Der Atomkern des gewöhnlichenWasserstoffs ist ein einzelnes Proton. Daher wird das Proton auch als Wasserstoffkern oder Wasserstoffion bezeichnet. Diese Bezeichnungen sind jedoch nicht eindeutig, weil esIsotope des Wasserstoffs gibt, die zusätzlich ein oder zweiNeutronen im Kern enthalten.
Das Proton besteht aus zweiUp-Quarks und einemDown-Quark (Formel uud). Diese dreiValenzquarks werden von einem„See“ ausGluonen und Quark-Antiquark-Paaren umgeben. Nur etwa 1 Prozent der Masse des Protons kommt von den Massen der Valenzquarks. Der Rest stammt von der Bewegungsenergie zwischen Quarks und Gluonen sowie von den Seequarks; die Gluonen vermitteln als Kraft-Austauschteilchen diestarke Kraft zwischen den Quarks.[4]DerDurchmesser eines freien Protons beträgt etwa1.7e-15 m.Das Proton ist wie das Neutron einBaryon.
Das Proton ist das einzige stabileHadron und das leichtesteBaryon. Da einZerfall immer nur zu leichteren Teilchen führen kann, muss das Proton wegen der Baryonenzahlerhaltung nach demStandardmodell stabil sein. Nach Experimenten amKamiokande könnte eine eventuelleHalbwertzeit nicht unter 1032 Jahren liegen. Die Suche nach demProtonenzerfall ist für die Physik von besonderer Bedeutung, da er die Möglichkeit bieten würde, Theorien jenseits des Standardmodells zu testen.
Das Proton hat den Spin ½. Experimente derEuropean Muon Collaboration (EMC) in den späten 1980er Jahren amCERN und das nachfolgendeHERMES-Experiment amDESY (1995–2007) zeigten, dass der Spin des Protons weniger als zur Hälfte von den Valenzquarks herrührt. Den größeren Teil tragen offenbar Gluonen bei.
Da Protonen nur als Proton-Antiproton-Paare entstehen können oder durch Umwandlung anderer Baryonen, hat nur dierelative Parität zu anderen Baryonen eine physikalische Bedeutung. Per Konvention hat man dem Proton positive (und damit dem Antiproton negative) Parität zugeordnet.
Messungen derLamb-Verschiebung ammyonischen Wasserstoff, also am gebundenen System ausMyon und Proton, ergaben 2010 für denLadungsradius des Protons einen um 4 % geringeren als den bisher angenommenen Wert, der u. a. aus Streuversuchen an Elektronenbeschleunigern ermittelt worden war. Der Unterschied im Protonenradius lag im Bereich von vier Standardabweichungen. Das fand große Aufmerksamkeit, da es Fragen in Bezug zurQuantenelektrodynamik aufwirft, die eigentlich als die besterforschte physikalische Theorie gilt, die zum Beispiel die Energieniveaus im Wasserstoffatom bis auf 12 Dezimalstellen genau vorhersagt.[6] 2016 wurde die Abweichung auch an myonischen Deuterium-Atomen bestätigt. 2017 wurde eine Abweichung zu den Wasserstoff-Standarddaten auch bei Messungen an gewöhnlichem Wasserstoff entdeckt (in Höhe 3,3 Standardabweichungen sowohl beim Protonenradius als auch bei derRydbergkonstanten).[7][8] Bei weiteren Präzisionsmessungen ergab sich aber keine signifikante Diskrepanz mehr. DieParticle Data Group stellte in ihrem Review von 2022 fest: „[...] the puzzle appears to be resolved.“[9]
Wenn das Proton ein elementares Spin-½-Teilchen wäre, müsste seinmagnetisches Moment gemäß derDirac-Gleichung den Wert haben. (Die so definierte Konstante bezeichnet man dabei alsKernmagneton.) Bereits 1933 wurde jedoch entdeckt, dass das magnetische Moment um einen Faktor 2,79 (damals gemessener Wert: „2 bis 3“) größer ist[10], was erst Jahrzehnte später mit der Entdeckung derQuarks eine Erklärung fand.
Nach dem vereinfachten Quarkmodell auf der Ebene derKonstituentenquarks ergibt sich das magnetische Moment des Protons aus den magnetischen Momenten der Quarks gemäß. Hierbei sind die Momente zu den Massen des jeweiligen Konstituentenquarks. Das Ergebnis stimmt mit gemessenen Werten annähernd überein.[5]
Protonen und Neutronen verhalten sich bezüglich derstarken Wechselwirkung gleich; Unterschiede ergeben sich aus der elektrischen Ladung und den unterschiedlichen Massen der Valenzquarks. Daher kann man Proton und Neutron als zwei Zuständeeines Teilchens (Isospinduplett) betrachten.
Protonen können aus dem Zerfall von Neutronen entstehen:
Unter den extremen Bedingungen bei der Entstehung einesNeutronensterns kann auch dieendotherme Reaktion
stattfinden. Unter den Namenβ−-Zerfall bzw.Elektroneneinfang können beide Prozesse auch in Atomkernen vorkommen, aber wegen der Anwesenheit weiterer Nukleonen und Elektronen mit abgeänderter Energiebilanz.
DasAntiteilchen zum Proton ist dasAntiproton, das 1955 erstmals vonEmilio Segrè undOwen Chamberlain künstlich erzeugt wurde. Dafür erhielten diese beiden Physiker im Jahr 1959 denNobelpreis für Physik. Das Antiproton hat dieselbe Masse wie das Proton, aber elektrisch negative Ladung.
DerAtomkern fast allerNuklide besteht aus Protonen undNeutronen, denNukleonen; die einzige Ausnahme ist das häufigste Wasserstoff-Atom1H, dessen Atomkern nur aus einem einzelnen Proton besteht (siehe auchProton (Chemie)). Die Anzahl der Protonen im Atomkern wirdOrdnungszahl genannt, sie bestimmt die Zahl der Elektronen in der Atomhülle und damit die chemischen Eigenschaften desElements. Atome mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl werdenIsotope genannt und haben nahezu identische chemische Eigenschaften.
Die Protonen im Atomkern tragen zur atomaren Gesamtmasse bei. Diestarke 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.
DasDiproton, das fiktive Helium-Isotop2He, dessen Kern lediglich aus zwei Protonen bestünde, ist nicht „teilchenstabil“, denn zwei Protonen können sich wegen desPauli-Prinzips – im Gegensatz zum Proton und Neutron beimDeuteron – nur in einemSingulett-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 stabile3He.
Über denKernphotoeffekt können Protonen durch hochenergetischePhotonen aus dem Kern gelöst werden, ebenso in anderenKernreaktionen durch Stoß schneller Protonen, Neutronen oderAlphateilchen. 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 Eisenisotop45Fe) kann der Zwei-Protonen-Zerfall auftreten, bei dem sogar zwei Protonen gleichzeitig abgestrahlt werden (siehe hierzu den HauptartikelRadioaktivität).
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 elektromagnetische und erst recht die schwache Wechselwirkung sind hier vernachlässigbar. Streut man Protonen an Protonen, so muss zusätzlich dieCoulomb-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 amWirkungsquerschnitt der p-p-Streuung wird hierbei abgezogen, um nur die Wirkung der Kernkräfte zu vergleichen).
Bei einerProtonenanlagerung imp-Prozess überwindet ein schnelles Proton die Abstoßung durch die Coulombkraft und wird Bestandteil des getroffenen Atomkerns.
Interrestrischen Gammablitzen könnten neben anderen Masseteilchen auch Protonen mit Energien bis zu 30 MeV auftreten.[12] Jedoch ist die Zeitskala, auf der terrestrische Protonenstrahlen gemessen werden können, deutlich länger als für terrestrische Gammablitze.[13]
Beschleunigte Protonen werden in der Medizin im Rahmen derProtonentherapie 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 ausZyklotronen dienen z. B. auch zur Herstellung protonenreicherRadionuklide für medizinische Zwecke oder zur oberflächlichenAktivierung von Maschinenteilen zwecks späterer Verschleißmessungen.
William Prout hatte 1815 vermutet, dass alle Atome aus Wasserstoffatomen aufgebaut seien.[14]
Protonen tauchten in der Forschung zuerst 1898 auf, alsWilhelm Wien feststellte, dass man dieGeißlerröhre mit Wasserstoff füllen muss, umKanalstrahlen mit dem größten Verhältnis von Ladung zu Masse zu erhalten.[15] Diese Strahlung besteht aus Protonen.
1913 entwickelteNiels Bohr das nach ihm benannte Modell für das Wasserstoffatom, in dem einElektron einen positiv geladenen Atomkern umkreist. Dieser Kern ist ein Proton.
1919 führteErnest Rutherford die erste künstliche Kernumwandlung durch:14N + α →17O + p. Er beobachtete, dass beim Beschuss vonStickstoffkernen mit Alphateilchen Wasserstoffkerne emittiert wurden. Er nahm daraufhin an, dass alle Atomkerne aus Wasserstoffkernen aufgebaut sind und schlug für diese den NamenProton vor. Dabei nahm er Bezug auf das WortProtyle, das eine hypothetische Grundsubstanz allerMaterie bezeichnet.[14]
Dass Protonen den Spin ½ besitzen, wurde 1927 durch David Dennison anhand der Form der Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme von Wasserstoff gezeigt. Diese ist bei tiefen Temperaturen verschieden, je nachdem, ob die beiden Protonen ihre Spins parallel oder antiparallel ausrichten, weil jeweils bestimmte Rotationsniveaus des Moleküls aus Gründen der Vertauschungssymmetrie dann nicht vorkommen. Es zeigte sich, dass bei Raumtemperatur ¾ der Moleküle die Parallelstellung hatten (Orthowasserstoff) und ¼ die Antiparallelstellung (Parawasserstoff). Dies Mengenverhältnis passt nur zum Protonenspin ½.
↑Die Angaben über die Teilcheneigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, entnommen aus:CODATA Recommended Values (2022). National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 11. Juni 2024. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist alsgeschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.
↑abcBogdan Povh, Klaus Rith, Christoph Scholz, Frank Zetsche:Teilchen und Kerne, 8. Auflage, Springer Verlag 2009,ISBN 978-3-540-68075-8, Kapitel 6.1:Formfaktoren des Nukleons, S. 81, und Kapitel 15.4:Magnetische Momente, S. 226
↑The Jefferson Lab Q-weak Collaboration: Precision measurement of the weak charge of the proton.Nature Bd. 557 (2018) Seite 207–211,doi:10.1038/s41586-018-0096-0
↑Köhn, C., Ebert, U.: Calculation of beams of positrons, neutrons and protons associated with terrestrial gamma-ray flashes.J. Geophys. Res. Atmos. (2015), vol. 23,doi:10.1002/2014JD022229
↑Köhn, C., Diniz, G., Harakeh, M.N.: Production mechanisms of leptons, photons, and hadrons and their possible feedback close to lightning leaders.J. Geophys. Res. Atmos. (2017), vol. 122,doi:10.1002/2016JD025445
↑abRutherford in einer Fußnote zum ArtikelThe Constitution of Atoms. von Orme Masson inThe Philosophical Magazine, Vol 41 (1921), S. 281–285.: "…Finally the name "proton" met with general approval, particularly as it suggests the original term "protyle" given by Prout in his well-known hypothesis that all atoms are built up of hydrogen. The need of a special name for the nuclear unit of mass 1 was drawn attention to by Sir Oliver Lodge at the Sectional meeting, and the writer then suggested the name "proton."
↑Wilhelm Wien: Über positive Elektronen und die Existenz hoher Atomgewichte. In:Annalen der Physik. Band 318 (4), 1904, S. 669–677.
