How big is Proton?

Ein Proton ist ein Teilchen mit positiver elektrischer Ladung, das sich im Kern, dem Zentrum jedes Atoms, befindet. Es ist etwa 1,7 Femtometer groß, gemessen als das Doppelte seines Ladungsradius, des mittleren Radius seiner elektrischen Ladung. Ein Femtometer ist ein Millionstel eines Milliardstel Meters (10⁻¹⁵ Meter).

Größe

Ein Proton hat keine feste Oberfläche. Es ist eine Wolke aus drei kleineren Teilchen, den Quarks, zwei Up-Quarks und einem Down-Quark, die von der starken Wechselwirkung zusammengehalten werden – derselben Kraft, die Protonen und Neutronen zu einem Kern bindet. Der empfohlene Wert seines Ladungsradius, wie ihn das US-amerikanische National Institute of Standards and Technology (NIST) angibt, beträgt 0,84075 Femtometer, mit einer Unsicherheit von weniger als 1 %.

Es gibt zwei wichtige Methoden, ihn zu messen. Die eine schießt Elektronen auf Protonen und zeichnet auf, wie sie abprallen. Die andere misst das Licht, das Wasserstoffatome aussenden, deren Energieniveaus sich ganz leicht verschieben, weil das Proton kein Punkt ist.

Größenvergleiche

Ein Neutron, der Partner des Protons im Kern, ist etwa gleich groß. Auf dieselbe Weise gemessen, nämlich daran, wie ihr Magnetismus verteilt ist, unterscheiden sich ihre Radien um weniger als 2 %.
Ein Heliumkern, aus zwei Protonen und zwei Neutronen aufgebaut, ist etwa 3,4 Femtometer groß, doppelt so breit wie ein einzelnes Proton.
Ein Wasserstoffatom, ein Proton mit einem Elektron darum, ist etwa 0,1 Nanometer groß, etwa 60.000-mal so breit wie sein Proton. Ein Nanometer ist ein Milliardstel eines Meters.
Wäre ein Proton auf die Größe eines Basketballs vergrößert, wäre das Wasserstoffatom darum etwa 15 Kilometer groß.
Etwa 60 Milliarden Protonen, nebeneinander aufgereiht, würden die Breite eines menschlichen Haares ergeben, etwa 0,1 Millimeter.

Das Rätsel um den Protonenradius

Vor 2010 ergaben beide Methoden einen Radius von etwa 0,88 Femtometern. In jenem Jahr vermaß ein Team am Paul-Scherrer-Institut in der Schweiz Wasserstoffatome, in denen das Elektron durch ein Myon ersetzt worden war. Ein Myon ähnelt einem Elektron, ist aber etwa 200-mal schwerer, weshalb es viel näher um das Proton kreist und viel empfindlicher auf dessen Größe reagiert. Das Team fand 0,84184 Femtometer, etwa 4 % weniger, eine Abweichung, die zu groß war, um sie auf Messfehler zurückzuführen.

Physiker nannten diese Diskrepanz das Rätsel um den Protonenradius, und manche hofften, sie könnte auf eine unbekannte Naturkraft hindeuten. 2019 berichtete das PRad-Experiment am Jefferson Lab im US-Bundesstaat Virginia von einer neuartigen Elektronenstreuungsmessung, die 0,831 Femtometer ergab, im Einklang mit dem kleineren Wert. 2026 stimmte auch eine präzise Untersuchung von gewöhnlichem Wasserstoff am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Deutschland mit diesem Wert überein, und ihre Autoren bezeichnen das Rätsel als gelöst.

Ein Baustein jedes Elements

Die Anzahl der Protonen im Kern bestimmt, um welches Element es sich bei einem Atom handelt. Jedes Atom mit einem Proton ist Wasserstoff, und jedes mit sechs ist Kohlenstoff. Ein Proton hat die 1.836-fache Masse eines Elektrons, weshalb die Protonen und Neutronen im Kern fast die gesamte Masse eines Atoms ausmachen.