeichnet, berechnen, was gut mit den gemessenen Werten übereinstimmt.

Protonen können aus dem Betazerfall von Neutronen entstehen:

$\mathrm {n} \rightarrow \mathrm {p} +\mathrm {e} ^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+0{,}78\,\mathrm {MeV}$

Der umgekehrte Prozess tritt z. B. bei der Entstehung eines Neutronensterns auf und ist auch unter Normalbedingungen theoretisch möglich, aber statistisch extrem selten, da drei Teilchen mit genau abgestimmten Energien gleichzeitig zusammenstoßen müssten.

Jedoch kann ein in einem sehr protonenreichen Atomkern gebundenes Proton sich durch Beta-plus-Zerfall oder Elektroneneinfang in ein Neutron verwandeln.

Das Antimaterie-Teilchen (Antiteilchen) zum Proton ist das Antiproton, das 1955 erstmals von Emilio Segrè und Owen Chamberlain künstlich erzeugt wurde, was den Entdeckern den Nobelpreis für Physik des Jahres 1959 einbrachte. Es hat dieselbe Masse wie das Proton, besitzt aber eine negative Ladung.

Protonen als Bestandteile von Atomkernen

Der Atomkern fast aller Nuklide besteht aus Protonen und Neutronen, den Nukleonen. Die Ausnahme ist das häufigste Wasserstoffisotop (das Wasserstoff-Atom ¹H), dessen Atomkern nur aus einem einzelnen Proton besteht. Die Anzahl der Protonen im Atomkern, die Ordnungszahl des jeweiligen Elements, bestimmt (über die durch die Protonen bestimmte Elektronenzahl) dessen chemische Eigenschaften. Atome mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl werden Isotope genannt und haben nahezu identische chemische Eigenschaften.

Die Protonen im Atomkern tragen zur atomaren Gesamtmasse bei. Die starke Wechselwirkung zwischen Protonen und Neutronen ist für den Erhalt und die Stabilität des Atomkerns verantwortlich. Während die positiv geladenen Protonen untereinander sowohl anziehende (starke Wechselwirkung) als auch abstoßende Kräfte (elektromagnetische Wechselwirkung) erfahren, tritt zwischen Neutronen untereinander und zwischen Neutronen und Protonen keine elektrostatische Kraft auf.

Das Diproton, das fiktive Helium-Isotop ²He, dessen Kern lediglich aus zwei Protonen bestünde, ist nicht „teilchenstabil“, denn zwei Protonen können sich wegen des Pauli-Prinzips – im Gegensatz zum Proton und Neutron beim Deuteron – nur in einem Singulett-Zustand mit antiparallelen Spins befinden. Auf Grund der starken Spinabhängigkeit der Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung ist dieser aber energetisch angehoben und daher nicht gebunden. Erst mit einem weiteren Neutron im Kern erhält man das stabile ³He.

Über den Kernphotoeffekt können Protonen durch hochenergetische Photonen aus dem Kern gelöst werden, ebenso in anderen Kernreaktionen durch Stoß schneller Protonen, Neutronen oder Alphateilchen.

Bei Kernen mit besonders hoher oder besonders geringer Neutronenzahl kann es zu spontaner Nukleonenemission, also Protonen- oder Neutronenemission, kommen. Man spricht hier von Protonen- bzw. Neutronenstrahlung. Die Halbwertszeiten sind hierbei stets sehr kurz. Bei extremem Protonenüberschuss (wie zum Beispiel beim Eisenisotop ⁴⁵Fe) kann der Zwei-Protonen-Zerfall auftreten, bei dem sogar zwei Protonen gleichzeitig abgestrahlt werden (siehe hierzu den Hauptartikel Radioaktivität).

Protonenstreuung

Streuexperimente mit Protonen an anderen Nukleonen werden durchgeführt, um die Eigenschaften der Nukleon-Nukleon-Wechselwirkungen zu erforschen. Bei der Streuung an Neutronen ist die starke Wechselwirkung die dominierende Kraft, die magnetische Wechselwirkung ist völlig vernachlässigbar. Streut man Protonen an Protonen, so muss zusätzlich die Coulomb-Kraft berücksichtigt werden. Die Kernkräfte hängen zudem noch vom Spin ab. Ein Ergebnis des Vergleichs der p-p-Streuung mit der n-n-Streuung ist, dass die Kernkräfte unabhängig vom Ladungszustand der Nukleonen sind (der Anteil der Coulombkraft am Wirkungsquerschnitt der p-p-Streuung wird hierbei abgezogen, um nur die Wirkung der Kernkräfte zu vergleichen). Mit elastischen oder quasielastischen Streuungen von Elektronen an Protonen lässt sich dessen Formfaktor bestimmen.

Weitere Reaktionen des Protons (Astrophysik)

• Proton-Proton-Reaktionen sind eine von zwei Fusionsreaktionen beim Wasserstoffbrennen.
• Bei einer Protonenanlagerung überwindet ein schnelles Proton die Abstoßung durch die Coulombkraft und wird ein Bestandteil des Kerns. Bei sehr hohen Temperaturen wird dies als P-Prozess bezeichnet.

Aktuelle Forschungsgebiete

Die Eigenschaften des Protons erforscht man u. a. in Anlagen wie dem Super Proton Synchrotron (SPS) und dem Large Hadron Collider (LHC) des CERNs, dem Tevatron im Fermilab oder HERA.

Die Forschung mit Proton-Antiproton-Kollisionen dient unter anderem der Suche nach einer Physik jenseits des Standardmodells.

Messungen der Lamb-Verschiebung am myonischen Wasserstoff, also am gebundenen System aus Myon und Proton, ergaben für den Ladungsradius des Protons einen anderen als den bisher angenommenen Wert, der u. a. aus Streuversuchen an Elektronenbeschleunigern ermittelt worden war. Diese Differenz ist eins der derzeit ungelösten Probleme der Physik. Sie wirft Fragen in Bezug zur Quantenelektrodynamik auf, die eigentlich als die besterforschte physikalische Theorie gilt.

In Terrestrischen Gammablitzen könnten neben anderen Masseteilchen auch Protonen mit Energien bis zu 30 MeV auftreten..

Technische Anwendungen

Beschleunigte Protonen werden in der Medizin im Rahmen der Protonentherapie zur Behandlung von Tumorgewebe eingesetzt. Dies ist eine im Vergleich zur konventionellen Röntgenbestrahlung schonendere Therapie, da die Protonen ihre Energie im Wesentlichen erst in einem eng begrenzten Tiefenbereich im Gewebe abgeben (Bragg-Peak). Das Gewebe, das sich auf dem Weg dorthin befindet, wird deutlich weniger belastet (Faktor 3 bis 4), das Gewebe dahinter wird im Vergleich zur Röntgen-Radiotherapie relativ wenig belastet.

Protonen mit kinetischen Energien etwa im Bereich 10 bis 50 MeV aus Zyklotrons dienen z. B. auch zur Herstellung protonenreicher Radionuklide für medizinische Zwecke oder zur oberflächlichen Aktivierung von Maschinenteilen zwecks späterer Verschleißmessungen.

Forschungsgeschichte

Protonen tauchten in der Forschung zuerst 1898 auf, als Wilhelm Wien feststellte, dass man die Geißlerröhre mit Wasserstoff füllen muss, um Kanalstrahlen mit dem größten Verhältnis von Ladung zu Masse zu erhalten. Diese Strahlung besteht aus Protonen.

1913 entwickelte Niels Bohr das nach ihm benannte Modell für das Wasserstoffatom, in dem ein Elektron einen positiv geladenen Atomkern umkreist. Dieser Kern ist ein Proton.

1919 entdeckte Ernest Rutherford, dass im Atomkern des Stickstoff Atomkerne des Wasserstoffs vorhanden sind. Er nahm daraufhin an, dass alle Atomkerne aus Wasserstoffkernen aufgebaut sind und schlug für diese den Namen Proton vor. Dabei nahm er Bezug auf das Wort Protyle, das eine hypothetische Grundsubstanz aller Materie bezeichnet. William Prout hatte 1815 vermutet, dass Wasserstoff diese Substanz sei, so dass alle Atome aus Wasserstoffatomen aufgebaut seien.

Siehe auch

• Protonium
• Hydron: Zur Bedeutung des Protons in der Chemie bei Protonenübertragungsreaktionen (Säure-Base-Reaktionen) bzw. zum Säurebegriff nach Brønsted und Lowry.

Quellen

• Wolfgang Demtröder: Experimentalphysik (Band 4). 2. Auflage. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-21451-8.
• Donald H. Perkins: Introduction to high energy physics. 4th edition. Cambridge University Press, 2000, ISBN 0-521-62196-8.

Weblinks

Wiktionary: Proton – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Commons: Proton – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien