Quelltext der Seite Proton

{{Dieser Artikel|beschäftigt sich mit dem Elementarteilchen. Zu weiteren Bedeutungen siehe [[Proton (Begriffsklärung)]].}}

{{Infobox Teilchen
|name= Proton (p<sup>+</sup>)
|klassifikation= [[Fermion]]<br />[[Hadron]]<br />[[Baryon]]<br />[[Nukleon]]
|hauptquelle= <ref name="CODATA">Die Angaben über die Teilcheneigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, entnommen aus: {{Internetquelle |url=https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Category?view=html&Atomic+and+nuclear.x=114&Atomic+and+nuclear.y=16 |titel=CODATA Recommended Values (2022) |hrsg=National Institute of Standards and Technology |abruf=2024-06-11}} Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als [[CODATA#Standardunsicherheiten von CODATA-Werten|geschätzte Standardabweichung]] des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.</ref>
|wechselwirkung= [[Starke Wechselwirkung|stark]]<br />[[Schwache Wechselwirkung|schwach]]<br />[[Elektromagnetische Wechselwirkung|elektromagnetisch]]<br />[[Gravitation]]
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}}

Das '''Proton''' [{{IPA|ˈproːtɔn}}] ([[Plural]] ''Protonen'' [{{IPA|proˈtoːnən}}]; von {{grcS|τὸ πρῶτον|to prōton}} „das erste“)<ref>[[Wilhelm Gemoll]]: ''Griechisch-Deutsches Schul- und Handwörterbuch.'' München/Wien 1965.</ref> ist ein stabiles, elektrisch positiv geladenes [[subatomares Teilchen]]. Jedes [[Atom]] enthält im [[Atomkern]] mindestens ein Proton. Das Proton gehört zu den [[Baryon]]en, zu den [[Fermion]]en und zu den [[Hadron]]en. Üblicherweise wird das Proton mit dem Formelzeichen <math>\mathrm{p}</math> bezeichnet. 

Der Atomkern des gewöhnlichen [[Wasserstoff]]s ist ein einzelnes Proton. Daher wird das Proton auch als Wasserstoffkern oder Wasserstoff[[ion]] bezeichnet. Diese Bezeichnungen sind jedoch nicht eindeutig, weil es [[Isotop]]e des Wasserstoffs gibt, die zusätzlich ein oder zwei [[Neutron]]en im Kern enthalten.

== Aufbau ==
Das Proton besteht aus zwei [[Up-Quark]]s und einem [[Down-Quark]] (Formel uud). Diese drei [[Valenzquark]]s werden von einem [[Seequark|„See“]] aus [[Gluon]]en 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]] die [[starke Kraft]] zwischen den Quarks.<ref name="Durr:2008zz">S. Dürr et al.: [http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/322/5905/1224 ''Ab initio determination of Light Hadron Masses.''] Science 322 (2008) S. 1224–1227</ref>
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Der [[Durchmesser]] eines freien Protons beträgt etwa {{ZahlExp|1,7|-15|post=m}}.
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Das Proton ist wie das Neutron ein [[Baryon]].

== Eigenschaften ==
=== Lebensdauer ===
Das Proton ist das einzige stabile [[Hadron]] und das leichteste [[Baryon]]. Da ein [[Zerfallskanal|Zerfall]] immer nur zu leichteren Teilchen führen kann, muss das Proton wegen der Baryonenzahlerhaltung nach dem [[Standardmodell]] stabil sein. Nach Experimenten am [[Kamiokande]] könnte eine eventuelle [[Halbwertzeit]] nicht unter 10<sup>32</sup> Jahren liegen. Die Suche nach dem [[Protonenzerfall]] ist für die Physik von besonderer Bedeutung, da er die Möglichkeit bieten würde, Theorien jenseits des Standardmodells zu testen.

=== Spin ===
Das Proton hat den Spin ½. Experimente der [[European Muon Collaboration]] (EMC) in den späten 1980er Jahren am [[CERN]] und das nachfolgende [[HERA (Teilchenbeschleuniger)#HERMES|HERMES-Experiment]] am [[Deutsches Elektronen-Synchrotron|DESY]] (1995–2007) zeigten, dass der Spin des Protons weniger als zur Hälfte von den Valenzquarks herrührt. Den größeren Teil tragen offenbar Gluonen bei.

=== Parität ===
Da Protonen nur als Proton-Antiproton-Paare entstehen können oder durch Umwandlung anderer Baryonen, hat nur die ''relative'' Parität zu anderen Baryonen eine physikalische Bedeutung. Per Konvention hat man dem Proton positive (und damit dem Antiproton negative) Parität zugeordnet.

=== Räumliche Ausdehnung ===
Die räumliche Ausdehnung (genauer: die Ladungsverteilung) des Protons lässt sich durch [[Streuung (Physik)|elastische Streuung]] von [[Elektron]]en ermitteln. Aus der Analyse des [[Formfaktor (Physik)|Formfaktors]] ergibt sich eine ungefähr [[Exponentialfunktion|exponentiell]] abfallende [[Ladungsdichte]]:<ref name="Povh" />

:<math>\varrho(r) = \varrho(0)\, \mathrm e^{-ar} \qquad</math> {{nowrap|1=mit ''a'' = 4,27 fm<sup>−1</sup>.}}

Das Proton ist also ein eher diffuses Gebilde.<ref name="Povh" />

Messungen der [[Lamb-Verschiebung]] am [[Myonischer Wasserstoff|myonischen Wasserstoff]], also am gebundenen System aus [[Myon]] und Proton, ergaben 2010 für den [[Ladungsradius]] des Protons einen um 4 % geringeren als den bisher angenommenen Wert, der u.&nbsp;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 zur [[Quantenelektrodynamik]] aufwirft, die eigentlich als die besterforschte physikalische Theorie gilt, die zum Beispiel die Energieniveaus im Wasserstoffatom bis auf 12 Dezimalstellen genau vorhersagt.<ref>{{Literatur |Autor= [[Randolf Pohl]] et al. |Titel=The size of the proton |Sammelwerk=Nature |Band=466 |Nummer=7303 |Datum=2010 |Seiten=213–216 |DOI=10.1038/nature09250}}</ref> 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 der [[Rydbergkonstante]]n).<ref>{{Webarchiv|url=http://www.pro-physik.de/details/news/10655019/Geschrumpftes_Proton.html |wayback=20180108062538 |text=Geschrumpftes Proton }}, Pro Physik, 6. Oktober 2017</ref><ref>A. Beyer et al.: The Rydberg constant and proton size from atomic hydrogen, Science, Band 358, 2017, S. 79</ref> Bei weiteren Präzisionsmessungen ergab sich aber keine signifikante Diskrepanz mehr. Die [[Particle Data Group]] stellte in ihrem Review von 2022 fest: „[...] the puzzle appears to be resolved.“<ref name="pdg2022">R.L. Workman et al. ([[Particle Data Group]]), Prog.Theor.Exp.Phys. 2022, 083C01 (2022), [https://pdg.lbl.gov/ The Review of Particle Physics  (2022)], Particle listing - [https://pdg.lbl.gov/2022/listings/rpp2022-list-p.pd Proton], Seite&nbsp;7</ref>

=== Magnetisches Moment ===
Wenn das Proton ein elementares Spin-½-Teilchen wäre, müsste sein [[magnetisches Moment]] gemäß der [[Dirac-Gleichung]] den Wert <math display="inline">\,\mu_\mathrm{N} = \frac{e\hbar}{2 m_\mathrm{p}}\,</math> haben. (Die so definierte Konstante <math>\mu_\mathrm{N}</math> bezeichnet man dabei als [[Kernmagneton]].) Bereits 1933 wurde jedoch entdeckt, dass das magnetische Moment um einen Faktor 2,79 (damals gemessener Wert: „2 bis&nbsp;3“) größer ist<ref name="FrischStern" />, was erst Jahrzehnte später mit der Entdeckung der [[Quark (Physik)|Quarks]] eine Erklärung fand.

Nach dem vereinfachten Quarkmodell auf der Ebene der [[Konstituentenquark]]s ergibt sich das magnetische Moment des Protons aus den magnetischen Momenten der Quarks gemäß <math>\mu_{\rm p} = \tfrac{4}{3}\mu_{\rm u} - \tfrac{1}{3}\mu_{\rm d}</math>. Hierbei sind <math>\mu_{\rm u}, \mu_{\rm d}</math> die Momente zu den Massen des jeweiligen Konstituentenquarks. Das Ergebnis stimmt mit gemessenen Werten annähernd überein.<ref name="Povh" />

== Beziehung zum Neutron ==
Protonen und Neutronen verhalten sich bezüglich der [[Starke Wechselwirkung|starken Wechselwirkung]] gleich; Unterschiede ergeben sich aus der elektrischen Ladung und den unterschiedlichen Massen der Valenzquarks. Daher kann man Proton und Neutron als zwei Zustände ''eines'' Teilchens ([[Isospin]]<nowiki />duplett) betrachten.

Protonen können aus dem Zerfall von Neutronen entstehen:
: <math>\mathrm{n}\rightarrow\mathrm{p}+\mathrm{e}^-+\bar\nu_\mathrm e + 0{,}78\,\mathrm{MeV} </math>

Unter den extremen Bedingungen bei der Entstehung eines [[Neutronenstern]]s kann auch die [[Endotherme Reaktion|endotherme]] Reaktion 
: <math>\mathrm{p}+\mathrm e^-\rightarrow\mathrm{n}+\nu_\mathrm e - 0{,}78\,\mathrm{MeV} </math>
stattfinden. Unter den Namen [[Betazerfall|β<sup>−</sup>-Zerfall]]  bzw. [[Elektroneneinfang]] können beide Prozesse auch in Atomkernen vorkommen, aber wegen der Anwesenheit weiterer Nukleonen und Elektronen mit abgeänderter Energiebilanz.

== Antiproton ==
Das [[Antiteilchen]] zum Proton ist das [[Antiproton]], das 1955 erstmals von [[Emilio Segrè]] und [[Owen Chamberlain]] künstlich erzeugt wurde. Dafür erhielten diese beiden Physiker im Jahr 1959 den [[Nobelpreis für Physik]]. Das Antiproton hat dieselbe Masse wie das Proton, aber elektrisch negative Ladung.

== Protonen als Bestandteile von Atomkernen ==
Der [[Atomkern]] fast aller [[Nuklid]]e besteht aus Protonen und [[Neutron]]en, den [[Nukleon]]en; die einzige Ausnahme ist das häufigste Wasserstoff-Atom <sup>1</sup>H, dessen Atomkern nur aus einem einzelnen Proton besteht (siehe auch [[Proton (Chemie)]]). Die Anzahl der Protonen im Atomkern wird [[Ordnungszahl]] genannt, sie bestimmt die Zahl der Elektronen in der Atomhülle und damit die chemischen Eigenschaften des [[Chemisches Element|Elements]]. Atome mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl werden [[Isotop]]e 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 <sup>2</sup>He, dessen Kern lediglich aus zwei Protonen bestünde, ist nicht „teilchenstabil“, denn zwei Protonen können sich wegen des [[Pauli-Prinzip]]s – 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 <sup>3</sup>He.

Über den [[Kernphotoeffekt]] können Protonen durch hochenergetische [[Photon]]en aus dem Kern gelöst werden, ebenso in anderen [[Kernreaktion]]en durch Stoß schneller Protonen, Neutronen oder [[Alphastrahlung|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 <sup>45</sup>Fe) kann der Zwei-Protonen-Zerfall auftreten, bei dem sogar zwei Protonen gleichzeitig abgestrahlt werden (siehe hierzu den Hauptartikel [[Radioaktivität]]).

== Streuprozesse von oder an Protonen ==
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 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 [[Elastische Streuung|elastischen]] oder [[Quasielastische Streuung|quasielastischen]] Streuungen von Elektronen an Protonen lässt sich der [[Formfaktor (Physik)|Formfaktor]] des Protons bestimmen.
Durch Streuung eines [[Spinpolarisation|polarisierten]] 1,16-[[Elektronenvolt|GeV]]-Elektronenstrahls an Protonen ist deren [[schwache Ladung]] genau gemessen worden. Dabei wurde ausgenutzt, dass nur bei der schwachen Wechselwirkung die [[Paritätsverletzung|Nichterhaltung der Parität]] gilt.<ref>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]]</ref>

== Weitere Reaktionen des Protons in der Astrophysik ==
[[Proton-Proton-Reaktion]]en sind eine von zwei [[Kernfusion|Fusionsreaktionen]] beim [[Wasserstoffbrennen]] in [[Stern]]en.

Bei einer [[Protonenanlagerung]] im [[p-Prozess]] überwindet ein schnelles Proton die Abstoßung durch die Coulombkraft und wird Bestandteil des getroffenen Atomkerns.

In [[Terrestrischer Gammablitz|terrestrischen Gammablitzen]] könnten neben anderen Masseteilchen auch Protonen mit Energien bis zu 30&nbsp;MeV auftreten.<ref>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]]</ref> Jedoch ist die Zeitskala, auf der terrestrische Protonenstrahlen gemessen werden können, deutlich länger als für terrestrische Gammablitze.<ref>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]]</ref>

== 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&nbsp;4), das Gewebe dahinter wird im Vergleich zur Röntgen-[[Radiotherapie]] relativ wenig belastet.

Protonen mit kinetischen Energien etwa im Bereich 10 bis 50&nbsp;[[Elektronenvolt|MeV]] aus [[Zyklotron]]en dienen z. B. auch zur Herstellung protonenreicher [[Radionuklid]]e für medizinische Zwecke oder zur oberflächlichen [[Radioaktivität|Aktivierung]] von Maschinenteilen zwecks späterer Verschleißmessungen.

== Forschungsgeschichte ==
[[William Prout]] hatte 1815 vermutet, dass alle Atome aus Wasserstoffatomen aufgebaut seien.<ref name="Rutherford1921" />

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.<ref name="Wien" /> 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 führte [[Ernest Rutherford]] die erste künstliche Kernumwandlung durch: {{nowrap|1=<sup>14</sup>N + α → <sup>17</sup>O + p.}} Er beobachtete, dass beim Beschuss von [[Stickstoff]]kernen mit Alphateilchen Wasserstoffkerne emittiert wurden. 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 (Physik)|Materie]] bezeichnet.<ref name="Rutherford1921" />

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.

== 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}}
{{Commons}}
* [https://pdg.lbl.gov/2022/listings/rpp2022-list-p.pdf Datenblatt des Protons] aus: ''Review of Particle Properties'' (2022) der [[Particle Data Group]]

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="FrischStern">
[[Otto Frisch|R. Frisch]], [[Otto Stern (Physiker)|Otto Stern]], ''Über die magnetische Ablenkung von Wasserstoffmolekülen und das magnetische Moment des Protons,'' [[Zeitschrift für Physik]] 85 (1933) Seite 4–16, [[doi:10.1007/bf01330773]]
</ref>
<ref name="PDG22">
{{Internetquelle
 |autor=R.L. Workman et al. ([[Particle Data Group]])
 |url=https://pdg.lbl.gov/2022/listings/rpp2022-list-p.pdf
 |titel=2022 Review of Particle Physics, proton
 |werk=Prog. Theor. Exp. Phys. 2022, 083C01 (2022)
 |hrsg=Particle Data Group
 |format=PDF
 |sprache=en
 |abruf=2022-08-01}}
</ref>
<ref name="Povh">
Bogdan 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.&nbsp;81, und Kapitel 15.4: ''Magnetische Momente'', S.&nbsp;226
</ref>
<ref name="Rutherford1921">
Rutherford in einer Fußnote zum Artikel ''The Constitution of Atoms.'' von Orme Masson in ''The Philosophical Magazine, Vol 41 (1921), S.&nbsp;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."
</ref>
<ref name="Wien">
Wilhelm Wien: Über positive Elektronen und die Existenz hoher Atomgewichte. In: [[Annalen der Physik]]. Band 318 (4), 1904, S. 669–677.
</ref>
</references>

[[Kategorie:Nukleon]]
[[Kategorie:Kernphysik]]