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Kernkraftwerk Isar, Deutschland

Abgebrannten Kernbrennstoff Pool

Turbine eines Kernkraftwerks

Was ist ein Proton?

Ein Proton ist ein positiv geladenes subatomares Teilchen im Atomkern von Atomen. Die Anzahl der Protonen im Atomkern bestimmt die Ordnungszahl eines Elements, wie im Periodensystem der Elemente angegeben.

Was ist ein Proton?

Das Proton ist kein Elementarteilchen, sondern ein zusammengesetztes Teilchen. Es besteht aus drei gluongebundenen Partikeln, zwei Quarks oben und einem Quark unten, was es zu einem Baryon macht.

Protonen sind in Atomkernen vorhanden, die im Allgemeinen durch starke Wechselwirkung an Neutronen gebunden sind. Die einzige Ausnahme, in der es einen Atomkern ohne Neutronen bildet,  ist der Kern von gewöhnlichem Wasserstoff - das am häufigsten vorkommende Nuklid im Universum.

Wasserstoff hat jedoch andere Isotope, die Neutronen enthalten. Dies ist der Fall bei den Kernen der schweren Wasserstoffisotope (Deuterium und Tritium), die ein Proton bzw. ein oder zwei Neutronen enthalten. Diese beiden Wasserstoffisotope werden als Kernbrennstoff in Kernfusionsreaktionen verwendet. Alle anderen Arten von Atomen bestehen aus zwei oder mehr Protonen und einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen.

Wie entsteht ein Proton?

Protonen bestehen  aus drei  1/2 Spin- Quarks . Sie sind eine  Art von Baryon  , die ein Subtyp von Hadronen sind. Die beiden Quarks oben und ein Quark unten werden durch starke nukleare Wechselwirkung zusammengehalten. Es hat eine positive Ladungsverteilung und fällt exponentiell ab.

Quarks sind massive Elementarfermionen, die stark miteinander interagieren, um Kernmaterie und bestimmte Arten von Partikeln zu bilden, die Hadronen genannt werden. Eine  Fermion  ist eine der beiden Grundtypen von Elementarteilchen, die in der Natur existieren.

Baryonen wiederum sind eine Familie subatomarer Teilchen, die aus drei Quarks bestehen. Am repräsentativsten sind Protonen und Neutronen.

Das entsprechende Antiteilchen, das Antiproton, hat die gleichen Eigenschaften wie das Proton, jedoch eine negative elektrische Ladung.

Was sind die Eigenschaften eines Protons?

Die Hauptmerkmale sind:

  • Masse: Sie haben eine  Masse von ca. 1.674 x 10 -24 g . Ungefähr die gleiche Masse wie Neutronen. Im Vergleich zum Elektron ist die Masse des Protons ungefähr 1.836-mal größer.
  • Elektrische Ladung: Das Proton hat eine  positive Ladung von 1.602 x 10 -19  Coulomb . Genau die gleiche absolute Ladung wie das Elektron, das eine negative Ladung hat.
  • Lastradius: 0,8775 (51) fm
  • Elektrisches Dipolmoment: <5,4 × 10 –24  e · cm
  • Magnetisches Dipolmoment: 1,410606743 (33) × 10 –26  J · T –1
  • Das Proton ist ein stabiles Teilchen, was bedeutet, dass es nicht in andere Teilchen zerfällt. Dies bedeutet, dass sein Leben innerhalb experimenteller Grenzen ewig ist.

Dieser letzte Punkt wird in der Erhaltung der Anzahl der Baryonen in den Prozessen zwischen Elementarteilchen zusammengefasst. Tatsächlich ist das leichteste Baryon genau das Proton, und wenn die Baryonenzahl gespeichert werden soll, kann es nicht in ein anderes leichteres Teilchen zerfallen.

Warum sind Protonen wichtig?

Protonen sind wichtig, weil sie definieren, aus welchem ​​Element ein Atom stammt. 

Die Ordnungszahl eines Atoms ist die  Anzahl der Protonen in seinem Kern .

Die Ordnungszahl bestimmt die chemischen Eigenschaften des Atoms. Aus diesem Grund werden chemische Elemente durch die Anzahl der Protonen in einem Kern (Z) dargestellt, dh durch die Ordnungszahl. Zur Bestimmung der Isotope eines Elements wird die Anzahl der Neutronen (N) auch durch Addition aller Nukleonen verwendet und als Massenzahl (A) bezeichnet.

Ein weiteres wichtiges Merkmal ist, dass das Proton dabei hilft, Elektronen einzufangen und sie um den Kern herum zu umkreisen. Diese Eigenschaft ist, weil es eine positive Ladung hat, die negativ geladene Elektronen anzieht. Diese Eigenschaft hat keine Neutronen, da Neutronen keine elektrische Ladung haben.

Was sind Nukleonen?

Nukleonen sind die Subpartikel, aus denen der Kern eines Atoms besteht (Protonen und Neutronen). Protonen und Neutronen sind Nukleonen. Beide sind durch eine starke Kernkraft im Kern vereint.

Es ist bekannt, dass Nukleonen  den Atomkern bilden,  aber sie können auch isoliert existieren, ohne Teil größerer Kerne zu sein. Wenn sie nicht frei sind, gibt es einen wichtigen Unterschied: Protonen sind stabil oder hochstabil, während isolierte Neutronen durch Beta-Zerfall zerfallen. Die Halbwertszeit eines isolierten Neutrons beträgt 15 Minuten.

Was ist das Leben eines Protons?

Die Lebensdauer eines Protons beträgt mehr als 2,1 x 10 29  Jahre , weshalb es auf experimenteller Ebene als ewig angesehen wird. Protonen sind aus Sicht des Standardmodells der Teilchenphysik stabil. Die Gesetze der Physik erlauben es einem Proton nicht, sich spontan zu zersetzen, da die Anzahl der Baryonen erhalten bleibt.

Bei einigen seltenen Arten des radioaktiven Zerfalls emittieren sie freie Protonen und das Ergebnis der Zersetzung freier Neutronen bei anderen Zerfällen.

Als  freies Proton kann es ein Elektron aufnehmen und in neutralen Wasserstoff umwandeln . Anschließend kann neutraler Wasserstoff sehr leicht chemisch reagieren.

Freie Protonen können existieren in:

  • Plasmen . Plasma ist der vierte Zustand der Aggregation von Materie: ein flüssiger Zustand ähnlich dem gasförmigen Zustand, in dem jedoch ein bestimmter Anteil seiner Partikel elektrisch geladen (ionisiert) ist und kein elektromagnetisches Gleichgewicht besitzt.
  • Die kosmischen Strahlen , die aus dem Raum mit einer sehr hohen kinetischen Energie kommende subatomare Partikel sind.
  • Sonnenwind.  Der Sonnenwind ist ein Strom geladener Teilchen, die aus der oberen Atmosphäre der Sonne freigesetzt werden.

Wer hat die Protonen entdeckt?

Das Proton wurde 1919 von Rutherford entdeckt.

Proton

Die Geschichte seiner Entdeckung reicht bis ins Jahr 1886 zurück, als  Eugen Goldstein anodische Strahlen entdeckte  und zeigte, dass es sich um positiv geladene Teilchen ( Ionen) handelte, die aus Gasen erzeugt wurden.

Durch Variation der Gase in den Rohren beobachtete Goldstein, dass diese Partikel unterschiedliche Werte für die Beziehung zwischen Ladung und Masse hatten. Aus diesem Grund konnte die positive Ladung mit einem Teilchen im Gegensatz zu den von Joseph John Thomson entdeckten negativen Ladungen der Elektronen nicht identifiziert werden.

Nach  Ernest Rutherfords Entdeckung des Atomkerns im Jahr  1911 schlug Antonius Van den Broek vor, dass die Position jedes  Elements im Periodensystem  (seine Ordnungszahl) gleich seiner Kernladung sei. Diese Theorie wurde 1913 von Henry Moseley unter Verwendung von Röntgenspektren experimentell bestätigt.

1917 zeigte Rutherford, dass der Wasserstoffkern in anderen Kernen vorhanden war, ein allgemeines Ergebnis,  das als Entdeckung des Protons beschrieben wird .

Mit welchem ​​Experiment hat Rutherford das Proton entdeckt?

Rutherford bemerkte, dass seine Szintillationsdetektoren durch Beschuss von Alpha-Partikeln in reinem Stickstoffgas Anzeichen von Wasserstoffkernen zeigten. Rutherford stellte fest, dass Wasserstoff nur aus Stickstoff stammen kann und daher Wasserstoffkerne enthalten muss.

Ein Wasserstoffkern zerfiel unter dem Einfluss des Alpha-Partikels und bildete dabei ein Sauerstoffatom. Der Wasserstoffkern liegt daher in anderen Kernen als Elementarteilchen vor, was  Rutherford das Proton nennt.

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Erscheinungsdatum: 19. März 2019
Geändert am: 19. März 2019