Kernphysik

Proton

Was es mit dem Proton auf sich hat, was es auszeichnet und wieso es für die Atombindung so wichtig ist erfährst du hier.

Schau auf jeden Fall noch das Video%Videoverweis an. Darin sind alle relevanten Inhalte für dich audiovisuell aufbereitet.

Inhaltsübersicht

Proton einfach erklärt

Das Proton ist ein positiv geladenes Teilchen. Es ist einer der wichtigsten Bestandteile des Atoms und relevant für die Bindung der Elektronenhülle . Seine Ladung ist positiv und hat die gleiche Größe wie die Ladung des ElektronsVideoverweis Elektron. Mit Neutronen bilden Protonen den Atomkern

Beim Proton handelt es sich nicht um ein Elementarteilchen , da das Proton aus mehreren Komponenten zusammengesetzt ist. Dabei handelt es sich um Quarks die ihrerseits wieder über die Gluonen aneinander gebunden sind. Daher werden die Eigenschaften des Protons durch die Eigenschaften und Wechselwirkungen der Quarks und Gluonen festgelegt. 

Merke

Das Proton ist ein positiv geladenes, subatomares Teilchen. Es ist einer der Kernbausteine des Atoms und wird daher auch als Nukleon bezeichnet.

Was ist ein Proton?

Ein Proton (p^+) ist ein subatomares Teilchen mit positiver Ladung (e). Diese Ladung wird auch als Elementarladung bezeichnet. Seine Masse ist ein wenig geringer als die des Neutrons. Gemeinsam mit dem Neutron, werden diese beiden Teilchen als Nukleonen bezeichnet. Das heißt, dass beide Bestandteile von Atomkernen sind. 

Protonen sind ein relevanter Bestandteil jedes Atoms. Der Kern eines Wasserstoffatoms besteht beispielsweise aus nur einem einzigen Proton. Die Anzahl der Protonen eines Atomkerns legt dessen Kernladungszahl fest. Diese Größe ist essentiell und einzigartig für jedes Element des Periodensystems .

Ladung + 1 e
+1,602176634 \cdot 10^{-19} C
Ruhemasse 1,67262192369\cdot 10^{-27} kg
1,007276466621 \cdot 10^{-4} u
Ruheenergie 938,27208816 MeV
Compton-Wellenlänge 1,32140985539 \cdot 10^{-15}
magnetisches Moment 1,41060679736 \cdot 10^{-26} J/T
g-Faktor 5,5856946893
Spin 1/2
mittlere Lebensdauer stabil
Wechselwirkung stark
schwach
elektromagnetisch
Gravitation

Aus was besteht ein Proton?

In der Vergangenheit wurde angenommen, dass das Proton ein Elementarteilchen sei. Somit wäre es unteilbar und das kleinstmögliche Erzeugnis beim Zerlegen von Materie. Heute wissen wir, dass das Proton selbst ein zusammengesetztes Teilchen ist. Es besteht aus sogenannten Quarks. Um es präziser auszudrücken, es besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark.

Alle diese Teilchen werden im Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben. In diesem gehören Protonen zur Teilchenfamilie der Hadronen. Mit der Bezeichnung Hadronen werden eben jene Teilchen beschrieben, welche aus Quarks zusammengesetzt sind.

Schau dir zum Standardmodell der Teilchenphysik auf jeden Fall noch das Video an. Damit verstehst du besser was subatomare Teilchen wirklich sind.%Proton mit Komponenten

Proton Masse

Die Masse des Protons ergibt sich auf besondere Art und Weise. Du weißt jetzt, dass das Proton aus drei Quarks zusammengesetzt wird. Vielleicht kennst du auch schon die Relativitätstheorie . Nach dieser besteht zwischen Masse und Energie eine Äquivalenz ausgedrückt durch die Formel E=mc^2. Um zu erklären wie die Masse des Protons zustand kommt brauchst du nämlich die Relativitätstheorie.

Die Masse des Protons ist 80 bis 100 Mal größer, als die Restmasse der Quarks. Restmasse ist die um die Bindungsenergie reduzierte Masse, da die drei Quarks aneinander gebunden sind. Diese Quarks werden nämlich durch die starke Kernkraft zusammen gehalten. Die Masse des Protons ergibt sich aus der relativistischen Bewegung der Quarks und der Trägerteilchen der starken Kernkraft, den sogenannten Gluonen. Damit wird diese Masse auch als invariante Masse bezeichnet, da sie in allen Bezugssystemen gleich bleibt. 

Proton Ladung

Jedes der Quarks trägt einen Bruchteil der Elementarladung. Im Falle des Protons wird es aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark gebildet. Die Up-Quarks haben jeweils eine Ladung von + \frac{2}{3} e und das Down-Quark eine Ladung von - \frac{1}{3} e. Zusammen ergibt sich damit also genau eine Elementarladung%Proton mit Ladung und EFeld

Proton Energie

Das Proton hat eine Ruheenergie von 938 Mega-Elektronenvolt. Die Ruheenergie ist die Energie eines Körper oder Systems in seinem Ruhesystem. Das bedeutet das es Auskunft gibt über die Energie des Protons, wenn dessen Impuls Null ist. Diese Energie ist über die Äquivalenz von Masse und Energie eindeutig bestimmt. 

Proton Lebensdauer

Der spontane Zerfall freier Protonen konnte noch nie beobachtet werden. Daher gelten sie nach heutigem Maßstab als stabil. Dennoch gibt es theoretische Modelle die mögliche Lebenszeiten zwischen 10^{31} und 10^{36} Jahren schätzen. Das konnte natürlich noch nicht gezeigt werden. 

Dennoch kann man beobachten wie Protonen sich in Neutronen umwandeln. Das geschieht jedoch nicht spontan. Für diesen Prozess ist das Zuführen von Energie nötig. Man bezeichnet das als Elektroneneinfang.

p^+ + e^- \rightarrow n + \nu_e

Das e^- steht für das Elektron, n für Neutron und \nu_e für das Elektron-Neutrino. Dieser Prozess ist reversibel und wird dann als BetaZerfall bezeichnet. 

Elektronen, Protonen, Neutronen

Für den Aufbau eines Atoms braucht es drei wichtige Teilchen.

Das Elektron hat eine negative Ladung und ist ein Elementarteilchen. Sein Spin ist 1/2 und in seiner Teilchenfamilie, den Leptonen, hat es die geringste Masse. Elektronen binden sich an Atomkerne und bilden deren Elektronenhülle. Die Anzahl der darin enthaltenen Elektronen ist bei neutralen Atomen gleich der Kernladungszahl.

Da das Proton aus drei Quarks zusammengesetzt ist, handelt es sich dabei um kein Elementarteilchen. Es hat eine positive Ladung und bildet zusammen mit dem Neutron den Atomkern. Das Neutron und das Proton bezeichnet man auch als Nukleonen.

Das Neutron ist auch aus drei Quarks zusammengesetzt. Deren Komposition führt dazu, dass das Neutron ungeladen, also elektrisch neutral ist.

Wie auch das Elektron haben Proton und Neutron einen Spin von 1/2 und gehören daher zur Familie der Fermionen.

%Bild aller drei Teilchen

Proton Radius Puzzle

Ursprünglich wurde der Radius des Protons durch  Elektronen Streu- und Spektroskopieexperimente am Wasserstoffatom bestimmt. Die so erhaltenen Werte der beiden Methoden waren in guter Übereinstimmung zueinander und galten lange als Maßstab. 2010 wurden diese Messungen jedoch herausgefordert indem eine international Forschungsgruppe das Elektron des Wasserstoffatoms durch ein Myon ausgetauscht hat. Das Myon hat die gleichen Eigenschaften wie das Elektron, jedoch mit einer 200 Mal größeren Masse. Dadurch reagiert es empfindlicher auf den Ladungsradius des Protons. Messungen an diesem myonischen Wasserstoff ergaben einen kleineren Radius mit deutlich größerer Präzision. 

2016 und 2017 wurden dann ähnliche Messungen an myonischem Deuterium vorgenommen. Deuterium ist auch als schwerer Wasserstoff bekannt und besteht aus zwei Protonen. Diese Messungen haben bestätigt was am einfachen myonischen Wasserstoff festgestellt wurde. Im Jahre 2017 wurde das Proton Radius Puzzle letztlich gelöst. Eine weitere Forschungsgruppe hat erneute Messungen an normalem Wasserstoff vorgenommen. Diesmal jedoch wurde ein anderer energetischer Übergang für die Spektroskopie genutzt und die Ergebnisse aus Experimenten mit myonischem Wasserstoff konnten reproduziert werden. Die neuen Erkenntnisse haben das Tor zu präziseren und umfangreicheren Experimenten geöffnet.

Du siehst also, selbst Teilchen wie das Proton, welche für lange Zeit als gut verstanden galten, werfen heute noch Fragen auf, deren Beantwortung zu neuen Erkenntnissen führen. Im Falle des Protons führten diese neuen Erkenntnisse zur erneuten Berechnung einer fundamentalen Konstanten, der Rydberg Konstane.

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