質子

質子
	; 質子的夸克结构
分类	重子
组成	2個上夸克、1個下夸克
系	費米
基本相互作用	引力、電磁力、弱核力、強核力
符号	p, p+; , N+;
反粒子	反質子
理论	威廉·普勞特（1815）
发现	欧内斯特·卢瑟福（1917–1919，由他命名，1920）
质量	1.672621777(74)×10−27; kg; 938.272046(21) MeV/c2; 1.007276466812(90) u
平均寿命	>2.1×1029; 年（穩定）
电荷	+1 e; 1.602176565(35)×10−19; C
电荷半径	0.84087 fm
电偶极矩	<5.4×10−24; e·cm
电极化	1.20(6)×10−3; fm3
磁矩	1.410606743(33)×10−26; J·T−1; 1.521032210(12)×10−3; μB; 2.792847356(23) μN
磁极化	1.9(5)×10−4; fm3
自旋	1⁄2
同位旋	1⁄2
宇称	+1
简明对称性	I(JP) = 1⁄2(1⁄2+)

本文介绍的是物理学中的质子。關於被称为质子的人质，请参看「質子 (東亞政治)」。

質子（英语、法语、德语、西班牙语、拉丁语：Proton）是一種帶+1个基本电荷的亚原子粒子，半徑為0.84087飛米 ^[2]，質量是938 MeV/c²，即1.6726231 × 10^-27 kg，大約是電子質量的1836.5倍。質子屬於重子類，由兩個上夸克和一個下夸克通過膠子在強相互作用下構成。

原子核中質子數目決定其化學性質和它屬於何種化學元素。氫原子最常見的同位素¹H的原子核由一個質子構成。其它原子的原子核則由質子和中子在強相互作用下構成。

穩態[编辑]

主条目：質子衰變

至今為止質子被認為是一種穩定的、不衰變的粒子。但也有理論認為質子可能衰變，只不過其壽命非常長。到今天為止物理學家沒有能夠獲得任何可能理解為質子衰變的實驗數據。

水中的氢离子绝大多数都是水合質子。質子在化學和生物化學中起非常大的作用。根据酸碱质子理论，可以在水溶液中提供質子的物質一般被稱為酸，可以在水溶液中吸收質子的物質一般被稱為鹼。

然而，質子是通過中子的過程中電子捕獲。這一過程不會自發發生，但只有當能源供應。其計算公式：

$\mathrm{p}^+ + \mathrm{e}^- \rightarrow\mathrm{n} + {\nu}_e \,$

於此

p 是一個質子，

e 是一個電子，

n 是一個中子，而且

$\nu_e$ 是一個電中微子

這個過程是可逆的：中子可轉換回質子通過β-衰變，共同形成放射性衰變。事實上，在一個自由中子衰變這樣一個平均壽命約15分鐘。

历史[编辑]

欧内斯特·卢瑟福被公认为质子的发现人。1918年他任卡文迪許實驗室主任時，用α粒子轟擊氮原子核，注意到在使用α粒子轰击氮气时他的闪光探测器纪录到氢核的迹象。卢瑟福认识到这些氢核唯一可能的来源是氮原子，因此氮原子必须含有氢核。他因此建议原子序数为1的氢原子核是一个基本粒子。在此之前尤金·戈尔德斯坦（Eugene Goldstein）就已经注意到阳极射线是由正离子组成的。但他没有能够分析这些离子的成分。盧瑟福發現質子以後，又預言了不帶電的中子存在。

今時今日，以粒子物理學的標準模型理論為基礎而論，因為質子是複合粒子，所以不再被編入基本粒子的家族中。

应用[编辑]

在核物理中质子常被用来在加速器中加速到近光速后用来与其它粒子碰撞。这样的试验为研究原子核结构提供极其重要的数据。慢速的质子也可能被原子核吸收用来制造人造同位素或人造元素。

核磁共振技术使用质子的自旋来测试分子的结构。

化学中的质子[编辑]

原子序数[编辑]

在化学中, 一个原子的核所含的质子的个数被称为原子序数。原子序数决定了一个原子属於哪种元素。例如, 氯的原子序数是 17; 这意味着每个氯原子拥有 17 个质子, 并且所有拥有 17 个质子的原子都是氯原子。每个原子的化学性质是由其 (带负电的) 电子的个数决定的。对於中性的原子而言, 电子与 (带正电的) 质子个数相同, 所以总电荷量为零。比如, 中性的氯原子有 17 个质子和 17 个电子, 而带负电的氯离子 Cl⁻ 则有 17 个质子和 18 个电子, 总电荷量为 −1。

而所属元素相同的原子也未必完全一致, 因为它们可能分属中子数不同的同位素, 以及能级不同的核同质异能素。例如, 氯有两种稳定的同位素: 35
17Cl 有 35 − 17 = 18 个中子, 而 37
17Cl 则有 37 − 17 = 20 个中子。

氢离子[编辑]

参见：氢正离子

在化学中, “质子” 一词所指的是氢离子 H⁺。因为氢的原子序数是 1, 氢离子不带电子, 只有一个独立存在的、只由一个质子组成的原子核 (并且它最丰沛的同位素氕 1
1H 不含中子)。质子是一个 “赤裸的电荷”, 其半径仅相当於氢原子半径的 1/64,000, 所以化学反应性极强。在液体之类的化学系统中, 游离质子的生存时间很短; 它会立即与任何可以利用的分子的电子云反应。在水溶液中, 它形成水合氢离子; 水合氢离子又进一步被水分子溶解, 形成 [H₅O₂]⁺ 和 [H₉O₄]⁺ 之类的水合离子簇。^[3]

在酸–碱反应中发生的氢离子传递通常被称为 “质子传递”; 酸碱分别被称为质子的提供者和接收者。类似地, 生物化学中的 “质子泵” 和 “质子通道” 之类的术语, 所讨论的也是水合氢离子的运动。

将氘原子的电子移除得到的离子叫做氘离子; 氘离子不是质子。类似的结论对氚也成立。

质子核磁共振 (NMR)[编辑]

此外，在化学，“质子核磁共振”指的是氢原子核（主要是有机）分子核磁共振观察。此方法使用质子的自旋，其中有值的一半。名称检验质子是指发生在氕（氢原子）的化合物，并不意味着自由质子存在的化合物正在研究中。

反质子[编辑]

质子的反粒子是反质子，反质子是1955年埃米利奥·塞格雷（Emilio Gino Segrè）和欧文·张伯伦（Owen Chamberlain）发现的，两人为此获得了1959年的诺贝尔物理学奖。

注釋[编辑]

^ ^1.0 ^1.1 ^1.2 ^1.3 ^1.4 ^1.5 ^1.6 P.J. Mohr, B.N. Taylor, and D.B. Newell (2011), "The 2010 CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants" (Web Version 6.0). This database was developed by J. Baker, M. Douma, and S. Kotochigova. Available: http://physics.nist.gov/constants [Thursday, 02-Jun-2011 21:00:12 EDT]. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD 20899.
^ ^2.0 ^2.1 傳統認為質子直徑約1.6 to 1.7×10⁻¹⁵米。Weisstein, Eric. Proton -- from Eric Weisstein's World of Physics. Wolfram Research, Inc.. 1996-2007 [2007-01-16]. 。根據2013年發表的最新研究，質子的半徑為0.84087飛米。參閱此網站
^ Headrick, J.M.; Diken, E.G.; Walters, R. S.; Hammer, N. I.; Christie, R.A. ; Cui, J.; Myshakin, E.M.; Duncan, M.A.; Johnson, M.A.; Jordan, K.D. Spectral Signatures of Hydrated Proton Vibrations in Water Clusters. Science. 2005, 308 (5729): 1765–69. Bibcode:2005Sci...308.1765H. doi:10.1126/science.1113094. PMID 15961665.

參見[编辑]

外部連結[编辑]

[2010_CODATA-1] 1.0 ^1.1 ^1.2 ^1.3 ^1.4 ^1.5 ^1.6 P.J. Mohr, B.N. Taylor, and D.B. Newell (2011), "The 2010 CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants" (Web Version 6.0). This database was developed by J. Baker, M. Douma, and S. Kotochigova. Available: http://physics.nist.gov/constants [Thursday, 02-Jun-2011 21:00:12 EDT]. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD 20899.

[radius-2] 2.0 ^2.1 傳統認為質子直徑約1.6 to 1.7×10⁻¹⁵米。Weisstein, Eric. Proton -- from Eric Weisstein's World of Physics. Wolfram Research, Inc.. 1996-2007 [2007-01-16]. 。根據2013年發表的最新研究，質子的半徑為0.84087飛米。參閱此網站

[Headrick-3] Headrick, J.M.; Diken, E.G.; Walters, R. S.; Hammer, N. I.; Christie, R.A. ; Cui, J.; Myshakin, E.M.; Duncan, M.A.; Johnson, M.A.; Jordan, K.D. Spectral Signatures of Hydrated Proton Vibrations in Water Clusters. Science. 2005, 308 (5729): 1765–69. Bibcode:2005Sci...308.1765H. doi:10.1126/science.1113094. PMID 15961665.

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