質子

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質子
Quark structure proton.svg
質子的夸克結構
分類 重子
組成 2個上夸克、1個下夸克
費米
基本交互作用 重力電磁力弱核力強核力
符號 p, p+
, N+
反粒子 反質子
理論 威廉·普勞特(1815)
發現 歐內斯特·拉塞福(1917–1919,由他命名,1920)
質量

1.672621777(74)×10−27 kg[1]
938.272046(21) MeV/c2[1]

1.007276466812(90) u[1]
平均壽命 >2.1×1029 年(穩定)
電荷 +1 e
1.602176565(35)×10−19 C[1]
電荷半徑 0.8408fm[2]
電偶極矩 <5.4×10−24 e·cm
電極化 1.20(6)×10−3 fm3
磁矩

1.410606743(33)×10−26 J·T−1[1]
1.521032210(12)×10−3 μB[1]

2.792847356(23) μN[1]
磁極化 1.9(5)×10−4 fm3
自旋 12
同位旋 12
宇稱 +1
簡明對稱性 IJP) = 12(12+

質子英語Proton)是一種帶+1個基本電荷亞原子粒子,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強交互作用下構成。

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。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交互作用下構成。

穩態[編輯]

質子一般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可以進行衰變,只不過其壽命非常長。物理學家至今仍沒有取得任何證明質子衰變的實驗數據。

中的氫離子絕大多數都是水合質子。質子在化學和生物化學中起到了非常大的作用。根據酸鹼質子理論,可以在水溶液中提供質子的物質一般被稱為,可以在水溶液中吸收質子的物質一般被稱為

質子可通過電子捕獲而轉變為中子。這一過程不會自發發生,而是在具有足夠能量時才會發生。該反應的公式為:

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

於此

p為質子,
e為電子,
n為中子,
\nu_e電微中子

這個過程是可逆的:中子可通過β-衰變轉換回質子,這是其中一種放射性衰變過程。事實上,所有自由中子都會衰變成質子,平均壽命為15分鐘。

歷史[編輯]

歐內斯特·拉塞福被公認為質子的發現人。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粒子轟擊氣時他的閃光探測器紀錄到核的跡象。拉塞福認識到這些氫核唯一可能的來源是氮原子,因此氮原子必須含有氫核。他因此建議原子序數為1的氫原子核是一個基本粒子。在此之前歐根·戈爾德斯坦Eugen Goldstein)就已經注意到陽極射線是由正離子組成的。但他沒有能夠分析這些離子的成分。拉塞福發現質子以後,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。

應用[編輯]

核物理中質子常被用來在加速器中加速到近光速後用來與其它粒子碰撞。這樣的試驗為研究原子核結構提供極其重要的數據。慢速的質子也可能被原子核吸收用來製造人造同位素或人造元素

核磁共振技術使用質子的自旋來測試分子的結構。

化學中的質子[編輯]

原子序數[編輯]

化學中,一個原子所含的質子的個數被稱為原子序數。原子序數決定了一個原子屬於哪種元素。例如, 的原子序數是 17;這意味著每個氯原子擁有17 個質子,並且所有擁有17 個質子的原子都是氯原子。每個原子的化學性質是由其 (帶負電的) 電子的個數決定的。對於中性的原子而言,電子與 (帶正電的) 質子個數相同,所以總電荷量為零。比如,中性的氯原子有17 個質子和17 個電子,而帶負電的氯離子Cl則有17 個質子和18 個電子,總電荷量為 −1。

而所屬元素相同的原子也未必完全一致,因為它們可能分屬中子數不同的同位素,以及能級不同的核同質異能素。例如,氯有兩種穩定的同位素:35
17
Cl
有35 − 17 = 18 個中子,而37
17
Cl
則有37 − 17 = 20 個中子。

氫離子[編輯]

在化學中,「質子」一詞所指的是氫離子H+。因為氫的原子序數是 1,氫離子不帶電子,只有一個獨立存在的、只由一個質子組成的原子核(並且它最豐沛的同位素氕 1
1
H
不含中子)。質子是一個「赤裸的電荷」,其半徑僅相當於氫原子半徑的1/64,000,所以化學反應性極強。在液體之類的化學系統中,游離質子的生存時間很短;它會立即與任何可以利用的分子的電子云反應。在水溶液中,它形成水合氫離子;水合氫離子又進一步被水分子溶解,形成[H5O2]+和[H9O4]+之類的水合離子簇。[3]

酸–鹼反應中發生的氫離子傳遞通常被稱為「質子傳遞」;酸鹼分別被稱為質子的提供者和接收者。類似地, 生物化學中的「質子泵」和「質子通道」之類的術語,所討論的也是水合氫離子的運動。

原子的電子移除得到的離子叫做氘離子;氘離子不是質子。類似的結論對也成立。

質子核磁共振(NMR)[編輯]

此外,在化學,「質子核磁共振」指的是氫原子核(主要是有機)分子核磁共振觀察。此方法使用質子的自旋,其中有值的一半。名稱檢驗質子是指發生在氕(氫原子)的化合物,並不意味著自由質子存在的化合物正在研究中。

反質子[編輯]

質子的反粒子反質子,反質子是1955年埃米利奧·塞格雷Emilio Gino Segrè)和歐文·張伯倫Owen Chamberlain)發現的,兩人為此獲得了1959年的諾貝爾物理學獎

注釋[編輯]

  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.
  2. ^ 2.0 2.1 傳統認為質子直徑約1.6 to 1.7×10−15Weisstein, 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
  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. 

參見[編輯]

外部連結[編輯]