Proton

Proton
Klassifikation
Fermion Hadron Baryon Nukleon
Eigenschaften
elektrische Ladung	+1 e
Ruheenergie	938,271 998(38) MeV
Compton-Wellenlänge	1,321 409 8555(88) · 10−15 m
magnetisches Moment	1,410 606 633(58) · 10−26 J/T
g-Faktor	5,585 694 701 (56)
gyromagnetisches Verhältnis	2,675 222 05(23) · 108 (rad/s)/T
Spin	½
Isospin	½   (Iz = +½)
mittlere Lebensdauer	vermutlich stabil oder ca. 1031 a
Wechselwirkungen	stark schwach elektromagnetisch Gravitation
Valenzquarks	1 Down, 2 Up

Das Proton ist ein langlebiges elektrisch positiv geladenes Hadron mit dem Formelzeichen p. Es gehört neben dem Neutron und dem Elektron zu den Elementarteilchen, aus denen die Materie des menschlichen Alltags besteht.

Protonen bestehen aus zwei u-Quarks und einem d-Quark (Formel uud). Diese drei Valenzquarks werden von einem „See“ aus Gluonen und Quark-Antiquark-Paaren umgeben. Weniger als 20 % der Masse des Protons kommt von den Valenzquarks, der Rest von den Gluonen, die die starke Kraft übertragen . Der Durchmesser eines freien Protons beträgt etwa 1,7 · 10^-15 m. Das Proton ist wie das Neutron ein Baryon.

Historie

Das Proton als Baustein schwererer Kerne (Stickstoff) wurde von Ernest Rutherford 1919 entdeckt und als Kern des H-Atoms identifiziert. Sein Name soll an William Prout erinnern, der 1815 über so ein Atommodell spekuliert hatte.

Proton: Wasserstoff-Atome sind die kleinsten, am einfachsten gebauten Atome. Der Atomkern des Wasserstoff-Atoms besteht nur aus einem einzigen Elementarteilchen, dem Proton (griech.:das erste). Dieses Teilchen ist positiv geladen; die Ladung stimme dem Betrag nach mit der Ladung des Elektrons überein. Die Masse des Protons entspricht etwa der atomaren Masseneinheit 1u.

Eigenschaften

Momentan ist noch nicht klar, ob das Proton stabil ist, da die Große Vereinheitlichte Theorie eine Halbwertszeit von 10³¹ Jahren vorhersagt, jedenfalls ist es das einzige langlebige Hadron. Experimente am Kamiokande lassen auf eine Halbwertzeit von mindestens 10³² Jahren schließen (siehe auch Protonenzerfall). Der Protonenzerfall ist für die Physik insofern von besonderer Bedeutung, als er einen der wenigen Tests der Großen Vereinheitlichten Theorie darstellt, der ohne enormen Energieaufwand stattfindet. Das magnetische Moment lässt sich über das Quarkmodell berechnen und sollte ${\vec {\mu _{\rm {p}}}}={\frac {4}{3}}{\vec {\mu _{\rm {u}}}}-{\frac {1}{3}}{\vec {\mu _{\rm {d}}}}=+2{,}79{\vec {\mu _{\rm {n}}}}$ betragen, was gut mit den gemessenen Werten übereinstimmt.

Protonen können aus dem Zerfall 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 Neutronensternes auf und ist auch unter Normalbedingungen theoretisch möglich, aber statistisch extrem selten, da drei Teilchen mit einer genau abgestimmten Energie gleichzeitig zusammenstoßen müssen. Eine Ausnahme bildet der Elektroneneinfang; er tritt bei instabilen Isotopen mit hoher Protonenzahl (Z) und verhältnismäßig geringer Neutronenzahl (N) auf.

Das Antimaterie-Teilchen (Antiteilchen) zum Proton ist das Antiproton, das 1955 erstmals künstlich erzeugt wurde. 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 am häufigsten auftretende Wasserstoffisotop, dessen Atomkern nur aus einem einzelnen Proton besteht. Diese Protonenzahl gibt die Anzahl der im Kern enthaltenen Protonen an. Die Anzahl der Protonen im Atomkern bestimmt die Ordnungszahl eines Elements und (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 Atomkernes 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 Abstoßung auf.

Das fiktive Isotop des Heliums Diproton, dessen Kern lediglich aus zwei Protonen bestehen würde, verdankt seine Nichtexistenz wahrscheinlich der gegenseitigen Abstoßung der Protonen, da die starke Kernkraft in diesem Fall nicht ausreicht, um die abstoßende elektrostatische Kraft zwischen den beiden Protonen zu kompensieren. Erst mit einem weiteren Neutron im Kern erhält man das stabile ³He. Die Neutronen sind offenbar notwendig, um als „Kitt“ den Atomkern zusammenzuhalten.

Über den Kernphotoeffekt können Protonen durch hochenergetische Photonen aus dem Kern gelöst werden.

Bei Kernen mit besonders hoher oder besonders geringer Neutronenzahl kann es zu spontaner Nukleonenemission, also Protonen- oder Neutronenemission kommen. 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

Es werden Steuexperimente mit Protonen an anderen Nukleonen 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 dieser Untersuchungen und dem Vergleich p-p Streuung und n-n Streuung ist, dass die Kernkräfte unabhängig vom Ladungszustand der Nukleonen sind. Dies Coulombkraft bei der p-p Streuung wird hierbei vom Streuquerschnitt 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

• Proton-Proton-Reaktionen sind einer 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.

Forschung

Das Proton ist noch immer Gegenstand der physikalischen Forschung, u. a. den Anlage Super Proton Synchrotron (SPS), Large Hadron Collider (LHC) und der Large Electron-Positron Collider (LEP; Großer Elektron-Positron-Speicherring) des CERNs, dem Tevatron im Fermilab oder dem DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron). Die Forschung mit Proton-Antiproton-Kollisionen mit Leptonen dient der Suche nach einer Physik außerhalb des Standardmodells .

Weitere Anwendungen mit Protonen

In der Medizin werden Protonen bei Krebs in der Protonentherapie eingesetzt und bildet im Vergleich zur konventionellen Bestrahlung ene schonendere Therapie.

Siehe auch

• Zur Bedeutung des Protons in der Chemie beim Säurebegriff nach Brønsted und Lowry siehe Proton (Chemie)

Quellen

• W. Demtröder: Experimentalphysik. 2. Auflage. Springer, 2005, ISBN 3-540-21451-8
• Donald H. Perkins, Introduction to high energy physics, 4th edition, Cambridge University Press, ISBN 0-521-62196-8
• Tabellenwerte vom CODATA/NIST

Weblinks

• www.wissenschaft.de: Das seltsame Innenleben des Protons Das Proton hat sehr viel mehr Strange-Quark-Anteile als bisher angenommen
• www.wissenschaft.de: Wankelmütige Naturkonstante. Forscher: Protonen und Elektronen doch nicht konstant?

Wiktionary: Proton – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen