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质子

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质子
Proton quark structure.svg
质子夸克结构的简单示意图,每个单独夸克的颜色可以随意设定,但是必须用到三种不同颜色,混合成为白色。
分类重子
组成2个上夸克、1个下夸克
费米
基本相互作用引力电磁力弱核力强核力
符号
p
,
p+
, H+
反粒子反质子
理论威廉·普劳特英语William Prout(1815)
发现欧内斯特·卢瑟福(1917–1919)
质量1.67262192369(51)×10−27 kg[1]

938.2720813(58) MeV/c2[1]

1.007276466879(91) u[2]
平均寿命>2.1×1029 年(稳定)
电荷+1 e
1.6021766208(98)×10−19 C[1]
电荷半径0.8751(61) fm[1]
电偶极矩<5.4×10−24 e·cm
电极化1.20(6)×10−3 fm3
磁矩1.4106067873(97)×10−26 J·T−1[1]

1.5210322053(46)×10−3 μB[1]

2.7928473508(85) μN[1]
磁极化1.9(5)×10−4 fm3
自旋12
同位旋12
宇称+1
简明对称性IJP) = 12(12+

质子(英语:Proton,日韩汉字称作阳子、阳性子),是一种带有1个单位电荷正电的稳定强子,通常标记为
p

p+
。每个原子原子核内部至少会含有一个质子,质子的数量称为原子序数;另外,还可能含有中子,这些质子与中子都被称为核子。由于每种元素的原子都含有独特数量的质子,每种元素具有独特的原子序数。

粒子物理学的现代标准模型里,质子是由两个上夸克与一个下夸克组成的强子。夸克的静质量只贡献出大约1%质子质量,剩余的质子质量主要源自于夸克的动能与捆绑夸克的胶子场英语gluon field的能量。[4]:21-22

因为质子是由三个夸克组成,质子不是基本粒子,质子具有物理尺寸,但这尺寸并不能完美良好定义,由于质子的表面很模糊,因为这表面是由作用力的影响来定义,而这作用力不会突然终止。质子的半径(更仔细地说,电荷半径英语charge radius)大约为0.84–0.87飞米[5]

自由质子是不与其它核子或电子结合在一起的质子。自由质子很稳定,尚未被观察到自发衰变成其它种粒子。质子与电子之间会相互亲和,但当能量或温度高到足以将质子与电子分离之时,就可以自然地找到自由质子。在等离子体里,温度非常高,质子无法与电子结合在一起,因此自由质子可以存在。在太空里,传播了星际距离的宇宙线,其成分有90%是具有高能量与高动量的自由质子。自由中子不稳定,会进行衰变,这过程的产物是质子、电子与反中微子

物理性质

未解决的物理学问题在质子内部的夸克与胶子怎样贡献出质子的自旋?
Question mark2.svg

质子是自旋为½的费米子,是由三个夸克组成,因此是一种重子。在这三个夸克之中,有两个是上夸克,一个是下夸克,它们被由胶子传递的强相互作用捆绑在一起。[6]:214[4]:21-22从现代角度来看,更仔细地说明,质子是由三个价夸克(两个上夸克,一个下夸克)、胶子与短暂存在的海夸克对组成。[7] 质子的正电荷呈指数递减分布,离质心越远,密度越低,方均根半径约为0.8飞米[8]:155

在原子核里的质子与中子都被称为核子,它们被核力捆绑在原子核内部。[9] 元素的原子核只有一个质子;在它的所有同位素之中,最常见的是氢-1,符号为1H或“H”,它的原子核不含有任何中子,是个孤寂的质子。另外还有两种较重的天然同位素,重氢2HD超重氢3HT,它们的原子核分别拥有一个与两个中子。所有其它种元素的原子核都是由至少两个质子与各种数量个中子所组成。[10]

稳定性

未解决的物理学问题质子是否基本稳定?质子会不会衰变,它的寿命是否有限,如同标准模型的一些延伸理论预测?
Question mark2.svg

质子极为稳定,不会自行衰变,至今为止,还没有任何实验观察到质子的自发性衰变。但是,在粒子物理学里,有些大统一理论主张,质子衰变应该会发生,例如,格拉肖-乔吉模型英语Glashow-Georgi声称,对于衰变管道
p+

e+
+
π0
平均寿命低于1032 年[11]有些理论预测,质子平均寿命低于1036 年[12][13] [14]

在日本的超级神冈探测器完成的实验,对于衰变成反μ子中性
π
介子
,给出质子平均寿命下限为6.6×1033 年,对于衰变成正子与中性
π
介子,给出质子平均寿命下限为8.2×1033 年[11]在加拿大的萨德伯里中微子观测站进行的一项实验,寻找从氧-16的质子衰变过程所产生的剩余核子所发射出的伽马射线。这实验建立了质子寿命下限为2.1×1029 年[15]

通过电子捕获过程(又称为逆贝塔衰变),
p+
+
e

n
+
ν
e
,质子可以变为中子。对于自由质子,这过程不会自发性发生,必需提供足够能量。

电子捕获过程是可逆的。通过贝塔衰变
n

p
+
e
+
ν
e
,中子可以变为质子。这是一种常见的放射性衰变。实际而言,自由中子就是按照这模式衰变,平均寿命大约为15分钟。

质量

量子色动力学里,使用狭义相对论,可以解释质子或中子怎样获得它所具有的大部分质量。 质子质量大约比组成它的夸克的静质量还重80–100倍,而胶子的静质量为零;与在量子色动力学真空英语QCD vacuum里的夸克静质量相比,在质子内部的夸克与胶子所拥有的额外能量,贡献出大约质子质量的99%。质子质量是由移动夸克与移动胶子组成的系统整体所具有的不变质量;在这种系统里,甚至连零质量粒子的能量仍旧被视为整个系统的静质量。

当论及组成质子的夸克所呈现的质量时,常会用到两个术语:“流夸克英语current quark质量”指的是夸克本身内秉的质量,“组分夸克英语constituent quark质量”指的是流夸克质量加上在流夸克四周胶子场的质量[16]:285-286[17]:150-151。这两种质量通常具有不同数值。质子质量大部分来自于将几个流夸克结合在一起的胶子。虽然胶子内秉的质量为零,它们具有能量,更具体地,它们具有量子色动力学结合能,这能量贡献出很大部分的质子质量。质子的三个价夸克的静质量只贡献出9.4MeV,而质子质量大约为938MeV,剩余的质量归因于胶子的量子色动力学结合能。[18][19][20]

质子内部的动力学行为很复杂,因为涉及到夸克与夸克之间的胶子交换,又涉及到夸克与各种真空凝聚态彼此之间的相互作用。晶格量子色动力学英语lattice QCD可以从理论直接计算出质子的质量,原则而言,可以达到任意准确性。近期完成的一次电脑计算声称,获得结果准确至误差小于4%,甚至已达误差小于1%[21]。但是,这声称可能仍具争执性,因为计算所使用的夸克质量比实际质量还重;这意味着是倚赖外推法,将晶格从有限值外推至零,才能达到如此准确的预测结果,因此可能会造成系统误差[22]。很难说这些误差已被正确控制,因为计算出的物理量是强子质量,而物理学者先前已知道这些物理量的数值了。

这些近期计算是由大型超级电脑完成。有些物理学者认为,对于核子结构的详细描述仍旧缺乏,因为远距离行为要求非摄动与/或数值处理[23]。除了上述方法以外,还有一些更为概念性的方法。例如,原本由东尼‧斯科姆英语Tony Skyrme给出的拓扑孤立子英语topological soliton方法[24]、更为准确的AdS/QCD方法英语AdS/QCD涉及到胶子的弦理论[25]、像口袋模型组分夸克模型英语constituent quark model一类在1980年代非常流行的各种量子色动力学启发的模型[26]:258-263[27]:191-193、 允许粗算近似质量的量子色动力学总和守则英语QCD Sum Rules[28]。这些方法的准确性低于注重蛮力式计算的晶格量子色动力学英语lattice QCD方法,至今为止,尚未能达到同样的准确性。

电荷半径

未解决的物理学问题质子真实的电荷半径为何?
Question mark2.svg

根据国际组织科学与技术数据委员会英语Committe on Data for Science and Technology2008年资料,质子的电荷半径为0.8768(69) fm。这是从对由质子与电子形成的氢原子做实验,测量兰姆位移而得到的结果。2010年7月,保罗·谢勒研究院英语Paul Scherrer Institute研究团队对由质子与μ子形成的奇异原子做测量实验,经过仔细分析兰姆位移数据,得到方均根电荷半径为0.84184(67) fm;与国际标准数值0.8768(69) fm相差5个标准差[29]2013年1月,同样团队发布,更新质子电荷半径为0.84087(39) fm;精密度是先前的1.7倍,但与国际标准数值相差7个标准差;另外,质子的磁半径为0.87(6)飞米,与先前测量数值相同。[30]

这问题被称为“质子半径之谜”。为了解答这问题,保罗·谢勒研究院英语Paul Scherrer Institute研究团队现正尝试解释不一致之处,并且重新检察先前高精密度测量与复杂计算。假若没有在测量或计算方面发现任何错误,则可能必须重新检察现今世界最精密与经过最严格测试的量子电动力学。[31][32]

自由质子

不与其它核子或电子结合在一起的质子称为自由质子。虽然带正电的质子与带负电的电子彼此之间具有亲和性,自由质子的动能必须足够低弱,才能与电子结合在一起,成为束缚质子,因为这是一种相当低能量的相互作用。这结合动作并不会改变其质子属性,束缚质子仍旧是质子。一个以高速度移动的质子,在通过物质时,会因为与电子和核子的相互作用而使得其速度减慢,失去其能量,直到质子的速度足够缓慢,能够被正常原子(不具有等离子体性质)的电子云俘获。这种形成分子的机制称为“质子化”机制。在化学里,这种分子时常会变成布朗斯特酸

在真空里,假设存在有自由电子,则移动速度足够缓慢的质子可能会吸引到一个自由电子,从而形成一个中性的氢原子,具有自由基的化学性质。这种“自由氢原子”,只需要很低的能量,很容易就会与其它原子产生化学反应。假设两个自由氢原子彼此产生反应,它们会形成中性的氢分子(H2),这是在星际空间分子云里最常见的分子成分。在地球实验室里,氢分子是很方便的质子源,可以用于质子疗法英语proton therapy所需的加速器或任何需要将质子加速的强子粒子物理学实验,例如大型强子对撞机

在太空里,传播了星际距离的宇宙线,其成分有90%是具有高能量与高动量的自由质子。在能量方面,这些质子通常高于太阳风质子,但是在辐照度方面,它们比太阳风质子均匀很多,变化较少。太阳质子事件会强烈影响太阳风质子的制成,例如日冕物质抛射

反质子

CPT对称对于粒子与反粒子之间的相互性质给出强列约束,因此可以严格检试。例如,质子与反质子所带有的电荷必需总和为零。这个等号关系已被检试至1/108。它们所带有的质量必须相等,这个等号关系也已被检试至优于1/108[33][34]对于囚禁在彭宁阱内的反质子做实验测量荷质比,这个等号关系更被检试至1/6×109[35]对于反质子的磁矩所产生的误差为8×10−3核子玻尔磁子,测量数值的绝对值与质子的相等。

化学中的质子

原子序数

化学里,一个原子原子核所含有的质子数量是这原子的原子序数,它决定了一个原子属于哪种元素。例如,的原子序数是17;这意味着每个氯原子拥有17 个质子,所有拥有17 个质子的原子都是氯原子。每种元素的化学性质跟其原子所拥有电子的数量有关。对于中性的原子而言,带负电的电子与带正电的质子两者数量相等,总电荷量为零。例如,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。

虽然两个原子同属一个元素,它们未必完全相同,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
17
Cl
有35 − 17 = 18 个中子,而37
17
Cl
则有37 − 17 = 20 个中子。

氢离子

氢-1原子是最常见的氢同位素,它是由一个质子与一个电子组成,不含有中子。氢-1离子H+是氢-1原子失去了它唯一的电子后的产物,它就是一个质子。在化学里,术语质子与氢离子同义。
氢-1原子是最常见的氢同位素,它是由一个质子与一个电子组成,不含有中子。氢-1离子H+
是氢-1原子失去了它唯一的电子后的产物,它就是一个质子。在化学里,术语质子与氢离子同义。

在化学里,“质子”这术语指的是氢离子H+
。因为氢的原子序数是 1,氢离子不带电子,它的原子核只含有一个质子(并且它最丰沛的同位素氕 1
1
H
不含中子)。质子是一个“赤裸的电荷”,其半径仅相当于氢原子半径的1/64,000,所以化学反应性极强。在液体之类的化学系统中,自由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H3O+;水合氢离子又进一步被水分子溶解,形成曾德尔阳离子[H5O2]+和艾根阳离子[H9O4]+之类的水合离子团簇。[36]

酸–碱反应中发生的氢离子H+
传递通常被称为“质子传递”;根据酸碱质子理论,可以在水溶液中提供质子的物质一般被称为,可以在水溶液中吸收质子的物质一般被称为;酸、碱分别被称为质子的“给体”和“受体”。类似地,生物化学中的“质子泵英语proton pump”和“质子通道英语proton channel”之类的术语,所讨论的也是水合氢离子的运动。

氢-2原子的电子移除得到的离子叫做氢-2离子;由于含有一个中子,氢-2离子不是质子。类似的结论对氢-3也成立。

质子核磁共振

在化学里,“质子核磁共振”指的是对于在分子(主要是有机分子)里的氢-1原子核做核磁共振观察。由于质子感受到的屏蔽效应或质子的自旋-自旋耦合核磁共振谱会出现不同特征,这可以用来研究样品分子的结构。此方法的名称是指对于在化合物里的氢-1原子核(即质子)做核磁共振检试,并不意味着自由质子存在于该化合物。[37][38]:Ch 3阿波罗月表实验包英语Apollo Lunar Surface Experiments Package测量太阳风发现,多过95%的太阳风粒子是电子或质子,两者数量大约一样:[39]

由于太阳风谱仪具有持续测量的功能,它可以仔细观察地球磁场怎样影响抵达的太阳风粒子。对于月球而言,它的轨道有三分之二部分是在地球磁场以外,在这区域,通常质子密度为10至20每立方公分,大多数质子的速度在400至650公里每秒。每个月大约有五天时间,月球是在地球的地磁尾里,在这区域里,通常探测不到太阳风粒子。剩下时间,月球是在一种知名为磁层鞘的过渡区域,在这区域里,地球磁场影响太阳风,但是不会完全将它隔绝,粒子通量被减低,通常质子速度为250至450公里每秒。在月球夜晚期间,谱仪被月亮遮挡,不会被太阳风吹到,因此不会测量到太阳风粒子。[39]

学术研究历史及未来研究方向

经过很长一段时期,类似氢原子的粒子参与组成了其他原子的概念才被发展出来。在1815年,英国自然神学家威廉·普劳特英语William Prout假设所有原子都是由氢原子构成,这是由于普劳特注意到各种气体的密度大约为氢气密度的整数倍数。[a][40]这被称为普劳特假设英语Prout's hypothesis的提议启发物理学者进一步论述,完成很多更精确的相关实验,改善出原子量的概念,并且测得准确的原子量,也证实了普劳特的假设是不正确的。[41]:39-421886年,德国物理学家欧根·戈尔德斯坦发现阳极射线英语anode ray,并且展示出它们是由气体产生的带正电粒子所形成。但是,因为从不同气体产生的粒子拥有不同的荷质比,它们不能被归根为单独一种粒子,在这方面,这粒子与约瑟夫·汤姆孙所发现的电子不同,从不同气体产生的“电子”拥有相同的荷质比[42]:4

英国物理学家约瑟夫·汤姆孙发现带负电的电子,暗示中性的原子内也应该存在一些带正电荷的粒子,提出原子应该是一个带正电且电荷均匀分布的圆球,而电子则像梅子分散在布丁上,并在1903年提出“梅子布丁模型”。日本物理学家长冈半太郎反对汤姆孙的模型,并指出相反电荷间是无法穿透的。于是,长冈半太郎在同年独立提出原子的准行星模型,称为“半太郎土星模型”,带正电子的核心在原子中间,周围环绕着若干电子,类似土星和土星环的状况。。长冈半太郎建议电子的轨道就像土星环,这是从苏格兰学者詹姆斯·麦克斯韦的土星环稳定理论获得的灵感,[43][44]:22-23土星环能稳定存在是因为土星质量极大。“半太郎模型”预言原子存在一个质量极大的原子核(类似极大质量的行星)。这项预测被新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福在1911年进行的粒子撞击实验确认。欧内斯特·卢瑟福在1911年一篇论述“卢瑟福模型”的论文里,提到了长冈半太郎的半太郎模型英语Nagaoka model。半太郎模型亦预言了质子的存在,但长冈半太郎并没有明确地说明质子的存在。直至欧内斯特·卢瑟福在1917年至1925年间以多项粒子撞击实验,例如使用α粒子撞击原子能成功提取原子,证明原子核存在于其他更重的原子核内,质子才被主流认为确实存在。由于这重要结果,卢瑟福被认为是“质子的发现者”。最后由丹麦物理学家尼尔斯·玻尔于1913年提出更完善的“玻尔模型”,首次引入量子化的概念来研究原子内电子的运动,对于计算氢原子光谱的里德伯公式给出理论解释。

卢瑟福的粒子撞击实验研究出怎样从α粒子氮气的碰撞制成氢原子核,并且找到能够辨识与分离氢原子核射线的方法:恰当厚度的箔纸能够阻挡α射线,只让氢原子核射线通过,当这些氢原子核击撞于硫化锌时会产生闪烁信号,显示出氢原子核的位置,在磁场里,氢原子核有其特征的轨道,借此可以肯定其身份。卢瑟福在做实验时注意到,当α射线入射于空气之时,闪烁器会显示出氢原子核抵达某特征位置。经过多次实验,卢瑟福追踪到是因为空气中的氮原子造成这现象,当α射线入射于纯氮气之时,产生的现象更为明显,氧气二氧化碳水蒸气等等都不会造成这现象。卢瑟福推断,氢原子核只能够源自于氮原子,因此,氮原子肯定含有氢原子核;当α粒子撞击于氮原子时,会从氮原子里击撞出一个氢原子核。这是首次被公布的核子反应。后来,于 1924年,使用云室,证实这反应为 14N + α → 17O + p [45]:97-98[46]:175-176。卢瑟福已经知道氢是最简单与质量最轻的元素。威廉·普劳特英语William Prout的假设对他的思维产生很大的影响。氢原子核以基础粒子的角色存在于所有其它原子核是一个重要发现,这发现促使卢瑟福为氢原子核取了一个特别名字,因为他怀疑质量最轻的氢原子只含有一个这种粒子。他命名这新发现的基础粒子为“proton”,这名字来自于希腊字“πρῶτον”,意思是“第一”。可是,卢瑟福也想到普劳特给出的术语“protyle”。[b][c][49]

注释

  1. ^ 普劳特用英语称氢原子为"protyle",其原本拉丁文的意思为基础物质。与质子的英文术语"proton"很近。
  2. ^ 在一篇1921年论文内的脚注里,卢瑟福报告,这术语已被不列颠科学协会接受。[47]
  3. ^ 亚伯拉罕·派斯表示,他认为“proton”术语的科学使用最早出现在Nature, 106: 357, 1920的一篇文章。[48]:296

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