Proton

Proton ⓘ

Der Quarkgehalt eines Protons. Die Farbzuordnung der einzelnen Quarks ist willkürlich, aber alle drei Farben müssen vorhanden sein. Die Kräfte zwischen den Quarks werden durch Gluonen vermittelt.
Klassifizierung	Baryon
Zusammensetzung	2 up-Quarks (u), 1 down-Quark (d)
Statistik	Fermionisch
Familie	Hadron
Wechselwirkungen	Schwerkraft, elektromagnetisch, schwach, stark
Symbol	p , p+ , N+ , 1 1H+
Antiteilchen	Antiproton
Theoretisch	William Prout (1815)
Entdeckt	Beobachtet als H+ von Eugen Goldstein (1886). In anderen Kernen identifiziert (und benannt) von Ernest Rutherford (1917-1920).
Masse	1,67262192369(51)×10-27 kg 938,27208816(29) MeV/c2 1,007276466621(53) Da
Mittlere Lebensdauer	> 3,6×1029 Jahre (stabil)
Elektrische Ladung	+1 e 1.602176634×10-19 C
Ladungsradius	0,8414(19) fm
Elektrisches Dipolmoment	< 2,1×10-25 e⋅cm
Elektrische Polarisierbarkeit	0,00112(4) fm3
Magnetisches Moment	1,41060679736(60)×10-26 J⋅T-1 1,52103220230(46)×10-3 μB 2,79284734463(82) μN
Magnetische Polarisierbarkeit	1,9(5)×10-4 fm3
Spin	1/2
Isospin	1/2
Parität	+1
kondensiert	I(JP) = 1/2(1/2+)

Ein Proton ist ein stabiles subatomares Teilchen, Symbol
p
H⁺ oder ¹H⁺ mit einer positiven elektrischen Ladung von +1e Elementarladung. Seine Masse ist etwas geringer als die eines Neutrons, und das Verhältnis von Protonen- zu Elektronenmasse macht es 1836-mal so schwer wie ein Elektron. Protonen und Neutronen, die jeweils eine Masse von etwa einer atomaren Masseneinheit haben, werden gemeinsam als "Nukleonen" (Teilchen in Atomkernen) bezeichnet. ⓘ

Im Kern jedes Atoms befinden sich ein oder mehrere Protonen. Sie sorgen für die attraktive elektrostatische Zentralkraft, die die Atomelektronen bindet. Die Anzahl der Protonen im Kern ist die entscheidende Eigenschaft eines Elements und wird als Ordnungszahl bezeichnet (dargestellt durch das Symbol Z). Da jedes Element eine bestimmte Anzahl von Protonen hat, hat auch jedes Element seine eigene Ordnungszahl, die die Anzahl der Atomelektronen und damit die chemischen Eigenschaften des Elements bestimmt. ⓘ

Das Wort Proton kommt aus dem Griechischen und bedeutet "das Erste". Dieser Name wurde dem Wasserstoffkern 1920 von Ernest Rutherford gegeben. In den Jahren zuvor hatte Rutherford entdeckt, dass der Wasserstoffkern (der bekanntlich der leichteste Kern ist) durch Atomkollisionen aus den Kernen des Stickstoffs herausgelöst werden kann. Protonen waren daher ein Kandidat für ein Elementarteilchen und damit ein Baustein des Stickstoffs und aller anderen schwereren Atomkerne. ⓘ

Obwohl Protonen ursprünglich als Elementarteilchen betrachtet wurden, weiß man heute im modernen Standardmodell der Teilchenphysik, dass Protonen zusammengesetzte Teilchen sind, die drei Valenzquarks enthalten, und zusammen mit Neutronen als Hadronen klassifiziert werden. Protonen bestehen aus zwei Up-Quarks mit der Ladung +2/3e und einem Down-Quark mit der Ladung -1/3e. Die Ruhemassen der Quarks machen nur etwa 1 % der Masse eines Protons aus. Der Rest der Protonenmasse ist auf die quantenchromodynamische Bindungsenergie zurückzuführen, die die kinetische Energie der Quarks und die Energie der Gluonenfelder, die die Quarks zusammenbinden, umfasst. Da Protonen keine Elementarteilchen sind, besitzen sie eine messbare Größe; der mittlere quadratische Ladungsradius eines Protons beträgt etwa 0,84-0,87 fm (oder 0,84×10-15 bis 0,87×10-15 m). Im Jahr 2019 wurde der Radius des Protons in zwei verschiedenen Studien mit unterschiedlichen Techniken auf 0,833 fm festgelegt, mit einer Unsicherheit von ±0,010 fm. ⓘ

Freie Protonen kommen auf der Erde gelegentlich vor: Gewitter können Protonen mit Energien von bis zu einigen zehn MeV erzeugen. Bei ausreichend niedrigen Temperaturen und kinetischen Energien binden sich freie Protonen an Elektronen. Der Charakter dieser gebundenen Protonen ändert sich jedoch nicht, und sie bleiben Protonen. Ein schnelles Proton, das sich durch die Materie bewegt, wird durch Wechselwirkungen mit Elektronen und Kernen verlangsamt, bis es von der Elektronenwolke eines Atoms eingefangen wird. Das Ergebnis ist ein protoniertes Atom, das eine chemische Verbindung aus Wasserstoff ist. Im Vakuum, wenn freie Elektronen vorhanden sind, kann ein ausreichend langsames Proton ein einzelnes freies Elektron aufnehmen und zu einem neutralen Wasserstoffatom werden, das chemisch gesehen ein freies Radikal ist. Solche "freien Wasserstoffatome" neigen dazu, bei ausreichend niedrigen Energien mit vielen anderen Atomarten chemisch zu reagieren. Wenn freie Wasserstoffatome miteinander reagieren, bilden sie neutrale Wasserstoffmoleküle (H₂), die der häufigste molekulare Bestandteil von Molekülwolken im interstellaren Raum sind. ⓘ

Freie Protonen werden routinemäßig in Beschleunigern für die Protonentherapie oder in verschiedenen Experimenten der Teilchenphysik eingesetzt, wobei der Large Hadron Collider das leistungsstärkste Beispiel ist. ⓘ

Das Proton [ˈproːtɔn] (Plural Protonen [proˈtoːnən]; von altgriechisch τὸ πρῶτον to prōton „das erste“) ist ein stabiles, elektrisch positiv geladenes Hadron. Sein Formelzeichen ist $\mathbf {p}$. Das Proton gehört neben dem Neutron und dem Elektron zu den Bausteinen der Atome, aus denen alle alltägliche Materie zusammengesetzt ist. ⓘ

Beschreibung

Ungelöstes Problem in der Physik:

Wie tragen die Quarks und Gluonen den Spin der Protonen?

(weitere ungelöste Probleme in der Physik)

Protonen sind Spin-1/2-Fermionen und bestehen aus drei Valenzquarks, die sie zu Baryonen (einem Untertyp der Hadronen) machen. Die zwei up-Quarks und ein down-Quark eines Protons werden durch die starke Kraft zusammengehalten, die durch Gluonen vermittelt wird. Aus heutiger Sicht besteht ein Proton aus den Valenzquarks (up, up, down), den Gluonen und den transitorischen Paaren von Seequarks. Protonen haben eine positive Ladungsverteilung, die ungefähr exponentiell abnimmt, mit einem mittleren quadratischen Radius von etwa 0,8 fm. ⓘ

Protonen und Neutronen sind beides Nukleonen, die durch die Kernkraft zu Atomkernen zusammengebunden werden können. Der Kern des häufigsten Isotops des Wasserstoffatoms (mit dem chemischen Symbol "H") ist ein einzelnes Proton. Die Kerne der schweren Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium enthalten ein Proton, das an ein bzw. zwei Neutronen gebunden ist. Alle anderen Arten von Atomkernen bestehen aus zwei oder mehr Protonen und einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen. ⓘ

Geschichte

Das Konzept eines wasserstoffähnlichen Teilchens als Bestandteil anderer Atome wurde über einen langen Zeitraum hinweg entwickelt. Bereits 1815 schlug William Prout vor, dass alle Atome aus Wasserstoffatomen bestehen (die er als "Protyle" bezeichnete), und stützte sich dabei auf eine vereinfachende Interpretation früher Werte des Atomgewichts (siehe Prouts Hypothese), die widerlegt wurde, als genauere Werte gemessen wurden. ⓘ

Ernest Rutherford auf der ersten Solvay-Konferenz, 1911 ⓘ

Nachweis von Protonen in einer Isopropanol-Nebelkammer ⓘ

1886 entdeckte Eugen Goldstein die Kanalstrahlen (auch Anodenstrahlen genannt) und zeigte, dass es sich dabei um positiv geladene Teilchen (Ionen) handelt, die von Gasen erzeugt werden. Da die Teilchen aus verschiedenen Gasen jedoch unterschiedliche Werte des Verhältnisses von Ladung zu Masse (e/m) aufwiesen, konnten sie im Gegensatz zu den von J. J. Thomson entdeckten negativen Elektronen nicht mit einem einzigen Teilchen identifiziert werden. Wilhelm Wien identifizierte 1898 das Wasserstoffion als das Teilchen mit dem höchsten Ladungs-Masse-Verhältnis in ionisierten Gasen. ⓘ

Nach der Entdeckung des Atomkerns durch Ernest Rutherford im Jahr 1911 schlug Antonius van den Broek vor, dass der Platz eines jeden Elements im Periodensystem (seine Ordnungszahl) seiner Kernladung entspricht. Dies wurde 1913 von Henry Moseley mit Hilfe von Röntgenspektren experimentell bestätigt. ⓘ

1917 (in Experimenten, über die 1919 und 1925 berichtet wurde) wies Rutherford nach, dass der Wasserstoffkern in anderen Kernen vorhanden ist, ein Ergebnis, das üblicherweise als Entdeckung der Protonen bezeichnet wird. Diese Experimente begannen, nachdem Rutherford bemerkt hatte, dass seine Szintillationsdetektoren beim Beschuss von Luft (meist Stickstoff) mit Alphateilchen die typischen Wasserstoffkerne als Produkt anzeigten. Nach weiteren Experimenten führte Rutherford die Reaktion auf den Stickstoff in der Luft zurück und stellte fest, dass die Wirkung größer war, wenn Alphateilchen in reines Stickstoffgas eingeleitet wurden. 1919 nahm Rutherford an, dass das Alphateilchen lediglich ein Proton aus dem Stickstoff herausschlug und es in Kohlenstoff umwandelte. Nach der Beobachtung von Blacketts Nebelkammerbildern im Jahr 1925 erkannte Rutherford, dass das Alphateilchen absorbiert wurde. Nach dem Einfangen des Alphateilchens wird ein Wasserstoffkern ausgestoßen, so dass schwerer Sauerstoff und nicht Kohlenstoff entsteht, d. h. Z wird nicht verringert, sondern vergrößert (siehe den ersten Reaktionsvorschlag unten). Dies war die erste beschriebene Kernreaktion, ¹⁴N + α → ¹⁷O + p. Rutherford dachte zunächst an unser modernes "p" in dieser Gleichung als ein Wasserstoffion, H+. ⓘ

Je nach Sichtweise kann entweder 1919 (als es experimentell als aus einer anderen Quelle als Wasserstoff stammend erkannt wurde) oder 1920 (als es als Elementarteilchen erkannt und vorgeschlagen wurde) als der Moment betrachtet werden, in dem das Proton "entdeckt" wurde. ⓘ

Rutherford wusste, dass Wasserstoff das einfachste und leichteste Element ist und wurde von Prouts Hypothese beeinflusst, dass Wasserstoff der Baustein aller Elemente ist. Die Entdeckung, dass der Wasserstoffkern in anderen Kernen als Elementarteilchen vorkommt, veranlasste Rutherford, dem Wasserstoffkern H+ als Teilchen einen besonderen Namen zu geben, da er vermutete, dass Wasserstoff, das leichteste Element, nur eines dieser Teilchen enthielt. Er nannte diesen neuen Grundbaustein des Kerns Proton, nach dem Neutrum Singular des griechischen Wortes für "erstes", πρῶτον. Rutherford hatte jedoch auch das von Prout verwendete Wort protyle im Sinn. Rutherford sprach auf der Tagung der British Association for the Advancement of Science in Cardiff am 24. August 1920. Rutherford schlug zunächst (fälschlicherweise, siehe oben) vor, dass diese Stickstoffreaktion ¹⁴N + α → ¹⁴C + α + H+ sei. Auf der Tagung wurde er von Oliver Lodge nach einem neuen Namen für den positiven Wasserstoffkern gefragt, um Verwechslungen mit dem neutralen Wasserstoffatom zu vermeiden. Er schlug zunächst sowohl Proton als auch Prouton (nach Prout) vor. Später berichtete Rutherford, dass die Versammlung seinen Vorschlag akzeptiert hatte, den Wasserstoffkern "Proton" zu nennen, in Anlehnung an Prouts Wort "Protyle". Die erste Verwendung des Wortes "Proton" in der wissenschaftlichen Literatur erfolgte im Jahr 1920. ⓘ

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. ⓘ

Dass Protonen den Spin ¹⁄₂ 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 ³⁄₄ der Moleküle die Parallelstellung hatten (Orthowasserstoff) und ¹⁄₄ die Antiparallelstellung (Parawasserstoff). Dies Mengenverhältnis passt nur zum Protonenspin ¹⁄₂. ⓘ

Stabilität

Ungelöstes Problem in der Physik:

Sind Protonen grundsätzlich stabil? Oder zerfallen sie mit einer endlichen Lebensdauer, wie in einigen Erweiterungen des Standardmodells vorhergesagt?

(weitere ungelöste Probleme in der Physik)

Das freie Proton (ein nicht an Nukleonen oder Elektronen gebundenes Proton) ist ein stabiles Teilchen, bei dem nicht beobachtet wurde, dass es spontan in andere Teilchen zerfällt. Freie Protonen kommen in der Natur in einer Reihe von Situationen vor, in denen Energien oder Temperaturen hoch genug sind, um sie von Elektronen zu trennen, zu denen sie eine gewisse Affinität haben. Freie Protonen gibt es in Plasmen, in denen die Temperaturen zu hoch sind, als dass sie sich mit Elektronen verbinden könnten. Freie Protonen mit hoher Energie und Geschwindigkeit machen 90 % der kosmischen Strahlung aus, die sich im Vakuum über interstellare Entfernungen ausbreitet. Bei einigen seltenen Arten des radioaktiven Zerfalls werden freie Protonen direkt aus Atomkernen freigesetzt. Protonen entstehen auch (zusammen mit Elektronen und Antineutrinos) beim radioaktiven Zerfall von freien Neutronen, die instabil sind. ⓘ

Der spontane Zerfall von freien Protonen wurde noch nie beobachtet, weshalb Protonen nach dem Standardmodell als stabile Teilchen gelten. Einige große vereinheitlichte Theorien (GUTs) der Teilchenphysik sagen jedoch voraus, dass der Protonenzerfall mit Lebensdauern zwischen 10³¹ und 10³⁶ Jahren stattfinden sollte, und experimentelle Untersuchungen haben untere Grenzen für die mittlere Lebensdauer eines Protons für verschiedene angenommene Zerfallsprodukte festgelegt. ⓘ

Experimente am Super-Kamiokande-Detektor in Japan ergaben untere Grenzwerte für die mittlere Lebensdauer von Protonen von 6,6×10³³ Jahren für den Zerfall in ein Antimuon und ein neutrales Pion und von 8,2×10³³ Jahren für den Zerfall in ein Positron und ein neutrales Pion. Ein anderes Experiment am Sudbury Neutrino Observatory in Kanada suchte nach Gammastrahlen, die von Restkernen stammen, die beim Zerfall eines Protons aus Sauerstoff-16 entstehen. Dieses Experiment war so konzipiert, dass es den Zerfall in jedes beliebige Produkt nachweisen konnte, und es wurde eine untere Grenze für die Lebensdauer eines Protons von 2,1×10²⁹ Jahren festgelegt. ⓘ

Es ist jedoch bekannt, dass sich Protonen durch den Prozess des Elektroneneinfangs (auch inverser Betazerfall genannt) in Neutronen verwandeln können. Bei freien Protonen findet dieser Prozess nicht spontan statt, sondern nur, wenn Energie zugeführt wird. Die Gleichung lautet:

p⁺
+
e-
→
n
+
ν
e ⓘ

Der Prozess ist reversibel; Neutronen können sich durch Betazerfall, eine gängige Form des radioaktiven Zerfalls, wieder in Protonen umwandeln. Tatsächlich zerfällt ein freies Neutron auf diese Weise mit einer mittleren Lebensdauer von etwa 15 Minuten. Ein Proton kann sich auch durch Beta-Plus-Zerfall (β+-Zerfall) in ein Neutron verwandeln. ⓘ

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. Nach Experimenten am Kamiokande könnte eine eventuelle Halbwertzeit nicht unter 10³² 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. ⓘ

Das magnetische Moment lässt sich nach dem vereinfachten Quarkmodell auf der Ebene der Konstituentenquarks zu ${\vec {\mu _{\rm {p}}}}={\tfrac {4}{3}}{\vec {\mu _{\rm {u}}}}-{\tfrac {1}{3}}{\vec {\mu _{\rm {d}}}}=+2{,}79\,{\vec {\mu _{\mathrm {N} }}}$ berechnen. Dabei ist $\mu _{\mathrm {N} }$ das Kernmagneton; $\mu _{\rm {u}},\mu _{\rm {d}}$ sind die Momente zu den Massen des jeweiligen Konstituentenquark mit dem g-Faktor 2. Das Ergebnis stimmt mit gemessenen Werten annähernd überein. ⓘ

Protonen können aus dem Betazerfall von Neutronen entstehen:

$\mathrm {n} \rightarrow \mathrm {p} +\mathrm {e} ^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+0{,}78\,\mathrm {MeV}$ ⓘ

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, aber elektrisch negative Ladung. ⓘ

Quarks und die Masse eines Protons

In der Quantenchromodynamik, der modernen Theorie der Kernkraft, wird der größte Teil der Masse von Protonen und Neutronen durch die spezielle Relativitätstheorie erklärt. Die Masse eines Protons ist etwa 80-100 Mal größer als die Summe der Ruhemassen seiner drei Valenzquarks, während die Gluonen keine Ruhemasse haben. Die zusätzliche Energie der Quarks und Gluonen in einem Proton, verglichen mit der Ruheenergie der Quarks allein im QCD-Vakuum, macht fast 99 % der Masse des Protons aus. Die Ruhemasse eines Protons ist also die invariante Masse des Systems der sich bewegenden Quarks und Gluonen, aus denen das Teilchen besteht, und in solchen Systemen wird selbst die Energie masseloser Teilchen noch als Teil der Ruhemasse des Systems gemessen. ⓘ

Für die Masse der Quarks, aus denen Protonen bestehen, werden zwei Begriffe verwendet: Die aktuelle Quarkmasse bezieht sich auf die Masse eines Quarks an sich, während die Masse des konstituierenden Quarks die aktuelle Quarkmasse plus die Masse des Gluon-Teilchenfeldes, das das Quark umgibt, bezeichnet. Diese Massen haben in der Regel sehr unterschiedliche Werte. Die kinetische Energie der Quarks, die eine Folge des Einschlusses ist, trägt ebenfalls dazu bei (siehe Masse in der speziellen Relativitätstheorie). Bei Gitter-QCD-Rechnungen sind die Beiträge zur Masse des Protons das Quarkkondensat (∼9%, bestehend aus den up- und down-Quarks und einem Meer virtueller strange-Quarks), die kinetische Energie der Quarks (∼32%), die kinetische Energie der Gluonen (∼37%) und der anomale gluonische Beitrag (∼23%, bestehend aus den Beiträgen der Kondensate aller Quark-Flavors). ⓘ

Die konstituierende Quarkmodell-Wellenfunktion für das Proton lautet

$|p_{\uparrow }\rangle ={\frac {1}{\sqrt {18}}}[2|u_{\uparrow }d_{\downarrow }u_{\uparrow }\rangle +2|u_{\uparrow }u_{\uparrow }d_{\downarrow }\rangle +2|d_{\downarrow }u_{\uparrow }u_{\uparrow }\rangle -|u_{\uparrow }u_{\downarrow }d_{\uparrow }\rangle -|u_{\uparrow }d_{\uparrow }u_{\downarrow }\rangle -|u_{\downarrow }d_{\uparrow }u_{\uparrow }\rangle -|d_{\uparrow }u_{\downarrow }u_{\uparrow }\rangle -|d_{\uparrow }u_{\uparrow }u_{\downarrow }\rangle -|u_{\downarrow }u_{\uparrow }d_{\uparrow }\rangle ].$ ⓘ

Die innere Dynamik von Protonen ist kompliziert, da sie durch den Austausch von Gluonen durch die Quarks und die Wechselwirkung mit verschiedenen Vakuumkondensaten bestimmt wird. Mit der Gitter-QCD lässt sich die Masse eines Protons im Prinzip direkt aus der Theorie mit beliebiger Genauigkeit berechnen. Die neuesten Berechnungen behaupten, dass die Masse mit einer Genauigkeit von mehr als 4 %, ja sogar mit 1 % bestimmt werden kann (siehe Abbildung S5 in Dürr et al.). Diese Behauptungen sind noch umstritten, weil die Berechnungen noch nicht mit so leichten Quarks wie in der realen Welt durchgeführt werden können. Dies bedeutet, dass die Vorhersagen durch einen Extrapolationsprozess ermittelt werden, der systematische Fehler enthalten kann. Es ist schwer zu sagen, ob diese Fehler richtig kontrolliert werden, denn die Größen, die mit dem Experiment verglichen werden, sind die Massen der Hadronen, die im Voraus bekannt sind. ⓘ

Diese neueren Berechnungen werden von riesigen Supercomputern durchgeführt, und, wie Boffi und Pasquini anmerken: "Eine detaillierte Beschreibung der Nukleonenstruktur steht noch aus, weil ... das Verhalten über große Entfernungen eine nicht-perturbative und/oder numerische Behandlung erfordert ..." Weitere konzeptionelle Ansätze zur Struktur von Protonen sind: der ursprünglich auf Tony Skyrme zurückgehende topologische Soliton-Ansatz und der genauere AdS/QCD-Ansatz, der ihn um eine Stringtheorie der Gluonen erweitert, verschiedene von der QCD inspirierte Modelle wie das Bag-Modell und das Modell der konstituierenden Quarks, die in den 1980er Jahren populär waren, sowie die SVZ-Summenregeln, die eine grobe ungefähre Berechnung der Masse ermöglichen. Diese Methoden haben nicht die gleiche Genauigkeit wie die brachialeren Gitter-QCD-Methoden, zumindest noch nicht. ⓘ

Ladungsradius

Das Problem, einen Radius für einen Atomkern (Proton) zu definieren, ähnelt dem Problem des Atomradius, da weder Atome noch ihre Kerne eindeutige Grenzen haben. Für die Interpretation von Experimenten zur Elektronenstreuung kann der Kern jedoch als eine Kugel mit positiver Ladung modelliert werden: Da der Kern keine eindeutige Grenze hat, "sehen" die Elektronen eine Reihe von Querschnitten, für die ein Mittelwert gebildet werden kann. Der Zusatz "rms" (für "root mean square") ergibt sich daraus, dass für die Elektronenstreuung der zum Quadrat des Radius proportionale Kernquerschnitt maßgeblich ist. ⓘ

Der international anerkannte Wert für den Ladungsradius eines Protons beträgt 0,8768 fm (siehe Größenordnungen zum Vergleich mit anderen Größen). Dieser Wert basiert auf Messungen mit einem Proton und einem Elektron (insbesondere Messungen der Elektronenstreuung und komplexe Berechnungen des Streuquerschnitts auf der Grundlage der Rosenbluth-Gleichung für den Impulsübertragungsquerschnitt) sowie auf Untersuchungen der atomaren Energieniveaus von Wasserstoff und Deuterium. ⓘ

Im Jahr 2010 veröffentlichte ein internationales Forscherteam jedoch eine Messung des Protonenladungsradius über die Lamb-Verschiebung in muonischem Wasserstoff (ein exotisches Atom, das aus einem Proton und einem negativ geladenen Myon besteht). Da ein Myon 200 Mal schwerer ist als ein Elektron, ist seine de Broglie-Wellenlänge entsprechend kürzer. Dieses kleinere Atomorbital reagiert viel empfindlicher auf den Ladungsradius des Protons und ermöglicht somit eine genauere Messung. Der von ihnen gemessene mittlere quadratische Ladungsradius eines Protons beträgt 0,84184(67) fm und weicht damit um 5,0 Standardabweichungen vom CODATA-Wert von 0,8768(69) fm ab". Im Januar 2013 wurde ein aktualisierter Wert für den Ladungsradius eines Protons - 0,84087(39) fm - veröffentlicht. Die Genauigkeit wurde um das 1,7-fache verbessert, wodurch sich die Bedeutung der Diskrepanz auf 7σ erhöhte. Durch die CODATA-Anpassung von 2014 wurde der empfohlene Wert für den Protonenradius (der nur auf der Grundlage von Elektronenmessungen berechnet wurde) leicht auf 0,8751(61) fm gesenkt, aber die Diskrepanz bleibt bei 5,6σ. ⓘ

Wenn keine Fehler in den Messungen oder Berechnungen gefunden worden wären, hätte man die präziseste und am besten geprüfte Grundlagentheorie der Welt erneut überprüfen müssen: die Quantenelektrodynamik. Der Protonenradius war seit 2017 ein Rätsel. ⓘ

Eine Lösung wurde 2019 gefunden, als zwei verschiedene Studien mit unterschiedlichen Techniken, die die Lamb-Verschiebung des Elektrons in Wasserstoff und die Elektron-Proton-Streuung einbeziehen, den Radius des Protons auf 0,833 fm mit einer Unsicherheit von ±0,010 fm und 0,831 fm festlegten. ⓘ

Der Radius des Protons ist mit dem Formfaktor und dem Impulsübertragungsquerschnitt verknüpft. Der atomare Formfaktor G modifiziert den Wirkungsquerschnitt, der einem punktförmigen Proton entspricht. ⓘ

${\begin{aligned}R_{\text{e}}^{2}&=-6{{\frac {dG_{\text{e}}}{dq^{2}}}\,{\Bigg \vert }\,}_{q^{2}=0}\\{\frac {d\sigma }{d\Omega }}\ &={{\frac {d\sigma }{d\Omega }}\,{\Bigg \vert }\,}_{\text{point}}G^{2}(q^{2})\end{aligned}}$ ⓘ

Der atomare Formfaktor ist mit der Wellenfunktionsdichte des Targets verknüpft:

$G(q^{2})=\int e^{iqr}\psi (r)^{2}\,dr^{3}$ ⓘ

Der Formfaktor kann in einen elektrischen und einen magnetischen Formfaktor aufgeteilt werden. Diese lassen sich als Linearkombinationen von Dirac- und Pauli-Formfaktoren schreiben.

${\begin{aligned}G_{\text{m}}&=F_{\text{D}}+F_{\text{P}}\\G_{\text{e}}&=F_{\text{D}}-\tau F_{\text{P}}\\{\frac {d\sigma }{d\Omega }}&={{\frac {d\sigma }{d\Omega }}\,{\Bigg \vert }\,}_{NS}{\frac {1}{1+\tau }}\left(G_{\text{e}}^{2}\left(q^{2}\right)+{\frac {\tau }{\epsilon }}G_{\text{m}}^{2}\left(q^{2}\right)\right)\end{aligned}}$ ⓘ

Die Eigenschaften des Protons erforscht man u. a. in Anlagen wie dem Super Proton Synchrotron (SPS) und dem Large Hadron Collider (LHC) des CERNs, dem Tevatron im Fermilab oder HERA. Die Forschung mit Proton-Antiproton-Kollisionen dient unter anderem der Suche nach einer Physik jenseits des Standardmodells. ⓘ

In terrestrischen Gammablitzen könnten neben anderen Masseteilchen auch Protonen mit Energien bis zu 30 MeV auftreten. Jedoch ist die Zeitskala, auf der terrestrische Protonenstrahlen gemessen werden können, deutlich länger als für terrestrische Gammablitze. ⓘ

Druck im Inneren des Protons

Da das Proton aus Quarks besteht, die von Gluonen eingeschlossen sind, kann ein äquivalenter Druck definiert werden, der auf die Quarks wirkt. Dies ermöglicht die Berechnung ihrer Verteilung als Funktion der Entfernung vom Zentrum mit Hilfe der Compton-Streuung hochenergetischer Elektronen (DVCS, für Deep Virtual Compton Scattering). Der Druck ist im Zentrum am höchsten, etwa 10³⁵ Pa, was größer ist als der Druck im Inneren eines Neutronensterns. Er ist bis zu einem radialen Abstand von etwa 0,6 fm positiv (abstoßend), bei größeren Abständen negativ (anziehend) und jenseits von etwa 2 fm sehr schwach. ⓘ

Ladungsradius im solvatisierten Proton, Hydronium

Der Radius des hydratisierten Protons erscheint in der Born-Gleichung zur Berechnung der Hydratationsenthalpie von Hydronium. ⓘ

Wechselwirkung von freien Protonen mit gewöhnlicher Materie

Obwohl Protonen eine Affinität zu entgegengesetzt geladenen Elektronen haben, handelt es sich dabei um eine Wechselwirkung mit relativ geringer Energie, so dass freie Protonen genügend Geschwindigkeit (und kinetische Energie) verlieren müssen, um sich eng mit Elektronen zu verbinden und an diese zu binden. Hochenergetische Protonen verlieren beim Durchqueren gewöhnlicher Materie durch Zusammenstöße mit Atomkernen und durch Ionisierung von Atomen (Entfernen von Elektronen) so viel Energie, dass sie ausreichend verlangsamt werden, um von der Elektronenwolke in einem normalen Atom eingefangen zu werden. ⓘ

Bei einer solchen Verbindung mit einem Elektron ändert sich der Charakter des gebundenen Protons jedoch nicht, und es bleibt ein Proton. Die Anziehung freier Protonen mit niedriger Energie zu den in normaler Materie vorhandenen Elektronen (wie den Elektronen in normalen Atomen) führt dazu, dass freie Protonen anhalten und eine neue chemische Bindung mit einem Atom eingehen. Eine solche Bindung erfolgt bei jeder ausreichend "kalten" Temperatur (d. h. vergleichbar mit den Temperaturen auf der Sonnenoberfläche) und mit jeder Art von Atom. Bei der Wechselwirkung mit normaler (nicht plasmaähnlicher) Materie bleiben freie Protonen mit geringer Geschwindigkeit also nicht frei, sondern werden von Elektronen in jedem Atom oder Molekül angezogen, mit dem sie in Kontakt kommen, wodurch sich Proton und Molekül verbinden. Solche Moleküle werden dann als "protoniert" bezeichnet und sind chemisch gesehen einfach nur Verbindungen von Wasserstoff, die oft positiv geladen sind. Oft werden sie dadurch zu so genannten Brønsted-Säuren. So wird beispielsweise ein Proton, das von einem Wassermolekül in Wasser eingefangen wird, zu Hydronium, dem wässrigen Kation H₃O⁺. ⓘ

Proton in der Chemie

Ordnungszahl

In der Chemie wird die Anzahl der Protonen im Kern eines Atoms als Ordnungszahl bezeichnet, die das chemische Element bestimmt, zu dem das Atom gehört. Die Ordnungszahl von Chlor ist zum Beispiel 17; das bedeutet, dass jedes Chloratom 17 Protonen hat und dass alle Atome mit 17 Protonen Chloratome sind. Die chemischen Eigenschaften eines jeden Atoms werden durch die Anzahl der (negativ geladenen) Elektronen bestimmt, die bei neutralen Atomen gleich der Anzahl der (positiven) Protonen ist, so dass die Gesamtladung Null beträgt. Ein neutrales Chloratom hat zum Beispiel 17 Protonen und 17 Elektronen, während ein Cl--Anion 17 Protonen und 18 Elektronen hat, was eine Gesamtladung von -1 ergibt. ⓘ

Alle Atome eines Elements sind jedoch nicht unbedingt identisch. Die Anzahl der Neutronen kann variieren, um verschiedene Isotope zu bilden, und die Energieniveaus können sich unterscheiden, was zu verschiedenen Kernisomeren führt. So gibt es zum Beispiel zwei stabile Isotope von Chlor: ³⁵
₁₇Cl
mit 35 - 17 = 18 Neutronen und ³⁷
₁₇Cl
mit 37 - 17 = 20 Neutronen. ⓘ

Wasserstoff-Ion

Protium, das häufigste Isotop des Wasserstoffs, besteht aus einem Proton und einem Elektron (es hat keine Neutronen). Die Bezeichnung "Wasserstoff-Ion" (H⁺
) bedeutet, dass das H-Atom sein eines Elektron verloren hat und nur noch ein Proton übrig ist. In der Chemie werden die Begriffe "Proton" und "Wasserstoffion" (für das Isotop Protium) daher synonym verwendet. ⓘ

Das Proton ist eine einzigartige chemische Spezies, da es ein reiner Atomkern ist. Infolgedessen hat es im kondensierten Zustand keine unabhängige Existenz und ist immer durch ein Elektronenpaar an ein anderes Atom gebunden.

Ross Stewart, Das Proton: Anwendung auf die organische Chemie (1985, S. 1)

In der Chemie bezieht sich der Begriff Proton auf das Wasserstoffion, H⁺
. Da die Ordnungszahl von Wasserstoff 1 ist, hat ein Wasserstoffion keine Elektronen und entspricht einem nackten Kern, der aus einem Proton (und 0 Neutronen für das häufigste Isotop Protium ¹
₁H
). Das Proton ist eine "nackte Ladung" mit nur etwa 1/64.000 des Radius eines Wasserstoffatoms und ist daher chemisch äußerst reaktionsfähig. Das freie Proton hat daher eine extrem kurze Lebensdauer in chemischen Systemen wie Flüssigkeiten und reagiert sofort mit der Elektronenwolke eines jeden verfügbaren Moleküls. In wässriger Lösung bildet es das Hydronium-Ion H₃O⁺, das wiederum durch Wassermoleküle in Clustern wie [H₅O₂]⁺ und [H₉O₄]⁺ weiter solvatisiert wird. ⓘ

Die Übertragung von H⁺
in einer Säure-Base-Reaktion wird gewöhnlich als "Protonentransfer" bezeichnet. Die Säure wird als Protonendonator und die Base als Protonenakzeptor bezeichnet. Ebenso beziehen sich biochemische Begriffe wie Protonenpumpe und Protonenkanal auf die Bewegung von hydratisierten H⁺
Ionen. ⓘ

Das Ion, das durch das Entfernen eines Elektrons aus einem Deuteriumatom entsteht, wird als Deuteron bezeichnet, nicht als Proton. Ebenso entsteht beim Entfernen eines Elektrons aus einem Tritiumatom ein Triton. ⓘ

Protonen-Kernspinresonanz (NMR)

Ebenfalls in der Chemie bezeichnet der Begriff "Protonen-NMR" die Beobachtung von Wasserstoff-1-Kernen in (meist organischen) Molekülen durch kernmagnetische Resonanz. Diese Methode nutzt das quantisierte magnetische Moment, das auf den Drehimpuls (oder Spin) des Protons zurückzuführen ist und der Hälfte der reduzierten Planck-Konstante entspricht. ($\hbar /2$). Der Name bezieht sich auf die Untersuchung von Protonen, wie sie in Protium (Wasserstoff-1-Atome) in Verbindungen vorkommen, und bedeutet nicht, dass freie Protonen in der untersuchten Verbindung existieren. ⓘ

Exposition des Menschen

Die Apollo Lunar Surface Experiments Packages (ALSEP) ermittelten, dass mehr als 95 % der Teilchen im Sonnenwind zu etwa gleichen Teilen aus Elektronen und Protonen bestehen. ⓘ

Da das Sonnenwindspektrometer kontinuierliche Messungen durchführte, war es möglich zu messen, wie das Magnetfeld der Erde die ankommenden Sonnenwindteilchen beeinflusst. Während etwa zwei Dritteln jeder Umlaufbahn befindet sich der Mond außerhalb des Erdmagnetfeldes. In dieser Zeit betrug die typische Protonendichte 10 bis 20 pro Kubikzentimeter, wobei die meisten Protonen Geschwindigkeiten zwischen 400 und 650 Kilometern pro Sekunde aufwiesen. Etwa fünf Tage im Monat befindet sich der Mond innerhalb des geomagnetischen Schweifs der Erde, so dass in der Regel keine Sonnenwindteilchen nachgewiesen werden konnten. Während der restlichen Zeit jeder Mondumlaufbahn befindet sich der Mond in einer Übergangsregion, der so genannten Magnetoscheide, in der das Magnetfeld der Erde den Sonnenwind zwar beeinflusst, aber nicht vollständig ausschließt. In dieser Region ist der Teilchenfluss mit typischen Protonengeschwindigkeiten von 250 bis 450 Kilometern pro Sekunde reduziert. Während der Mondnacht wurde das Spektrometer durch den Mond vom Sonnenwind abgeschirmt und es wurden keine Sonnenwindteilchen gemessen. ⓘ

Protonen haben auch einen extrasolaren Ursprung aus der galaktischen kosmischen Strahlung, wo sie etwa 90 % des gesamten Teilchenflusses ausmachen. Diese Protonen haben oft eine höhere Energie als die Protonen des Sonnenwinds, und ihre Intensität ist weitaus gleichmäßiger und weniger variabel als die der Protonen von der Sonne, deren Produktion durch solare Protonenereignisse wie koronale Massenauswürfe stark beeinflusst wird. ⓘ

Die Auswirkungen der Protonendosis, wie sie in der Raumfahrt üblich ist, auf die menschliche Gesundheit wurden erforscht. Genauer gesagt hofft man, herauszufinden, welche Chromosomen bei der Krebsentstehung durch Protoneneinwirkung geschädigt werden, und die Schäden zu definieren. Eine andere Studie untersucht "die Auswirkungen der Protonenbestrahlung auf neurochemische und verhaltensbezogene Endpunkte, einschließlich der dopaminergen Funktion, des amphetamininduzierten konditionierten Geschmacksaversionslernens und des räumlichen Lernens und Gedächtnisses, gemessen mit dem Morris-Wasserlabyrinth. Die elektrische Aufladung eines Raumfahrzeugs durch interplanetaren Protonenbeschuss wurde ebenfalls zur Untersuchung vorgeschlagen. Es gibt noch viele weitere Studien, die sich auf die Raumfahrt beziehen, einschließlich der galaktischen kosmischen Strahlung und ihrer möglichen gesundheitlichen Auswirkungen sowie der Exposition durch solare Protonenereignisse. ⓘ

Die amerikanischen Biostack- und sowjetischen Biorack-Raumfahrtexperimente haben die Schwere der molekularen Schäden gezeigt, die schwere Ionen an Mikroorganismen, einschließlich Artemia-Zysten, verursachen. ⓘ

Antiproton

Die CPT-Symmetrie schränkt die relativen Eigenschaften von Teilchen und Antiteilchen stark ein und ist daher für strenge Tests geeignet. So müssen beispielsweise die Ladungen eines Protons und eines Antiprotons in der Summe genau Null ergeben. Diese Gleichheit wurde auf einen Teil von 10⁸ geprüft. Auch die Gleichheit ihrer Massen wurde mit einer Genauigkeit von mehr als einem Teil von 10⁸ getestet. Durch das Festhalten von Antiprotonen in einer Penning-Falle wurde die Gleichheit des Verhältnisses von Ladung zu Masse von Protonen und Antiprotonen auf einen Teil in 6×10⁹ getestet. Das magnetische Moment von Antiprotonen wurde mit einer Abweichung von 8×10-3 Kernbohrmagnetonen gemessen und als gleich und entgegengesetzt zu dem eines Protons befunden. ⓘ

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 elastischen oder quasielastischen Streuungen von Elektronen an Protonen lässt sich der Formfaktor des Protons bestimmen. Durch Streuung eines polarisierten 1,16-GeV-Elektronenstrahls an Protonen ist deren schwache Ladung genau gemessen worden. Dabei wurde ausgenutzt, dass nur bei der schwachen Wechselwirkung die Nichterhaltung der Parität gilt. ⓘ

Weitere Reaktionen des Protons in der Astrophysik

Proton-Proton-Reaktionen sind eine von zwei Fusionsreaktionen beim Wasserstoffbrennen. ⓘ

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

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 MeV aus Zyklotronen dienen z. B. auch zur Herstellung protonenreicher Radionuklide für medizinische Zwecke oder zur oberflächlichen Aktivierung von Maschinenteilen zwecks späterer Verschleißmessungen. ⓘ