Proton: Ladung, Masse und Rolle im Atom

Im Kern-Hülle-Modell sitzen Protonen und Neutronen im kleinen Atomkern; Elektronen gehören zur Hülle. Proton und Neutron sind ungefähr gleich schwer. Ein Proton hat etwa die 1.836-fache Elektronenmasse. Deshalb befindet sich fast die gesamte Atommasse im Kern.

Ein Proton trägt eine positive Elementarladung von ungefähr 1{,}602\cdot10^{-19}\,\mathrm C. C steht für Coulomb, die Einheit der elektrischen Ladung.

Die Protonenzahl Z, auch Kernladungszahl oder Ordnungszahl, legt das Element fest. Ein neutrales Atom besitzt gleich viele Elektronen wie Protonen. Bei einem Ion ist die Elektronenzahl verändert, der Kern bleibt gleich. Ein Elementarteilchen ist ein Teilchen, bei dem kein kleinerer Aufbau bekannt ist. Elektronen gelten als Elementarteilchen; Protonen und Neutronen bestehen aus kleineren Bausteinen.

Die Protonenzahl Z zählt Protonen. Die Neutronenzahl N zählt Neutronen. Die Massenzahl A zählt beide Kernteilchen. Daher gilt A=Z+N. Ziehst du von allen Kernteilchen die Protonen ab, bleiben die Neutronen: N=A-Z.

Die atomare Masseneinheit u ist eine kleine Einheit für Atommassen. Ein ruhendes Proton hat etwa 1{,}673\cdot10^{-27}\,\mathrm{kg} oder 1{,}007\,\mathrm u Masse. Für eine grobe Kernrechnung setzt man Proton und Neutron jeweils mit etwa 1 u an.

Ein Kern mit 26 Protonen und 30 Neutronen hat 56 Kernteilchen. Bei 26 Elektronen mit ungefähr 0,0005 u je Elektron kommen näherungsweise 0,013 u hinzu. Die Massenzahl 56 ist eine Zählzahl und keine Massenmessung in Kilogramm.

Der Kern des häufigsten Wasserstoffatoms besteht aus einem Proton. Entfernt man das einzige Elektron aus einem neutralen Atom dieses Isotops, bleibt \ce{H+} zurück. In diesem Zusammenhang ist es ein Proton. Das neutrale Wasserstoffatom enthält dagegen ein Proton und ein Elektron.

In Wasser liegt ein solches Proton an Wassermoleküle gebunden vor. \ce{H3O+} ist dafür eine einfache Modellschreibweise. Der Zusammenhang entscheidet, ob „Proton“, „Wasserstoffkern“ und \ce{H+} dasselbe Teilchen bezeichnen.

Ein Proton ist kein Elementarteilchen, denn es hat einen inneren Aufbau. Es gehört zu den Hadronen, also Teilchen aus Quarks. Zwei Up-Quarks und ein Down-Quark bilden seinen Grundaufbau; kurz uud. Gluonen halten die Quarks durch die starke Wechselwirkung zusammen. Die Quarkladungen ergeben zusammen die positive Ladung des Protons.

Auch die Bewegung der Quarks und die Energie ihrer Bindung beeinflussen die Masse des ganzen Protons. Energie und Masse hängen zusammen; deshalb genügt es nicht, nur die Massen der drei Quarks zu addieren. Eine Rechnung dazu brauchst du hier nicht.

Ein spontaner Zerfall eines freien Protons wurde bisher nicht beobachtet. Nach heutigem Wissen gilt es als stabil; das ist kein Beweis für eine unendliche Lebensdauer.