P+

Proton (p+)
Klassifikation
Fermion Hadron Baryon Nukleon
Eigenschaften
Ladung	1 e 1,602176462 · 10−19 C
Ruhemasse	1,007 276 466 88(13) u 1,672 621 58(13) · 10−27 kg 1836,152 667 5(39) · me
Ruheenergie	938,271 998(38) MeV 1,503 277 31(12) · 10−10 J
Compton-Wellenlänge	1,321 409 8555(88) · 10−15 m
magnetisches Moment	1,410 606 662(37) · 10−26 J T−1
g-Faktor	5,585 694 701 (56)
gyromagnetisches Verhältnis	2,675 222 05(23) · 108 s−1T−1
SpinParität	1/2+
Isospin	1/2 (z-Komponente +1/2)
mittlere Lebensdauer	vielleicht stabil, zumindest > 1033 a
Wechselwirkung	stark schwach elektromagnetisch Gravitation
Quark-Zusammensetzung	1 Down, 2 Up

Das Proton [ˈproːtɔn] (Plural Protonen [proˈtoːnən]; von agr. πρῶτος prótos, „das Erste“) ist ein langlebiges elektrisch positiv geladenes Hadron mit dem Formelzeichen p. Es gehört neben dem Neutron und dem Elektron zu den Bausteinen, aus denen die dem Menschen alltäglich vertraute Materie besteht.

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. Weniger als 5% der Masse des Protons kommt von den 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^[1]. Zusammen mit dem Neutron ist das Proton für 99% der Masse des sichtbaren Universums verantwortlich^[1]. Der Durchmesser eines freien Protons beträgt etwa 1,7 · 10⁻¹⁵ m. Das Proton ist wie das Neutron ein Baryon.

Eigenschaften

Das Proton ist das einzige langlebige 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. Die Große Vereinheitlichte Theorie sagt jedoch seinen Zerfall mit einer Halbwertszeit der Größenordnung 10³¹ Jahre voraus. Experimente am Kamiokande lassen auf eine Halbwertzeit von mindestens 10³² Jahren schließen. Die Suche nach dem Protonenzerfall ist für die Physik insofern von besonderer Bedeutung, als sie einen der wenigen Tests der Großen Vereinheitlichten Theorie darstellt, die ohne enormen Energieaufwand möglich sind.

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 μ_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.

Forschung

Das Proton ist noch immer Gegenstand der physikalischen Forschung, u. a. den Anlagen 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 ^[2].

Anwendungen von Protonen

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 (siehe Bragg-Peak) und nicht schon vorher auf dem Weg dorthin.

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 wurden zuerst als Kanalstrahlen untersucht. Wilhelm Wien stellte dabei 1898 fest, dass die Kanalstrahlen bei Wasserstofffüllung der Kanalstrahlenröhre das größte Verhältnis von Ladung zu Masse haben.

Das Proton als Baustein schwererer Atomkerne (Stickstoff) wurde von Ernest Rutherford 1919 entdeckt und als Kern des Wasserstoff-Atoms identifiziert. Dieses ist das kleinste, am einfachsten gebaute Atom. Deshalb wurde dem Teilchen der Name Proton (griechisch: das Erste) gegeben. Möglicherweise soll der Name zugleich auch an William Prout erinnern, der 1815 vermutet hatte, dass alle anderen chemischen Elemente aus Wasserstoff aufgebaut seien.

Siehe auch

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

Quellen

• W. Demtröder: Experimentalphysik, Band 4, 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

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Ab initio determination of Light Hadron Masses; S. Dürr et al.; Science 322 (2008) 1224-1227; [1]
2. ↑ Suche nach Physik außerhalb des Standardmodells in Proton-Antiproton-Kollisionen mit Leptonen und Jets im Endzustand; Thomas Nunnemann; Weblink zu PDF Vortrag