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=
|wechselwirkung=[[Starke Wechselwirkung|stark]]<br />[[Schwache Wechselwirkung|schwach]]<br />[[Elektromagnetische Wechselwirkung|elektromagnetisch]]<br />[[Gravitation]]
|quark=1 Down, 2 Up|quark_bild=[[Datei:Quark structure proton.svg|100px]]
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|masse_u=1,007&nbsp;276&nbsp;466&nbsp;583(15)(29)<ref>{{internetquelle |url= http://www.spektrum.de/news/proton-leichter-als-gedacht/1483665 |titel=Proton leichter als gedacht |zugriff=2017-07-27}} Protonenmasse in [[Atomare Masseneinheit|u]]. 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>
|masse_kg=1,672&nbsp;621&nbsp;898(21)&nbsp;·&nbsp;10<sup>−27</sup><ref>{{internetquelle |url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mp |hrsg=National Institute of Standards and Technology |titel=CODATA Recommended Values |zugriff=2015-08-06}} Protonenmasse in [[Kilogramm|kg]]. 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>
|masse_me=1836,152&nbsp;673&nbsp;89(17)<ref>{{internetquelle |url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mpsme |hrsg=National Institute of Standards and Technology |titel=CODATA Recommended Values |zugriff=2015-08-06}} Protonenmasse in Vielfachen der Elektronenmasse. 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>
|masse_mev=938,272&nbsp;0813(58)<ref>{{internetquelle |url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mpc2mev |hrsg=National Institute of Standards and Technology |titel=CODATA Recommended Values |zugriff=2015-08-06}} Protonenmasse in [[Elektronenvolt|MeV/c<sup>2</sup>]]. 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>
|compton_wellenlaenge_m=1,321&nbsp;409&nbsp;853&nbsp;96(61)&nbsp;·&nbsp;10<sup>−15</sup><ref>{{internetquelle |url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?pcomwl |hrsg=National Institute of Standards and Technology |titel=CODATA Recommended Values |zugriff=2015-08-06}} Compton-Wellenlänge. 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>
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Das '''Proton''' [{{IPA|ˈproːtɔn}}] ([[Plural]] ''Protonen'' [{{IPA|proˈtoːnən}}]; von [[Altgriechische Sprache|altgriechisch]] {{lang|grc|τὸ πρῶτον}} ''to prōton'' ‚das erste‘)<ref>[[Wilhelm Gemoll]]: ''Griechisch-Deutsches Schul- und Handwörterbuch.'' München/Wien 1965.</ref> ist ein stabiles, elektrisch positiv geladenes [[Hadron]]. In Teilchen- und [[Kernreaktion]]en wird es mit dem Formelzeichen p notiert. Das Proton gehört neben dem [[Neutron]] und dem [[Elektron]] zu den Bausteinen der [[Atom]]e, aus denen alle alltägliche [[Materie (Physik)|Materie]] zusammengesetzt ist.

== 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 ungefähr 1 % der Masse des Protons kommt von den Massen der 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.<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> 
<!-- Vor Änderungen am Durchmesser bitte unbedingt die Diskussionsseite beachten und die Änderungen dort absprechen! -->
Der [[Durchmesser]] eines freien Protons beträgt etwa 1,7&nbsp;·&nbsp;10<sup>−15</sup>&nbsp;m, also 1,7 Femtometer (fm).
<!-- Vor Änderungen am Durchmesser bitte unbedingt die Diskussionsseite beachten und die Änderungen dort absprechen! -->
Das Proton ist wie das Neutron ein [[Baryon]].

== Eigenschaften ==
Das Proton ist das einzige stabile [[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. Experimente am [[Kamiokande]] lassen auf eine [[Halbwertzeit]] von mindestens 10<sup>32</sup> Jahren schließen. Die Suche nach dem [[Protonenzerfall]] ist für die Physik von besonderer Bedeutung, da sie einen möglichen Test für Theorien jenseits des Standardmodells darstellt.

Das magnetische Moment lässt sich nach dem Quarkmodell zu <math>\vec{\mu_{\rm p}} = \tfrac{4}{3}\vec{\mu_{\rm u}} - \tfrac{1}{3}\vec{\mu_{\rm d}} = +2{,}79 \vec{\mu_\mathrm{N}}</math> berechnen. Dabei ist <math>\mu_\mathrm{N}</math> das [[Kernmagneton]]. Das Ergebnis stimmt mit gemessenen Werten gut überein.

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

Der umgekehrte Prozess tritt z.&nbsp;B. bei der Entstehung eines [[Neutronenstern]]s 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 [[Betazerfall|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 [[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, die [[Ordnungszahl]] des jeweiligen [[Chemisches Element|Elements]], bestimmt – über die durch die Protonen bestimmte Elektronenzahl – dessen chemische Eigenschaften. 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 [[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]]).

== 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 (Physik)|Formfaktor]] bestimmen.

== Weitere Reaktionen des Protons (Astrophysik) ==
* [[Proton-Proton-Reaktion]]en sind eine von zwei [[Kernfusion|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.

== Aktuelle Forschungsgebiete ==
Die Eigenschaften des Protons erforscht man u.&nbsp;a. in Anlagen wie dem [[Super Proton Synchrotron]] (SPS) und dem [[Large Hadron Collider]] (LHC) des [[CERN]]s, dem [[Tevatron]] im [[Fermilab]] oder [[Deutsches Elektronen-Synchrotron#HERA|HERA]]. 

Die Forschung mit Proton-Antiproton-Kollisionen dient unter anderem der Suche nach einer Physik jenseits des Standardmodells.<ref>Suche nach Physik außerhalb des Standardmodells in Proton-Antiproton-Kollisionen mit Leptonen und Jets im Endzustand; Thomas Nunnemann; [http://www.etp.physik.uni-muenchen.de/dokumente/talks/fakkolloq_nunnemann_060705.pdf Weblink zu PDF Vortrag]</ref>

Messungen der [[Lamb-Verschiebung]] am [[Myonischer Wasserstoff|myonischen Wasserstoff]], also am gebundenen System aus [[Myon]] und Proton, ergaben für den Ladungsradius des Protons einen anderen als den bisher angenommenen Wert, der u.&nbsp;a. aus Streuversuchen an Elektronenbeschleunigern ermittelt worden war. Diese Differenz ist eins der [[Liste_ungelöster_Probleme_der_Physik#Ladungsradius_des_Protons |derzeit ungelösten Probleme der Physik]]. Sie wirft Fragen in Bezug zur [[Quantenelektrodynamik]] auf, die eigentlich als die besterforschte physikalische Theorie gilt.<ref>{{Literatur | Autor = Randolf Pohl et al.<!--, Aldo Antognini, François Nez, Fernando D. Amaro, François Biraben, João M. R. Cardoso, Daniel S. Covita, Andreas Dax, Satish Dhawan, Luis M. P. Fernandes, Adolf Giesen, Thomas Graf, Theodor W. Hänsch, Paul Indelicato, Lucile Julien, Cheng-Yang Kao, Paul Knowles, Eric-Olivier Le Bigot, Yi-Wei Liu, José A. M. Lopes, Livia Ludhova, Cristina M. B. Monteiro, Françoise Mulhauser, Tobias Nebel, Paul Rabinowitz, Joaquim M. F. dos Santos, Lukas A. Schaller, Karsten Schuhmann, Catherine Schwob, David Taqqu, João F. C. A. Veloso, Franz Kottmann--> | Titel = The size of the proton | Sammelwerk = Nature | Band = 466 | Nummer = 7303 | Jahr = 2010 | Seiten = 213–216 | DOI=10.1038/nature09250}}</ref>

In [[Terrestrischer Gammablitz|Terrestrischen Gammablitzen]] könnten neben anderen Masseteilchen auch Protonen mit Energien bis zu 30 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 4), das Gewebe dahinter wird im Vergleich zur Röntgen-[[Radiotherapie]] relativ wenig belastet.

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

== Forschungsgeschichte ==
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>Wilhelm Wien: Über positive Elektronen und die Existenz hoher Atomgewichte. In: Annalen der Physik. Band 318 (4), 1904, S. 669–677.</ref>. 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 entdeckte [[Ernest Rutherford]], dass im Atomkern des [[Stickstoff]] Atomkerne des Wasserstoffs vorhanden sind. 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. [[William Prout]] hatte 1815 vermutet, dass Wasserstoff diese Substanz sei, so dass alle Atome aus Wasserstoffatomen aufgebaut seien.<ref>Rutherford in einer Fußnote zum Artikel "The Constitution of Atoms." von Orme Masson in ''The 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."</ref>

== Siehe auch ==
* [[Protonium]]
* [[Proton (Chemie)|Hydron]]: Zur Bedeutung des Protons in der Chemie bei Protonenübertragungsreaktionen ([[Säure-Base-Reaktion]]en) bzw. zum [[Säuren|Säurebegriff]] nach [[Johannes Nicolaus Brønsted|Brønsted]] und [[Thomas Lowry|Lowry]].

== 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.

== Einzelnachweise ==
<references />

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
{{Commons}}

{{Normdaten|TYP=s|GND=4137643-2}}

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