Eigenschaften eines Protons

Die moderne Wissenschaft entdeckte nach und nach die bemerkenswerte Tatsache, dass alles Materielle ist – trotz unzähliger Variationen in physikalischen und chemischen Eigenschaften – besteht aus einer relativ begrenzten Gruppe von Grundeinheiten, bekannt als Atome. Diese Atome wiederum sind einfach unterschiedliche Anordnungen von drei fundamentalen Teilchen: Elektronen, Neutronen und Protonen. In gewissem Sinne ist das Proton das definierende subatomare Teilchen, da ein Atom aufgrund seiner Protonenzahl als spezifisches Element klassifiziert wird.

Protonen befinden sich im Atomkern, einem kompakten Kern im Zentrum des Atoms. Die meisten Kerne enthalten auch Neutronen. Die vielleicht wichtigste Eigenschaft eines Protons ist seine positive elektrische Ladung. Diese Ladung ist betragsmäßig gleich der negativen elektrischen Ladung des Elektrons, was bedeutet, dass die Ladung eines Protons die Ladung eines Elektrons ausgleicht. Neutronen haben keine elektrische Ladung, daher hat ein Atom eine neutrale Gesamtladung, solange seine Anzahl an Elektronen gleich seiner Anzahl an Protonen ist.

Protonen haben eine winzige Masse ungleich null. Tatsächlich bilden Protonen und Neutronen den größten Teil der Masse im Universum – alle Materie besteht aus Atomen, und die Masse der Atome ist hauptsächlich auf Protonen und Neutronen zurückzuführen. Die Masse eines Protons beträgt 1,67 x 10^-27 Kilogramm; dies ist der Masse eines Neutrons sehr ähnlich, aber weit größer als die Masse eines Elektrons, die 9,11 x 10^-31 Kilogramm beträgt. Ein Proton, obwohl fast unvorstellbar klein, hat auch eine messbare physikalische Größe. Moderne Forschungen zeigen, dass der Durchmesser eines Protons etwa 1,6 x 10^-13 Zentimeter beträgt.

Das Coulombsche Gesetz besagt, dass elektrische Ladungen mit entgegengesetzter Polarität eine anziehende Kraft erfahren und elektrische Ladungen mit derselben Polarität eine abstoßende Kraft erfahren. Es besagt auch, dass diese Kraft umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands ist, der zwei Punktladungen trennt. Somit nimmt die Größe der elektrischen Kraft zwischen zwei Punktladungen ins Unendliche zu, wenn sich die Punktladungen sehr nahe kommen. Das bedeutet, dass die in den Atomkern gepackten Protonen eine enorme Abstoßungskraft erfahren. Der Kern bleibt jedoch aufgrund der sogenannten starken Kraft intakt. Eine der vier Grundkräfte, die starke Kraft, wirkt auf Protonen und Neutronen und kann sie zusammenhalten, weil sie stärker ist als die elektrische Kraft zwischen Protonen.

In der Physik werden Protonen typischerweise speziell als subatomare Teilchen diskutiert. Chemiker verwenden jedoch die Begriffe "Proton" und "Wasserstoffion" etwas austauschbar. Wasserstoffatome haben ein Proton und ein Elektron und die meisten haben null Neutronen. Wenn ein Wasserstoffatom sein Elektron verliert und zu einem Ion wird, bleibt folglich nur ein einziges Proton übrig. Diese Tatsache ist ein wichtiger Aspekt der Chemie, da die Konzentration von Wasserstoffionen in einer Lösung den Säuregrad der Lösung bestimmt. Mit anderen Worten, was eine Substanz sauer macht, ist ihre Fähigkeit, während chemischer Reaktionen Protonen an andere Substanzen abzugeben.