質子(英語:Proton)是一種帶有1個單位電荷正電的穩定強子,通常標記為p或p+。
每個原子的原子核內部至少會含有一個質子,質子的數量稱為原子序數;
另外,還可能含有中子,這些質子與中子都被稱為核子。
由於每種元素的原子都含有獨特數量的質子,每種元素具有獨特的原子序數。
1917年,歐內斯特·拉塞福做實驗發現,使用α粒子撞擊氮原子核,可以提取氫原子核。
拉塞福因此推斷,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。
在粒子物理學的現代標準模型裏,質子是由兩個上夸克與一個下夸克組成的強子。
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源自於夸克的動能與綑綁夸克的膠子場的能量。
因為質子是由三個夸克組成,質子不是基本粒子,質子具有物理尺寸,但這尺寸並不能完美良好定義,
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)大約為0.84–0.87飛米。
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,這過程的產物是質子、電子與反微中子。
物理性質
未解決的物理學問題:在質子內部的夸克與膠子怎樣貢獻出質子的自旋?
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。
從現代角度來看,更仔細地說明,質子是由三個價夸克(兩個上夸克,一個下夸克)、膠子與短暫存在的海夸克對組成。
質子的正電荷呈指數遞減分佈,離質心越遠,密度越低,方均根半徑約為0.8飛米。
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。
氫元素的原子核只有一個質子;在它的所有同位素之中,最常見的是氫-1,符號為1H或「H」,
它的原子核不含有任何中子,是個孤寂的質子。另外還有兩種較重的天然同位素,
重氫2H或D與超重氫3H或T,它們的原子核分別擁有一個與兩個中子。
所有其它種元素的原子核都是由至少兩個質子與各種數量個中子所組成。
質子衰變
未解決的物理學問題:質子是否基本穩定?
質子會不會衰變,它的壽命是否有限,如同標準模型的一些延伸理論預測?
質子極為穩定,不會自行衰變,至今為止,還沒有任何實驗觀察到質子的自發性衰變。
但是,在粒子物理學裡,有些大統一理論主張,質子衰變應該會發生,例如,格拉肖-喬吉模型聲稱,
對於衰變管道p+→e+
+π0
,平均壽命低於10
(32次方
)
年,有些理論預測,質子平均壽命低於10(36次方)
年。
在日本的超級神岡探測器完成的實驗,對於衰變成反緲子與中性π介子,給出質子平均壽命下限為6.6×10(33次方)
年,
對於衰變成正子與中性π介子,給出質子平均壽命下限為8.2×10(33次方)
年。
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2.1×10(29
)年.
通過電子捕獲過程(又稱為逆貝他衰變),p+ + e− → n + νe ,質子可以變為中子。
對於自由質子,這過程不會自發性發生,必需提供足夠能量。
電子捕獲過程是可逆的。通過貝他衰變,n → p + e− + νe,中子可以變為質子。
這是一種常見的放射性衰變。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。
自由質子
不與其它核子或電子結合在一起的質子稱為自由質子。
雖然帶正電的質子與帶負電的電子彼此之間具有親和性,自由質子的動能必須足夠低弱,
才能與電子結合在一起,成為束縛質子,因為這是一種相當低能量的交互作用。
這結合動作並不會改變其質子屬性,束縛質子仍舊是質子。
一個以高速度移動的質子,在通過物質時,會因為與電子和核子的交互作用而使得其速度減慢,失去其能量,
直到質子的速度足夠緩慢,能夠被正常原子(不具有電漿性質)的電子雲俘獲。
這種形成分子的機制稱為「質子化」機制。在化學裡,這種分子時常會變成布朗斯特酸。
在真空裏,假設存在有自由電子,則移動速度足夠緩慢的質子可能會吸引到一個自由電子,
從而形成一個中性的氫原子,具有自由基的化學性質。
這種「自由氫原子」,只需要很低的能量,很容易就會與其它原子產生化學反應。
假設兩個自由氫原子彼此產生反應,它們會形成中性的氫分子(H2),這是在星際空間的分子雲裏最常見的分子成分。
在地球實驗室裏,氫分子是很方便的質子源,
可以用於質子療法所需的加速器或任何需要將質子加速的強子粒子物理學實驗,例如大型強子對撞機。
化學中的質子
原子序數
在化學裏,一個原子的原子核所含有的質子數量是這原子的原子序數,它決定了一個原子屬於哪種元素。
例如,氯的原子序數是17;這意味著每個氯原子擁有17
個質子,所有擁有17
個質子的原子都是氯原子。
每種元素的化學性質跟其原子所擁有電子的數量有關。
對於中性的原子而言,帶負電的電子與帶正電的質子兩者數量相等,總電荷量為零。
例如,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。
雖然兩個原子同屬一個元素,它們未必完全相同,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
氫正離子
氫-1原子是最常見的氫同位素,它是由一個質子與一個電子組成,不含有中子。
氫-1離子H+是氫-1原子失去了它唯一的電子後的產物,它就是一個質子。
在化學裡,術語質子與氫離子同義。
在化學裏,「質子」這術語指的是氫離子H+。因為氫的原子序數是 1,氫離子不帶電子,
它的原子核只含有一個質子(並且它最豐沛的同位素氕 11H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,自由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H3O+;水合氫離子又進一步被水分子溶解,
形成曾德爾陽離子[H5O2]+和艾根陽離子[H9O4]+之類的水合離子團簇。
在酸–鹼反應中發生的氫離子H+傳遞通常被稱為「質子傳遞」;
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酸,可以在水溶液中吸收質子的物質一般被稱為鹼;
酸、鹼分別被稱為質子的「給體」和「受體」。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。
將氫-2原子的電子移除得到的離子叫做氫-2離子;由於含有一個中子,氫-2離子不是質子。
類似的結論對氫-3也成立。
在太空裏的質子
阿波羅月表實驗包測量太陽風發現,多過95%的太陽風粒子是電子或質子,兩者數量大約一樣:
由於太陽風譜儀具有持續測量的功能,它可以仔細觀察地球磁場怎樣影響抵達的太陽風粒子。
對於月球而言,它的軌道有三分之二部分是在地球磁場以外,
在這區域,通常質子密度為10至20每立方公分,大多數質子的速度在400至
每個月大約有五天時間,月球是在地球的地磁尾裏,在這區域裏,通常探測不到太陽風粒子。
剩下時間,月球是在一種知名為磁層鞘的過渡區域,在這區域裏,地球磁場影響太陽風,但是不會完全將它隔絕,
粒子通量被減低,通常質子速度為250至
在月球夜晚期間,譜儀被月亮遮擋,不會被太陽風吹到,因此不會測量到太陽風粒子。
質子也可能源自於太陽系外的太空。在銀河系的宇宙線裏,質子佔有大約90%的全部粒子通量。
在能量方面,這些質子通常高於太陽風質子,但是在輻照度方面,
它們比太陽風質子均勻很多,變化較少。太陽質子事件會強烈影響太陽風質子的製成,例如日冕物質拋射。