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·普勞特英語William Prout(1815)
發現 歐內斯特·拉塞福(1917–1919)
質量

1.672621777(74)×10−27 kg[1]
938.272046(21) MeV[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 0.8775(51) fm[1]
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)是一種帶有1個單位電荷正電的穩定亞原子粒子,通常標記為pp+
。每個子的原子核內部都會含有一個或一個以上質子,另外,還可能含有中子,這些質子與中子都被稱為核子,質子的數量稱為原子數。由於每種元素的原子都含有獨特數量的質子,每種元素也有獨特的原子數。

1917年,歐內斯特·拉塞福做實驗發現,從碰撞原子核,可以提取出原子核,因此,氫原子核是氮原子核與所有更重的原子核的基礎材料。由於這重要結果,拉塞福被公認為質子的發現者。

粒子物理學的摩登標準模型裏,質子是一個強子,是由三個夸克組成,兩個上夸克與一個下夸克。夸克的靜質量只貢獻出大約1%質子質量,剩餘的質子質量主要歸屬於夸克的動能與綑綁夸克的膠子場英語gluon field的能量。[2]:21-22

質子不是基本粒子,質子具有物理尺寸,但這尺寸並不是完美良好定義的,由於質子的表面很模糊,因為這表面是由作用力的影響來定義,而這作用力不會突然終止。質子的半徑(更仔細地說,電荷半徑英語charge radius)大約為0.84–0.87飛米[3]

自由質子是不與其它核子或電子結合在一起的質子。自由質子很穩定,尚未被觀察到自發衰變成其它種粒子。質子與電子之間會相互親和,但當能量或溫度高到足以將質子與電子分離之時,就可以自然地找到自由質子。在電漿裏,溫度非常高,質子無法與電子結合在一起,因此自由質子可以存在。在太空裏,傳播了星際距離的宇宙線,其成分有90%是具有高能量與高動量的自由質子。自由中子不穩定,會進行衰變,質子、電子與反微中子是中子的衰變產物。

使用最新科技,從由質子與緲子結合而成的奇異氫原子雷射光譜,可以推算出,質子的半徑為0.84087飛米[4]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。

簡述[編輯]

質子是自旋為½的費米子,是由三個夸克組成,因此是一種重子。在這三個夸克之中,有兩個是上夸克,一個是下夸克,它們被由膠子傳遞的強交互作用綑綁在一起。[5]:214[2]:21-22從摩登角度來看,質子是由三個價夸克英語valence quark(兩個上夸克,一個下夸克)、膠子與短暫存在的海夸克對組成。質子的正電荷分佈呈指數衰變型,方均根半徑約為0.8飛米[6]:155

在原子核裏的質子與中子都被稱為核子,它們被核力綑綁在原子核內部。元素只有一個質子;它最常見的同位素沒有任何中子,它的原子核是個孤寂的質子,這種同位素通常稱為「氫」,化學符號為「H」。氫原子的另外兩個較重的同位素,重氫2HD超重氫3HT,分別擁有一個與兩個中子。所有其它種元素都是由兩個或兩個以上質子與各種數量個中子所組成。

穩定性[編輯]

質子一般被認為是一種穩定的、不衰變的粒子。至今為止,還沒有任何實驗觀察到自由質子的自發性衰變。但是,在粒子物理學裡,有些大統一理論預測,質子衰變應該會發生,例如,格拉肖-喬吉模型英語Glashow-Georgi聲稱,對於衰變管道p+
e+
+π0
平均壽命低於1032 年[7]有些理論預測,質子平均壽命低於1036 年[8][9] [10]

在日本的超級神岡探測器完成的實驗,對於衰變為反緲子中性π介子,給出質子壽命的下限為6.6×1033 年,對於衰變為正子與中性π介子,給出質子壽命的下限為8.2×1033 年[7]在加拿大的薩德伯里微中子觀測站進行的一項實驗,尋找從氧-16的質子衰變過程所產生的剩餘核子所發射出的伽瑪射線。這實驗建立了質子壽命下限為2.1×1029 年.[11]

通過電子捕獲過程(逆貝他衰變),質子可以變換為中子。對於自由質子,這過程不會自發性發生,必需給予足夠能量才會發生。這過程以方程式表示為

p+
+ e
n + ν
e

電子捕獲過程是可逆的;通過貝他衰變,中子可以變換成質子。在學術界裏,這種放射性衰變時常被提到。實際而言,自由中子就是按照這模式衰變,平均壽命大約為15分鐘。

質子的質量[編輯]

在量子色動力學裡,質子與中子的質量大部分可以用狹義相對論來解釋。 質子的質量大約比它的組成夸克的靜質量還重80–100倍,而膠子的靜質量為零。在質子內部的夸克與膠子所擁有的額外能量貢獻出大約質子質量的99%。質子的質量是整個由移動夸克與膠子組成的系統所具有的不變質量。在這種系統裏,甚至連零質量粒子的能量仍舊被視為整個系統的靜質量。

當論及組成質子的夸克的質量時,常會用到兩個術語:「流夸克英語current quark質量」指的是夸克本身的質量,「組分夸克英語constituent quark質量」指的是流夸克質量加上在夸克四週膠子場的質量。[12]:285-286 [13]:150-151這兩種質量通常具有不同數值。質子的質量大部分來自於將幾個組分夸克結合在一起的膠子。雖然膠子內秉的質量為零,它們具有能量,更具體地,它們具有量子色動力結合能英語quantum chromodynamics binding energy,這能量貢獻出很大一部分的質子的質量。質子的質量大約為938MeV,在其中,三個價夸克的靜質量只貢獻出9.4MeV,剩餘的質量歸因於膠子的量子色動力結合能。[14][15][16]

質子內部的動力學行為很複雜,因為涉及到兩個夸克之間交換膠子,又涉及到夸克與各種真空凝聚體彼此之間的交互作用。晶格量子色動力學可以從理論直接計算出質子的質量,原則而言,準確至任意要求。近期完成的一次電腦計算聲稱,獲得結果準確至誤差小於4%,甚至已達誤差小於 1%。[17]但是,這聲稱可能仍具爭執性,因為計算所使用的夸克質量比實際質量輕。這意味著預測是倚賴外推法才達成的結果,這可能會造成系統誤差。[18]很難說這些誤差已被正確控制,因為計算出的物理量是強子的質量,而物理學者先前已知道這些物理量了。

這些近期計算努力倚賴大型超級電腦,有些物理學者認為,對於核子結構的詳細描述仍舊缺乏,因為遠距離行為要求非微擾與/或數值處理。[19]除了這方法以外,還有一些更為概念性的方法。例如,原本由東尼‧斯科姆英語Tony Skyrme給出的拓撲孤立子英語topological soliton方法、[20]更為準確的AdS/QCD方法英語AdS/QCD涉及到膠子的弦理論、[21]口袋模型英語bag model組分夸克模型英語constituent quark model一類在1980年代非常流行的各種量子色動力學啟發的模型、[22]:258-263[23]:191-193 允許粗算近似質量的量子色動力學總和守則英語QCD Sum Rules[24]這些方法的準確性低於比較蠻力式的晶格量子色動力學英語lattice QCD方法,至今為止,尚未能達到同樣的準確性。

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。[25]

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 1.7 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 W.N. Cottingham, D.A. Greenwood. An Introduction to Nuclear Physics. Cambridge University Press. 1986. ISBN 9780521657334. 
  3. ^ Proton size puzzle reinforced!. Paul Shearer Institute. 25 January 2013. 
  4. ^ 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
  5. ^ R.K. Adair. The Great Design: Particles, Fields, and Creation. Oxford University Press. 1989. ISBN 9780195060690. 
  6. ^ J.-L. Basdevant, J. Rich, M. Spiro. Fundamentals in Nuclear Physics. Springer. 2005. ISBN 0-387-01672-4. 
  7. ^ 7.0 7.1 H. Nishino et al. (Kamiokande collaboration). Search for Proton Decay via pe+
    π0
    and pμ+
    π0
    in a Large Water Cherenkov Detector. Physical Review Letters. 2009, 102 (14): 141801. arXiv:0903.0676. Bibcode:2009PhRvL.102n1801N. doi:10.1103/PhysRevLett.102.141801.
     
  8. ^ Buccella, F.; et al. An upper limit for the proton lifetime in SO(10). Physics Letters B. December 1989, 233 (1-2): 178–182. doi:10.1016/0370-2693(89)90637-0. 
  9. ^ Lee, Dae-Gyu; et al. Predictions for the proton lifetime in minimal nonsupersymmetric SO(10) models: An update. Physical Review D. Jan 1995, 51 (229). doi:10.1103/PhysRevD.51.229. 
  10. ^ Proton lifetime is longer than 1034 years. Kamioka Observatory. Nov. 2009. 
  11. ^ S.N. Ahmed et al. (SNO Collaboration). Constraints on nucleon decay via invisible modes from the Sudbury Neutrino Observatory. Physical Review Letters. 2004, 92 (10): 102004. arXiv:hep-ex/0310030. Bibcode:2004PhRvL..92j2004A. doi:10.1103/PhysRevLett.92.102004. PMID 15089201. 
  12. ^ A. Watson. The Quantum Quark. Cambridge University Press. 2004: 285–286. ISBN 0-521-82907-0. 
  13. ^ Timothy Paul Smith. Hidden Worlds: Hunting for Quarks in Ordinary Matter. Princeton University Press. 2003. ISBN 0-691-05773-7. 
  14. ^ W. Weise, A.M. Green. Quarks and Nuclei. World Scientific. 1984: 65–66. ISBN 9971-966-61-1. 
  15. ^ Ball, Philip. Nuclear masses calculated from scratch. Nature. Nov. 20, 2008 [Aug. 27, 2014]. doi:10.1038/news.2008.1246. 
  16. ^ Reynolds, Mark. Calculating the Mass of a Proton. CNRS international magazine (CNRS). Apr. 2009, (13) [Aug. 27, 2014]. ISSN 2270-5317. 
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  19. ^ Sigfrido Boffi & Barbara Pasquini. Generalized parton distributions and the structure of the nucleon. Rivista del Nuovo Cimento. 2007, 30. arXiv:0711.2625. Bibcode:2007NCimR..30..387B. doi:10.1393/ncr/i2007-10025-7. 
  20. ^ Gerald Edward Brown. Selected Papers with Commentary, of Tony Hilton Royle Skyrme. World Scientific. 20 April 1994. ISBN 978-981-279-592-2. 
  21. ^ Joshua, Erlich. Recent Results in AdS/QCD. Proceedings, 8th Conference on Quark Confinement and the Hadron Spectrum, September 1-6, 2008, Mainz, Germany. Dec. 2008 [Aug.2014]. 
  22. ^ F. J. Ynduráin. The Theory of Quark and Gluon Interactions: Third edition. Springer Science & Business Media. 1 January 1999. ISBN 978-3-540-64881-9. 
  23. ^ Griffiths, David J., Introduction to Elementary Particles. 2nd revised, WILEY-VCH. 2008, ISBN 978-3-527-40601-2 
  24. ^ Pietro, Colangelo; Alex, KhodjamirianShifman, M., ., QCD Sum Rules, a Modern Perspective, World Scientific. Oct. 2000 [Aug. 2014] 
  25. ^ 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]