质子

  质子(proton),是一种带 1.6 × 10-19 库仑(C)正电荷的亚原子粒子,直径约 1.6 to 1.7×10−15 m,质量是938百万电子伏特/c²(MeV/c²),即1.6726231 × 10-27 kg,大约是电子质量的1836.5倍。质子属于重子类,由两个上夸克和一个下夸克通过胶子在强相互作用下构成。
質子的內部結構圖
質子的內部結構圖
(左邊4幅圖片繪製:張嘉年)
  原子核中质子数目决定其化学性质和它属于何种化学元素。原子最常见的同位素1H的原子核由一个质子构成。其它原子的原子核则由质子和中子在强相互作用下构成。
  欧内斯特·卢瑟福被公认为质子的发现人。1918年他任卡文迪许实验室主任时,用α粒子轰击氮原子核,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。卢瑟福发现质子以后,又预言了不带电的中子存在。  今时今日,以粒子物理学的标准模型理论为基础而论,因为质子是复合粒子,所以不再被编入基本粒子的家族中。
  至今为止质子被认为是一种稳定的、不衰变的粒子。但也有理论认为质子可能衰变,只不过其寿命非常长。到今天为止物理学家没有能够获得任何可能理解为质子衰变的实验数据。
質子衰變模型圖
質子衰變模型圖
  中的氢离子绝大多数都是水合质子。质子在化学和生物化学中起非常大的作用。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碱。
  然而,质子是通过中子的过程中电子捕获。这一过程不会自发发生,但只有当能源供应。其计算公式:
    \mathrm{p}^+ + \mathrm{e}^- \rightarrow\mathrm{n} + {\nu}_e \,
質子,中子-互為衰變圖
質子,中子-互為衰變圖
   于此
  p 是一个质子,   e 是一个电子,   n 是一个中子,而且νe 是一个电子中微子
  这个过程是可逆的:中子可转换回质子通过β-衰变,共同形成放射性衰变。事实上,在一个自由中子衰变这样一个平均寿命约15分钟。
  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了极其重要的数据。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。
质子-内部结构模型图
质子-内部结构模型图
中子B衰變為質子(弱衰變)圖
中子B衰變為質子(弱衰變)圖