Proton

Ein Proton ist ein stabiles subatomares Teilchen, das mit den Symbolen p, H⁺ oder §67§H⁺ bezeichnet wird und eine positive elektrische Ladung besitzt, die +1 e (der Elementarladung) entspricht. Seine Masse ist geringfügig kleiner als die eines Neutrons und ungefähr 1836 mal größer als die Masse eines Elektrons, ein Verhältnis, das als Protonen-zu-Elektronen-Massenverhältnis bekannt ist. Protonen und Neutronen, die jeweils etwa einen Dalton wiegen, werden zusammenfassend als Nukleonen bezeichnet, was ihr Vorhandensein in Atomkernen anzeigt.

Jeder Atomkern enthält mindestens ein Proton. Diese Protonen üben eine anziehende elektrostatische Zentralkraft aus, die die Atomelektronen bindet. Die Menge der Protonen innerhalb eines Kerns stellt das definierende Merkmal eines Elements dar, bekannt als die Ordnungszahl (symbolisiert durch Z). Da jedes Element durch seine Kernprotonenzahl eindeutig identifiziert wird, bestimmt seine spezifische Ordnungszahl die Anzahl der Atomelektronen und damit die Identität und die chemischen Eigenschaften des Elements.

Der Begriff Proton stammt vom griechischen Wort für „zuerst“ und Ernest Rutherford gab dem Wasserstoffkern diesen Namen im Jahr 1920. Zuvor hatte Rutherford festgestellt, dass der Wasserstoffkern als der leichteste gilt Atomkerne könnten durch Atomkollisionen von Stickstoffkernen gelöst werden. Diese Entdeckung positionierte Protonen als potenzielle Fundamental- oder Elementarteilchen, was auf ihre Rolle als Grundbestandteil von Stickstoff und allen anderen schwereren Atomkernen schließen lässt.

Ursprünglich als Elementarteilchen betrachtet, werden Protonen heute im modernen Standardmodell der Teilchenphysik als zusammengesetzte Einheiten verstanden. Sie bestehen aus drei Valenzquarks und werden neben Neutronen zu den Hadronen gezählt. Konkret bestehen Protonen aus zwei Up-Quarks, die jeweils eine Ladung von +⁠2/§67§⁠e tragen, und einem Down-Quark mit einer Ladung von −⁠§1415§/§1819§⁠e. Die intrinsische Ruhemasse dieser Quarks macht nur etwa 1 % der Gesamtmasse eines Protons aus. Der überwiegende Teil der Masse eines Protons entsteht aus der Bindungsenergie der Quantenchromodynamik, die die kinetische Energie der Quarks und die Energie umfasst, die mit den Gluonenfeldern verbunden ist, die ihre Wechselwirkung vermitteln. Der Ladungsradius des Protons beträgt ungefähr 0,841 fm, obwohl unterschiedliche Messmethoden zu geringfügig unterschiedlichen Ergebnissen führen.

Wenn freie Protonen ausreichend niedrigen Temperaturen und kinetischen Energien ausgesetzt werden, fangen sie leicht Elektronen aus jeder Materie ein, auf die sie treffen.

Freie Protonen werden regelmäßig in Beschleunigern für Anwendungen wie Protonentherapie und verschiedene Teilchenphysikexperimente eingesetzt, insbesondere am Beispiel des Großen Hadrons Collider.

Beschreibung

Protonen werden als Spin-⁠§23§/§67§⁠-Fermionen klassifiziert und bestehen aus drei Valenzquarks, wodurch sie als Baryonen, eine Unterart der Hadronen, kategorisiert werden. Die durch Gluonen vermittelte starke Kraft bindet die beiden Up-Quarks und ein Down-Quark innerhalb eines Protons. Ein zeitgenössisches Verständnis geht davon aus, dass ein Proton aus diesen Valenzquarks (oben, oben, unten), Gluonen und vorübergehenden Paaren von Seequarks besteht. Protonen weisen eine positive Ladungsverteilung auf, die annähernd exponentiell abnimmt, gekennzeichnet durch einen quadratischen Mittelwert des Ladungsradius von etwa 0,8 fm.

Sowohl Protonen als auch Neutronen sind Nukleonen, die durch die Kernkraft zu Atomkernen zusammengebunden werden können. Der Kern des am häufigsten vorkommenden Wasserstoffisotops (Symbol „H“) besteht ausschließlich aus einem einzelnen Proton. Im Gegensatz dazu enthalten die Kerne der schwereren Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium ein Proton, das an ein bzw. zwei Neutronen gebunden ist. Alle anderen Atomkerne werden aus einer Kombination von zwei oder mehr Protonen und unterschiedlichen Mengen an Neutronen gebildet.

Verlauf

Die Vorstellung, dass ein wasserstoffähnliches Teilchen als grundlegender Bestandteil anderer Atome dient, entwickelte sich über einen längeren historischen Zeitraum. Bereits 1815 nutzte William Prout vorläufige Atomgewichtsdaten, um das zu formulieren, was spätere Forscher Prouts Hypothese nannten: dass alle Atome aus ganzzahligen Vielfachen von Wasserstoffatomen aufgebaut sind, die er als „Protyle“ bezeichnete. Als jedoch genauere Atomgewichtsmessungen verfügbar wurden, erwies sich diese vorgeschlagene ganzzahlige Beziehung als inkonsistent. Trotzdem behielt das zugrunde liegende Konzept seine Anziehungskraft bei Wissenschaftlern und tauchte etwa ein Jahrhundert später wieder auf.

Eugen Goldsteins Forschungen im Jahr 1886 führten zur Entdeckung von Kanalstrahlen, auch Anodenstrahlen genannt, die aus Perforationen innerhalb einer Entladungsröhre austraten. Anschließend wies Wilhelm Wien 1898 nach, dass diese Strahlen eine Ladung besaßen, die im Gegensatz zu der der von J. J. Thomson identifizierten negativen Elektronen stand, und außerdem ein wesentlich größeres Masse-Ladungs-Verhältnis aufwiesen. Später im selben Jahr quantifizierte Thomson erfolgreich die Größe der elektrischen Ladung e und stellte fest, dass die Kanalstrahlen aus Material bestanden, das ein Ladungs-zu-Masse-Verhältnis (q/m) aufwies, das mit dem des Wasserstoffions übereinstimmte.

Nach Ernest Rutherfords Entdeckung des Atomkerns im Jahr 1913 postulierte Antonius van den Broek, dass ein Die Position eines Elements im Periodensystem, seine Ordnungszahl, entspricht genau seiner Kernladung. Van den Broek stellte außerdem die Theorie auf, dass der Kern Alphateilchen enthielt, die jeweils vier positive Ladungen sowie zwei Elektronen trugen, und formulierte damit die erste Iteration der Kern-Elektron-Hypothese. (Das heutige Modell mit zwei positiven Protonen und zwei Neutronen wurde erst viel später etabliert.) Gleichzeitig stellte Niels Bohr 1913 eine Theorie der Atomstruktur vor, die elektronische Übergänge in Abhängigkeit von der Kernladung vorhersagte. Dieser theoretische Rahmen wurde im selben Jahr von Henry Moseley experimentell validiert, der zeigte, dass die Energie der Röntgenspektrallinien zahlreicher Elemente ein konsistentes Muster aufwies, das direkt mit ihrer Ordnungszahl korreliert.

Im Jahr 1919 gelang Rutherford nach einer längeren Periode intermittierender Experimente, die durch den Ersten Weltkrieg unterbrochen wurde, das, was er den „künstlichen Zerfall“ von Stickstoffatomen nannte. Durch den Beschuss der Luft mit Alphateilchen aus Radium beobachtete Rutherford Szintillationen auf einem Zinksulfidschirm in Entfernungen von bis zu 28 cm. Diese Reichweite übertraf die typische Reichweite von Alphateilchen deutlich, stimmte jedoch mit der von Wasserstoffatomen überein. 1920 folgerte er, dass diese Wasserstoffkerne einen integralen Bestandteil des Stickstoffkerns darstellten. Diese entscheidende Entdeckung wird weithin als die Entdeckung der Protonen anerkannt.

Während seiner Präsentation dieser Entdeckungen vor der British Association for the Advancement of Science im August 1920 wurde Rutherford von Oliver Lodge dazu veranlasst, einen eindeutigen Namen für den positiven Wasserstoffkern vorzuschlagen und so Unklarheiten mit dem neutralen Wasserstoffatom zu vermeiden. Rutherford machte zunächst zwei Vorschläge: Proton, abgeleitet vom neutralen Singular des griechischen Wortes für „zuerst“ (πρῶτον) und Prouton, benannt als Hommage an Prout. Anschließend dokumentierte Rutherford, dass die Versammlung seinen Vorschlag befürwortete, den Wasserstoffkern als „Proton“ zu bezeichnen, und sich dabei von Prouts früherem Begriff „Protyle“ inspirieren ließ. Der Begriff „Proton“ tauchte erstmals 1920 in der wissenschaftlichen Literatur auf.

Anfangs vermutete Rutherford, dass das Alphateilchen einfach ein Proton vom Stickstoffatom verdrängte und es dadurch in Kohlenstoff umwandelte. Allerdings zeigten Patrick Blacketts Wolkenkammerbilder aus dem Jahr 1925 schlüssig, dass das Alphateilchen tatsächlich absorbiert wurde. Wäre das Alphateilchen nicht absorbiert worden, hätte man drei verschiedene geladene Teilchen erwartet – ein negativ geladenes Kohlenstoffion, ein Proton und ein Alphateilchen –, was zu drei beobachtbaren Spuren innerhalb der Wolkenkammer geführt hätte. Die Beobachtung von nur zwei Spuren veranlasste Blackett jedoch zu der Annahme, dass das Stickstoffatom das Alphateilchen absorbierte. Dieser Prozess ergab als Produkt schweren Sauerstoff (¹⁷O) anstelle von Kohlenstoff. Dieses Ereignis markierte die erste dokumentierte Kernreaktion: ¹⁴N + α → ¹⁷O + p.

Vorkommen

Jeder Atomkern enthält mindestens ein gebundenes Proton. Freie Protonen kommen natürlicherweise in Umgebungen vor, die durch ausreichend hohe Energien oder Temperaturen gekennzeichnet sind, um sie von Elektronen zu dissoziieren, zu denen sie eine inhärente Affinität aufweisen. Auf der Erde werden gelegentlich freie Protonen erzeugt; Beispielsweise können Gewitter Protonen mit Energien von mehreren zehn Megaelektronenvolt erzeugen. Darüber hinaus sind freie Protonen Bestandteile von Plasmen, deren Rekombination mit Elektronen aufgrund der Temperaturen ausgeschlossen ist. Hochenergetische, schnelle freie Protonen machen etwa 90 % der kosmischen Strahlung aus, die das interstellare Medium durchquert. Darüber hinaus werden bei bestimmten seltenen Formen des radioaktiven Zerfalls freie Protonen direkt von Atomkernen emittiert. Sie entstehen neben Elektronen und Antineutrinos auch durch den radioaktiven Zerfall instabiler freier Neutronen.

Stabilität

Ein spontaner Zerfall freier Protonen wurde noch nie beobachtet, was zu ihrer Einstufung als stabile Teilchen im Standardmodell führte. Dennoch gehen bestimmte große vereinheitlichte Theorien (GUTs) in der Teilchenphysik davon aus, dass ein Protonenzerfall stattfinden sollte, dessen vorhergesagte Lebensdauer zwischen 10³¹ und 10³⁶ Jahren liegt. Experimentell wurde die Untergrenze für die mittlere Protonenlebensdauer auf 0,96×10³⁰ Jahre festgelegt.

Die mittlere Lebensdauer quantifiziert den Zerfall eines Teilchens in jedes mögliche Produkt. Darüber hinaus werden bestimmte Zerfallsmodi durch ihre eigene gemessene Lebensdauer charakterisiert. Beispielsweise haben am japanischen Super-Kamiokande-Detektor durchgeführte Untersuchungen Untergrenzen für die mittlere Lebensdauer des Protons auf 1,6×10³⁴ Jahre für den Zerfall in ein Antimyon und ein neutrales Pion und 2,4ק1213§34 Jahre für den Zerfall in ein Positron und ein neutrales Pion festgelegt Pion.

Protonen können sich durch Elektroneneinfang in Neutronen umwandeln, ein Prozess, der auch als inverser Betazerfall bezeichnet wird. Bei freien Protonen erfolgt diese Umwandlung nicht spontan; es erfordert eine externe Energiezufuhr. Die entsprechende Gleichung lautet:

p⁺
+ e⁻
→ n + ν
_e

Dieser Prozess ist reversibel, da sich Neutronen durch Betazerfall, eine weit verbreitete Art des radioaktiven Zerfalls, wieder in Protonen umwandeln können. Bemerkenswert ist, dass ein freies Neutron diesen Zerfallsmodus mit einer ungefähren mittleren Lebensdauer von 15 Minuten durchläuft. Darüber hinaus können sich Protonen auch durch Beta-Plus-Zerfall (β+-Zerfall) in Neutronen umwandeln.

Im Rahmen der Quantenfeldtheorie die mittlere eigentliche Lebensdauer von Protonen, bezeichnet als τ<!-- τ --> p {\displaystyle \tau _{\mathrm {p} }}, wird endlich, wenn sie eine Beschleunigung mit einer richtigen Beschleunigung von erfahren a {\displaystyle a}. Folglich τ<!-- τ --> p {\displaystyle \tau _{\mathrm {p} }} verringert sich als a {\displaystyle a} erhöht sich. Diese Beschleunigung induziert eine Wahrscheinlichkeit ungleich Null für den Übergang p⁺
→ n + e⁺
+ ν
_e. Dieses Phänomen gab Ende der 1990er Jahre Anlass zur Sorge, weil τ<!-- τ --> p {\displaystyle \tau _{\mathrm {p} }} ist eine skalare Größe, die sowohl von trägen als auch von mitbeschleunigten Beobachtern gemessen werden kann. Aus der Perspektive eines Inertialsystems sollte ein beschleunigendes Proton wie durch die oben genannte Formel beschrieben zerfallen. Ein gleichzeitig beschleunigter Beobachter würde das Proton jedoch als ruhend wahrnehmen, was bedeutet, dass es nicht zerfallen sollte. Dieses Paradox wird gelöst, indem man erkennt, dass innerhalb des kobeschleunigten Rahmens aufgrund des Fulling-Davies-Unruh-Effekts, einer inhärenten Folge der Quantenfeldtheorie, ein Thermalbad existiert. In dieser thermischen Umgebung, der das Proton ausgesetzt ist, sind Elektronen und Antineutrinos vorhanden, die es dem Proton ermöglichen, durch die folgenden Prozesse zu interagieren:

1. p⁺
   + e⁻
   → n + ν,
2. p⁺
   + ν → n + e⁺
   und
3. p⁺
   + e⁻
   + ν → n.

Durch Summieren der Beiträge aus jedem dieser Prozesse ergibt sich der Wert von τ<!-- τ --> p {\displaystyle \tau _{\mathrm {p} }} kann abgeleitet werden.

Quark-Zusammensetzung und Protonenmasse

Die Quantenchromodynamik, die zeitgenössische Theorie der Kernkraft, führt den Großteil der Protonen- und Neutronenmasse auf Prinzipien der speziellen Relativitätstheorie zurück. Die Masse eines Protons übersteigt die Summe der Ruhemassen seiner drei Valenzquarks deutlich, etwa um den Faktor 80 bis 100, während Gluonen keine Ruhemasse besitzen. Der erhebliche Energiebeitrag von Quarks und Gluonen innerhalb eines Protons macht im Verhältnis zur Ruheenergie isolierter Quarks im QCD-Vakuum fast 99 % der Gesamtmasse des Protons aus. Folglich stellt die Ruhemasse eines Protons die invariante Masse des dynamischen Systems dar, das aus seinen Quarks und Gluonen besteht. Innerhalb solch begrenzter Systeme trägt sogar die Energie masseloser Teilchen zur gemessenen Ruhemasse des Gesamtsystems bei.

Die Masse von Quarks in Protonen wird mit zwei unterschiedlichen Begriffen beschrieben: aktuelle Quarkmasse bezeichnet die intrinsische Masse eines isolierten Quarks, während Konstituentenquarkmasse die aktuelle Quarkmasse ergänzt um die Masse des umgebenden Gluonenteilchenfelds umfasst. Diese beiden Massenwerte weisen typischerweise erhebliche Unterschiede auf. Auch die kinetische Energie der Quarks, eine direkte Folge ihres Einschlusses, trägt zu dieser Masse bei. Gitter-QCD-Berechnungen haben die spezifischen Beiträge zur Protonenmasse aufgeklärt: Das Quarkkondensat macht etwa 9 % aus (abgeleitet aus Up- und Down-Quarks und einem Meer virtueller Strange-Quarks); Die kinetische Energie des Quarks trägt etwa 32 % bei; Die kinetische Energie der Gluonen erhöht etwa 37 %; und ein anomaler gluonischer Beitrag beträgt etwa 23 % (einschließlich Kondensate aus allen Quarkgeschmacksrichtungen).

Im Rahmen des Konstituenten-Quark-Modells ist die Wellenfunktion des Protons definiert als:

Protonen weisen eine komplexe innere Dynamik auf, die hauptsächlich durch den Austausch von Gluonen zwischen Quarks und deren Wechselwirkungen mit verschiedenen Vakuumkondensaten bestimmt wird. Die Gitterquantenchromodynamik (QCD) bietet einen theoretischen Rahmen für die direkte Berechnung der Protonenmasse mit der Möglichkeit beliebiger Präzision. Jüngste Berechnungen belegen eine Genauigkeit der Massenbestimmung von mehr als 4 % und in einigen Fällen sogar 1 % (wie in Abbildung S5 von Dürr et al. dargestellt). Diese Behauptungen bleiben jedoch umstritten, da es derzeit nicht möglich ist, Berechnungen mit Quarks durchzuführen, deren Massen denen in der Natur entsprechen. Folglich werden Vorhersagen durch einen Extrapolationsprozess abgeleitet, bei dem grundsätzlich das Risiko besteht, dass systematische Fehler entstehen. Die Beurteilung der angemessenen Kontrolle dieser Fehler ist eine Herausforderung, da es sich bei den experimentellen Vergleichen um Hadronenmassen handelt, bei denen es sich bereits um etablierte Werte handelt.

Diese modernen Berechnungen erfordern den Einsatz umfangreicher Supercomputing-Ressourcen; Wie Boffi und Pasquini feststellten, „fehlt noch immer eine detaillierte Beschreibung der Nukleonenstruktur, weil … das Verhalten über große Entfernungen eine nichtstörungsfreie und/oder numerische Behandlung erfordert …“ Zu den alternativen konzeptionellen Rahmenwerken zum Verständnis der Protonenstruktur gehören der topologische Solitonenansatz, der ursprünglich von Tony Skyrme vorgeschlagen wurde, und der verfeinerte AdS/QCD-Ansatz, der eine Stringtheorie der Gluonen beinhaltet. Andere QCD-inspirierte Modelle, wie das Bag-Modell und das Konstituenten-Quark-Modell, erlangten in den 1980er Jahren neben den SVZ-Summenregeln, die näherungsweise Massenberechnungen ermöglichen, Bedeutung. Derzeit erreichen diese Methoden nicht das gleiche Maß an Präzision wie die rechenintensiveren Gitter-QCD-Techniken.

Laderadius

Der von CODATA empfohlene Wert für den Ladungsradius des Protons beträgt 8,4075(64)×10⁻¹⁶ m. Es bestehen Diskrepanzen zwischen dem durch Elektron-Proton-Streuung ermittelten Protonenradius und dem Wert aus Lamb-Shift-Messungen in myonischem Wasserstoff, einem exotischen Atom, das aus einem Proton und einem negativ geladenen Myon besteht. Da ein Myon etwa 200-mal massereicher ist als ein Elektron, was zu einem deutlich kleineren Atomorbital führt, weist es eine höhere Empfindlichkeit gegenüber dem Ladungsradius des Protons auf und ermöglicht dadurch präzisere Messungen. Nachfolgende Fortschritte bei Streu- und Elektronenspektroskopiemessungen haben diesen neu ermittelten kleineren Radius bestätigt. Die laufende Forschung zielt darauf ab, diesen aktualisierten Wert weiter zu verfeinern und zu validieren.

Eine dritte Kategorie hochpräziser Messungen stimmt am ehesten mit dem aus der myonischen Wasserstoffspektroskopie abgeleiteten Wert überein; Es bestehen jedoch weiterhin ungeklärte Diskrepanzen. Darüber hinaus wurden die genaue Interpretation und die Auswirkungen dieser Messungen einer genauen Prüfung unterzogen.

Interner Protonendruck

Angesichts der Tatsache, dass ein Proton aus Quarks besteht, die von Gluonen eingeschlossen sind, kann ein äquivalenter Druck, der auf diese Quarks wirkt, konzeptualisiert werden. Das Ausmaß dieses Drucks und die damit verbundenen Eigenschaften bleiben Gegenstand anhaltender Debatten.

Im Jahr 2018 wurde berichtet, dass dieser Innendruck etwa 10³⁵ Pa beträgt, ein Wert, der über dem Druck liegt, der in einem Neutronenstern herrscht. Es wurde beschrieben, dass dieser Druck im Zentrum des Protons seinen Höhepunkt erreicht, bis zu einer radialen Entfernung von etwa 0,6 fm positive (abstoßende) Eigenschaften aufweist, bei größeren Entfernungen negativ (anziehend) wird und ab etwa 2 fm deutlich abnimmt. Diese Zahlen wurden durch eine Synthese theoretischer Modellierung und experimenteller Compton-Streuung unter Beteiligung hochenergetischer Elektronen abgeleitet. Dennoch standen diese Ergebnisse vor Herausforderungen, da Kritiker darauf hinwiesen, dass sie auch mit dem Nulldruck vereinbar sind und dass die gemeldete Form des Druckprofils weitgehend eine Folge der Modellauswahl ist.

Ladungsradius gelöster Protonen (Hydronium)

Der Radius des hydratisierten Protons ist ein kritischer Parameter in der Born-Gleichung, der zur Berechnung der Hydratationsenthalpie von Hydronium verwendet wird.

Wechselwirkung freier Protonen mit gewöhnlicher Materie

Während Protonen eine Affinität zu entgegengesetzt geladenen Elektronen aufweisen, ist diese Wechselwirkung relativ niederenergetisch, sodass freie Protonen ihre Geschwindigkeit und kinetische Energie ausreichend reduzieren müssen, um eine enge Assoziation und Bindung mit Elektronen zu ermöglichen. Hochenergetische Protonen, die gewöhnliche Materie durchqueren, verbrauchen Energie durch Kollisionen mit Atomkernen und durch die Ionisierung von Atomen (Entfernen von Elektronen), bis ihre Geschwindigkeit so weit abnimmt, dass sie von der Elektronenwolke eines typischen Atoms eingefangen werden können.

Dennoch bleibt seine grundlegende Identität als Proton unverändert, wenn sich ein Proton mit einem Elektron verbindet. Niedrigenergetische freie Protonen werden von Elektronen in gewöhnlicher Materie, einschließlich denen in typischen Atomen, angezogen, was zu ihrer Immobilisierung und der Bildung neuartiger chemischer Bindungen mit Atomen führt. Dieses Bindungsphänomen tritt in einem weiten Bereich ausreichend niedriger Temperaturen auf, sogar solchen, die mit der Sonnenoberfläche vergleichbar sind, und bei verschiedenen Atomspezies. Folglich verbleiben freie Protonen mit niedriger Geschwindigkeit bei der Wechselwirkung mit konventioneller Materie, die kein Plasma ist, nicht in einem ungebundenen Zustand; Stattdessen werden sie von Elektronen in benachbarten Atomen oder Molekülen angezogen, was zu ihrer chemischen Verbindung führt. Diese resultierenden molekularen Einheiten werden als „protoniert“ bezeichnet und sind im Wesentlichen Wasserstoffverbindungen, die häufig eine positive Ladung aufweisen. Sie wirken üblicherweise als Brønsted-Säuren. Beispielsweise ergibt ein von einem Wassermolekül in einer wässrigen Umgebung assimiliertes Proton Hydronium, ein wässriges Kation, dargestellt als H₃O⁺.

Das Proton in chemischen Zusammenhängen

Definieren der Ordnungszahl

In der Chemie wird die Ordnungszahl durch die Menge an Protonen definiert, die sich im Kern eines Atoms befinden, und bestimmt so das spezifische chemische Element dieses Atoms. Chlor besitzt beispielsweise die Ordnungszahl 17, was bedeutet, dass jedes Chloratom 17 Protonen enthält, und umgekehrt wird jedes Atom mit 17 Protonen als Chlor klassifiziert. Die chemischen Eigenschaften eines Atoms werden in erster Linie durch seine Anzahl negativ geladener Elektronen bestimmt, die in neutralen Atomen genau der Anzahl positiv geladener Protonen entspricht, was zu einer Nettoladung von Null führt. Zur Veranschaulichung: Ein neutrales Chloratom besteht aus 17 Protonen und 17 Elektronen, während ein Cl⁻-Anion 17 Protonen und 18 Elektronen enthält, was eine Nettoladung von −1 e ergibt.

Allerdings sind nicht alle Atome eines bestimmten Elements notwendigerweise identisch. Schwankungen in der Neutronenzahl führen zur Bildung unterschiedlicher Isotope, während unterschiedliche Energieniveaus zur Bildung von Kernisomeren führen können. Beispielsweise hat Chlor zwei stabile Isotope: ³⁵
₁₇Cl, das 18 Neutronen (35 −) besitzt 17) und ³⁷
₁₇Cl, enthaltend 20 Neutronen (37 − 17).

Das Wasserstoffion

Im chemischen Diskurs ist die Bezeichnung Proton gleichbedeutend mit dem Wasserstoffion H⁺
. Da die Ordnungszahl von Wasserstoff 1 ist, fehlen einem Wasserstoffion Elektronen, was einen bloßen Kern darstellt, der ausschließlich aus einem Proton besteht (und null Neutronen im Fall des am weitesten verbreiteten Isotops Protium, bezeichnet als §1819§
§2122§H). Da das Proton nur etwa 1/64.000stel des Radius eines Wasserstoffatoms besitzt, fungiert es als „nackte Ladung“, was es chemisch außerordentlich reaktiv macht. Folglich haben freie Protonen in chemischen Umgebungen wie Flüssigkeiten eine äußerst kurze Existenz und reagieren sofort mit der Elektronenwolke jedes zugänglichen Moleküls. In wässrigen Lösungen erzeugt es das Hydroniumion H§2627§O⁺, das anschließend einer weiteren Solvatisierung durch Wassermoleküle unterliegt und Cluster wie [H§30^{31§O§3233§]+ und bildet [H§3637§O§3839§]+.}

Bei Säure-Base-Reaktionen wird die Translokation von H⁺
üblicherweise als „Protonentransfer“ bezeichnet. Die Säure fungiert als Protonendonor, während die Base als Protonenakzeptor fungiert. In ähnlicher Weise beschreibt die biochemische Nomenklatur, einschließlich Begriffen wie Protonenpumpe und Protonenkanal, die Migration von hydratisiertem H⁺
Ionen.

Die ionische Spezies, die durch die Entfernung eines Elektrons aus einem Deuteriumatom entsteht, wird als Deuteron bezeichnet, im Gegensatz zu einem Proton. Analog dazu ergibt die Ionisierung eines Tritiumatoms durch Elektronenentfernung ein Triton.

Protonenkernmagnetische Resonanz (NMR)

Im Bereich der Chemie bezeichnet die Bezeichnung Protonen-NMR die spektroskopische Technik der Kernspinresonanz, die zur Beobachtung von Wasserstoff-1-Kernen vorwiegend in organischen Molekülen eingesetzt wird. Diese Methode nutzt das quantisierte magnetische Spinmoment des Protons, das aus seinem intrinsischen Drehimpuls (Spin) stammt und eine Größe besitzt, die der Hälfte der reduzierten Planck-Konstante entspricht (ℏ<!-- ℏ --> / §1516§ {\displaystyle \hbar /2} ). Die Nomenklatur bezeichnet die Analyse von Protonen, wie sie in chemischen Verbindungen in Protium (Wasserstoff-1-Atome) eingebaut sind, und deutet nicht auf das Vorhandensein ungebundener Protonen in der untersuchten Probe hin.

Menschliche Exposition

Die Apollo Lunar Surface Experiments Packages (ALSEP) haben festgestellt, dass Elektronen und Protonen über 95 % der Sonnenwindpartikel ausmachen und in nahezu gleichen Mengen vorhanden sind.

Kontinuierliche Messungen mit dem Sonnenwindspektrometer ermöglichten die Quantifizierung des Einflusses des Erdmagnetfelds auf einfallende Sonnenwindpartikel. Der Mond befindet sich etwa zwei Drittel seiner Umlaufzeit außerhalb des Erdmagnetfelds. Während dieser Zeiträume lagen die Protonendichten typischerweise zwischen 10 und 20 Teilchen pro Kubikzentimeter, wobei die Mehrheit der Protonen Geschwindigkeiten zwischen 400 und 650 Kilometern pro Sekunde aufwies. Etwa fünf Tage lang im Monat durchquert der Mond den geomagnetischen Schweif der Erde, ein Zeitraum, in dem Sonnenwindpartikel im Allgemeinen nicht nachweisbar sind. Der verbleibende Teil der Mondumlaufbahn platziert den Mond innerhalb der Magnethülle, einer Übergangszone, in der das Erdmagnetfeld den Sonnenwind moduliert, aber nicht vollständig blockiert. Innerhalb dieser Region nimmt der Teilchenfluss ab und die typischen Protonengeschwindigkeiten liegen zwischen 250 und 450 Kilometern pro Sekunde. Während der Mondnacht wurden keine Sonnenwindpartikel entdeckt, da der Mond selbst das Spektrometer abschirmte.

Protonen stammen auch aus extrasolaren Quellen, insbesondere aus galaktischer kosmischer Strahlung, und machen etwa 90 % des gesamten Teilchenflusses aus diesen Quellen aus. Diese galaktischen Protonen besitzen typischerweise höhere Energien als Sonnenwindprotonen, und ihre Intensität weist eine größere Gleichmäßigkeit und geringere Variabilität im Vergleich zu Protonen solarer Herkunft auf, deren Produktion erheblich durch solare Protonenereignisse wie koronale Massenauswürfe beeinflusst wird.

Untersuchungen konzentrierten sich auf die Dosisleistungseffekte von Protonen, die häufig in der Raumfahrt auftreten, auf die menschliche Gesundheit. Konkret geht es den Forschern darum, die einzelnen geschädigten Chromosomen zu identifizieren und die Art dieser Schäden während der Krebsentstehung infolge der Protonenexposition zu charakterisieren. Eine weitere Untersuchung zielt darauf ab, „die Auswirkungen der Protonenbestrahlung auf neurochemische Endpunkte und Verhaltensendpunkte zu ermitteln, einschließlich der dopaminergen Funktion, des durch Amphetamin induzierten konditionierten Geschmacksaversionslernens sowie des räumlichen Lernens und Gedächtnisses, gemessen am Morris-Wasserlabyrinth.“ Auch die elektrische Aufladung von Raumfahrzeugen durch interplanetaren Protonenbeschuss wurde für weitere Forschungen vorgeschlagen. Zahlreiche weitere Studien im Zusammenhang mit der Raumfahrt befassen sich mit den potenziellen gesundheitlichen Auswirkungen der galaktischen kosmischen Strahlung und den Folgen der Exposition gegenüber Sonnenprotonenereignissen.

Sowohl das amerikanische Biostack- als auch das sowjetische Biorack-Raumfahrtexperiment haben schlüssig gezeigt, dass schwere Ionen erhebliche molekulare Schäden an Mikroorganismen wie Artemia-Zysten verursachen.

Antiproton

Die CPT-Symmetrie erlegt den Vergleichseigenschaften von Teilchen und Antiteilchen strenge Beschränkungen auf und macht sie somit einer strengen experimentellen Überprüfung zugänglich. Beispielsweise muss die Nettoladung eines Protons und eines Antiprotons genau Null sein. Diese spezifische Gleichheit wurde mit einer Genauigkeit von einem Teil in 10⁸ verifiziert. Darüber hinaus wurde die Äquivalenz ihrer Massen mit einer Genauigkeit von mehr als einem Teil in 10§910§ festgestellt. Durch den Einschluss von Antiprotonen in einer Penningfalle wurde in §1415§×§1617^18§ die Gleichheit des Ladungs-zu-Masse-Verhältnisses für Protonen und Antiprotonen zu einem Teil bestätigt. Es wurde festgestellt, dass die gemessenen magnetischen Momente von Protonen und Antiprotonen gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind, mit einer Genauigkeit von 0,8 ppm.

Referenzen

Referenzen

Ball, Richard D.; Candido, Alessandro; Cruz-Martinez, Juan; Forte, Stefano; Giani, Tommaso; Hekhorn, Felix; Kudashkin, Kirill; Magni, Giacomo; Rojo, Juan (August 2022). „Hinweise auf intrinsische Charm-Quarks im Proton.“ Natur, 608 (7923): 483–487. arXiv:2208.08372. Bibcode:2022Natur.608..483N. doi:10.1038/s41586-022-04998-2. ISSN 1476-4687. PMC 9385499. PMID 35978125.

• Ball, Richard D.; Candido, Alessandro; Cruz-Martinez, Juan; Forte, Stefano; Giani, Tommaso; Hekhorn, Felix; Kudashkin, Kirill; Magni, Giacomo; Rojo, Juan (August 2022). „Hinweise auf intrinsische Charm-Quarks im Proton“. Natur. 608 (7923): 483–487. arXiv:2208.08372. Bibcode:2022Natur.608..483N. doi:10.1038/s41586-022-04998-2. ISSN 1476-4687. PMC 9385499. PMID 35978125.Gao, H.; Vanderhaeghen, M. (21.01.2022). „Der Protonenladungsradius.“ Reviews of Modern Physics, 94 (1) 015002. arXiv:2105.00571. Bibcode:2022RvMP...94a5002G. doi:10.1103/RevModPhys.94.015002.Medien zu Protonen bei Wikimedia Commons
  • Medien zum Thema Protonen bei Wikimedia Commons
  • Large Hadron Collider
  • Eaves, Laurence; Copeland, Ed; Padilla, Antonio (Tony) (2010). „Das schrumpfende Proton.“ Sechzig Symbole. Brady Haran für die University of Nottingham.
  • Visualizing the Proton, Arts at MIT, 2022