Proton

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 20 % der Masse des Protons kommt von den Valenzquarks, der Rest von den Gluonen, die die starke Kraft übertragen ^[1]. Der Durchmesser eines freien Protons beträgt etwa 1,7 · 10^-15 m. Das Proton ist wie das Neutron ein Baryon.

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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 berechnen, was gut mit den gemessenen Werten übereinstimmt.

Protonen können aus dem Betazerfall von Neutronen entstehen:

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 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 Kraft auf.

Das Diproton, das fiktive Helium-Isotop ²He, dessen Kern lediglich aus zwei Protonen bestehen würde, ist wegen der gegenseitigen Abstoßung der Protonen nicht „teilchenstabil“. Erst mit einem weiteren Neutron im Kern erhält man das stabile ³He. Neutronen sind auch bei schwereren Nukliden offenbar notwendig, um als „Kitt“ den Atomkern zusammenzuhalten.

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 in der Art der Radioaktivität kommen (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

Schnelle Protonen werden in der Medizin in der Protonentherapie zur Behandlung von Krebs eingesetzt. Dies ist eine im Vergleich zur konventionellen Röntgenbestrahlung schonendere Therapie. 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. 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. ↑ Physik der Elementarteilchen - Nobelpreis 2004 & Elektroschwache Schleifen; Bernd Feucht; Institut für Theoretische Teilchenphysik; Universität Karlsruhe; Weblink PDF Vortrag
2. ↑ Suche nach Physik außerhalb des Standardmodells in Proton-Antiproton-Kollisionen mit Leptonen und Jets im Endzustand; Thomas Nunnemann; Weblink zu PDF Vortrag