Das Proton ist ein stabiles, elektrisch positiv geladenes subatomares Teilchen und bildet zusammen mit dem Neutron die Familie der Nukleonen. Es zählt zu den Baryonen und damit zu den Hadronen. Jedes Atom enthält im Kern mindestens ein Proton; beim häufigsten, Wasserstoff besteht der Kern aus genau einem Proton, bei den Wasserstoffisotopen kommen zusätzliche Neutronen hinzu.
Stellung und Bedeutung
Die Zahl der Protonen im Kern legt als Ordnungszahl die Elektronenzahl fest und bestimmt die chemischen Eigenschaften eines Elements. Atome mit gleicher Protonenzahl, aber verschiedener Neutronenzahl heißen Isotope und zeigen fast identisches chemisches Verhalten.
Innerer Aufbau und Größe
Ein Proton setzt sich aus zwei Up Quarks und einem Down Quark zusammen. Diese Valenzquarks tragen nur wenig zur Masse bei. Der Großteil der Masse entsteht durch Gluonen und kurzlebige Quark Antiquark Paare. Der Durchmesser eines freien Protons liegt bei ungefähr 1,7 x10-15 Meter. Die Ladungsdichte ist im Zentrum am größten und nimmt nach außen ungefähr exponentiell ab.
Protonenradius
Präzisionsmessungen an myonischem Wasserstoff ergaben zunächst einen kleineren Ladungsradius als aus Elektronenstreuung bekannt war. Spätere Experimente führten zu übereinstimmenden Werten, die Auswertung gilt seit 2022 als geklärt.
Stabilität und Lebensdauer von Protonen
Das Proton ist nach dem Standardmodell stabil, weil die Baryonenzahl erhalten bleibt. Großexperimente setzen die untere Grenze der Halbwertszeit in die Größenordnung von zehn hoch zweiunddreißig Jahren. Ein sicherer Nachweis eines Zerfalls würde auf Physik jenseits des Standardmodells hinweisen.
Spin und magnetisches Moment
Spinstruktur
Der Gesamtspin beträgt ein halb. Messprogramme zeigten, dass die Valenzquarks weniger als die Hälfte zum Spin beitragen. Ein großer Anteil kommt von Gluonen.
Magnetisches Moment
Wäre das Proton punktförmig, entspräche sein magnetisches Moment exakt dem Kernmagneton. Tatsächlich ist es rund 2,79 Mal größer. Im Quarkmodell ergibt sich der Wert näherungsweise aus den Momenten der Konstituentenquarks.
Beziehung zum Neutron
Proton und Neutron verhalten sich in der starken Wechselwirkung sehr ähnlich, sodass sie ein Isospin-Doppelsystem bilden. Ein freies Neutron zerfällt jedoch über den Beta-Zerfall in ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino. Unter extremen Bedingungen, etwa bei der Bildung eines Neutronensterns, verwandelt dagegen der Elektroneneinfang ein Proton in ein Neutron. In Atomkernen wiederum ändern weitere Nukleonen die Energiebilanz dieser Prozesse.
Protonen im Atomkern
Die meisten Kerne bestehen aus Protonen und Neutronen. Die starke Wechselwirkung bindet den Kern, die elektromagnetische Abstoßung zwischen den Protonen wirkt dem entgegen. Ein Kern aus zwei Protonen allein ist nicht gebunden. Erst mit einem zusätzlichen Neutron entsteht das stabile Helium drei. Protonen können durch hochenergetische Photonen oder durch Stöße in Kernreaktionen aus Kernen herausgelöst werden. Bei Kernen mit starkem Protonenüberschuss treten Protonenemissionen mit sehr kurzen Halbwertszeiten auf. Bei einzelnen Isotopen kommt auch die gleichzeitige Emission zweier Protonen vor.
Streuexperimente und Formfaktoren
Streuversuche mit Protonen an Neutronen untersuchen die Eigenschaften der Kernkräfte. Bei Proton Proton Streuung muss zusätzlich die Coulomb Wechselwirkung berücksichtigt werden. Der Vergleich zeigt, dass die starke Kernkraft weitgehend unabhängig vom Ladungszustand der Nukleonen ist. Elastische Elektronen Proton Streuung liefert Formfaktoren und damit Informationen über die innere Struktur. Mit einem polarisierten Elektronenstrahl wurde zudem die schwache Ladung des Protons bestimmt, wobei die Paritätsverletzung der schwachen Wechselwirkung genutzt wurde.
Protonen in der Astrophysik
In Sternen beginnt die Energieerzeugung mit Proton Proton Reaktionen und anschließenden Fusionsschritten. Im p Prozess kann ein schnelles Proton die Coulomb Abstoßung überwinden und in einen Kern aufgenommen werden. In Studien zu terrestrischen Gammablitzen wurden auch Protonen mit hohen Energien diskutiert, die gemessenen Zeitverläufe unterscheiden sich jedoch von denen der Photonen.
Anwendungen
Beschleunigte Protonen werden in der Medizin für die Protonentherapie genutzt. Wegen des ausgeprägten Bragg Peaks geben sie ihre Energie vor allem in einem eng begrenzten Tiefenbereich ab. Das Gewebe davor wird weniger belastet, das Gewebe dahinter deutlich weniger. Protonen aus Zyklotronen dienen außerdem zur Erzeugung radionuklidreicher Isotope für die Diagnostik und zur Aktivierung von Bauteiloberflächen für Verschleißmessungen.
Der vorliegende Text stellt eine vollständig überarbeitete und neu strukturierte Fassung des Wikipedia-Artikels „Proton“ dar. Er unterliegt der Lizenz CC BY-SA 3.0 und enthält keine inhaltlichen Ergänzungen über die Originalquelle hinaus. Stand: 01.11.2025