质子

更新时间:2022-06-30

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1.6~1.7×10−15m,质量是938百万电子伏特/c²(MeV/c²),即1.672621637(83)×10-27千克,大约是电子质量的1836.5倍(电子的质量为9.10938215(45)×10-31千克),质子比中子稍轻(中子的质量为1.674927211(84)×10-27千克)。

基本信息

中文名质子
外文名proton
所属学科4022826296185172979
发现时间1918年
发现人4743373730673779301
所属粒子类型复合粒子

基本性质

相对质量:1.007

电荷:+1 元电荷(+ 1.602176634 × 10库仑)

粒子自旋:1/2

粒子磁矩:2.7928 单位核磁子

作用力:引力、电磁力、弱核力强核力

半衰期:最短为 10年(可视为稳定)

组成:两个上夸克、一个下夸克

质子数=原子序数(就是元素序号)=核外电子数,中子数=质量数-质子数

1.氧元素是第二周期的元素,所以氧原子只有2个电子层内从层2个,外层6个,共8个电子;而氧原子的质子数也是8个。符合核外电子数=质子数,所以氧原子本身是电中性的,不带电荷。

事实上所有的原子都是电中性的,都符合【质子数】=【原子序数】=【核电荷数】=【核外电子数】

2.每种物质中的原子的核外电子数一定是等于该原子的质子数,但是这并不是说这种结构是稳定的结构,这只是元素原子的一个特性。比如Na原子就非常不稳定,很容易失去一个电子变成Na+,带一个正电荷,达到稳定结构。注意此时带电荷是因为变成了离子。对于未失去电子的Na原子来说,还是符合核外电子数=质子数

发现过程

1919年,卢瑟福做了用α粒子轰击氮原子核的实验,实验装置如图所示,容器C里放有放射性物质A,从A射出的α粒子射到铝箔F上,适当选取铝箔的厚度,使容器C抽成真空后,α粒子恰好被F吸收而不能透过,在F后面放一荧光屏S,用显微镜册来观察荧光屏上是否出现闪光.通过阀门T往C里通进氮气后,卢瑟福从荧光屏S上观察到了闪光,把氮气换成氧气或二氧化碳,又观察不到闪光,这表明闪光一定是α粒子击中氮核后产生的新粒子透过铝箔引起的。

卢瑟福把这种粒子引进电场和磁场中,根据它在电场和磁场中的偏转,测出了它的质量和电量,确定它就是氢原子核,又叫做质子,通常用符号卢瑟福把这种粒子引进电场和磁场中,根据它在电场和磁场中的偏转,测出了它的质量和电量,确定它就是氢原子核,又叫做质子,通常用符号表示。

这个质子是α粒子直接从氮核中打出的,还是α粒子打进复核后形成的复核发生衰变 时放出的呢?为了弄清这个问题,英国物理学家布拉凯特又在充氮的云室里做了这个实验.如果质子是α粒子直接从氮核中打出的,那么在云室里就会看到四条径迹:放射α粒子的径 迹、碰撞后散射的.粒子的径迹、质子的径迹及抛出质子后的核的反冲径迹.如果 粒子打进氮核后形成一个复核,这复核立即发生衰变放出一个质子,那么在云室里就能看到三条径迹:入射α粒子的径迹、质子的径迹及反冲核的径迹.布拉凯特拍摄了两万多张云室照片,终于从四十多万条“粒子径迹的照片中,发现有八条产生了分叉.分叉的情况表明,这第二种设想是正确的.从质量数守恒和电荷数守恒可以知道产生的新核是氧17。

在云室的照片中,分叉后细而长的是质子的径迹,短而粗的是反冲氧核的径迹.

后来,人们用同样的方法使氟、钠、铝等核发生了类似的转变,并且都产生了质子.由于各种核里都能轰击出质子,可见质子是原子核的组成部分。

中子态的形成

在巨大的压力下,处于超固态的物质,使原来已经拥挤得紧紧的原子核和电子不能再紧了,这时候原子核只好被迫解散,从里面释放出质子与中子。从原子核里放出的质子,在极大压力下会与电子结合为中子。这样,物质的构造就发生了根本性的变化,原来由原子核和电子构造的物质,如今都变成了中子。这样的状态,就叫做“中子态”。

文学含义

解释

古代派往敌方或他国去的人质。多为王子或世子等出身贵族的人。秦始皇的父亲,战国燕太子丹都曾经做过质子。

秦始皇,名政。他是中国的第一个皇帝,是中国历史上一位极富传奇色彩的划时代的人物。他的父亲异人秦国的王孙,异人虽然生在帝王之家,但从小就被派往和秦国敌对的赵国,当了一名“质子”。而始皇帝赵政就是在父亲做质子这段期间出生在赵国的,出生后在赵国过了9年孤独的生活。

燕国太子丹则是因为在战国末期,燕国为了讨好秦国,而将太子丹送往秦国当质子。但太子丹不满在秦国受到的待遇,逃回了自己的国家。后在秦国攻打燕国之时,派荆轲刺秦王,失败后不久,即被燕王杀害。

历史典籍中的记录

《谷梁传·隐公八年》:“盟诅不及三王,交质子不及二伯。”

《魏书·蛮传》:“泰常八年,蛮王梅安率渠帅数千朝京师,求留质子以表忠款。”

王谠 《唐语林·政事下》:“大中初,云南朝贡,及西川质子,人数渐多。”

吴殳 《秦》诗:“质子妖姬货可居,六王未毕已邱墟。”

章炳麟 《訄书·弭兵难》:“说者曰:吾岂徒乞盟,将假贷于彼,而要之相率以衞我,则是以彼之金币为质子也。”

​科学含义

质子(proton)是一种带 1.602 × 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强相互作用下构成。

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。氢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。

稳态

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。

水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酸,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:

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。(右图片绘制:张嘉年)

历史

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。

反质子

质子的反粒子反质子,反质子是1955年埃米利奥·塞格雷(Emilio Gino Segrè)和欧文·张伯伦(Owen Chamberlain)发现的,两人为此获得了1959年的诺贝尔物理学奖。(右下图片绘制:张嘉年)

反质子的发现:正电子的发现证实了狄拉克反粒子理论,一些理论物理学家开始认真对待这一理论。1934年泡利与克拉夫证明,即使不能形成稳定的负能粒子海,也会有相应的反粒子存在。于是人们就开始寻找其他粒子的反粒子。早在1928年,狄拉克便预言了反质子的存在,但证实它的存在却花了20多年的时间。根据狄拉克的理论,反质子的质量与质子相同,所带电荷相反,质子与反质子成对出现或湮没,用两个普通的质子碰撞便可获得反质子,但反质子的产生阈能为6.8GeV。1954年,在加利福尼亚大学劳伦斯辐射实验室,建成了64亿电子伏的质子同步稳相加速器,这为寻找反粒子提供了条件。

1955年,张伯伦和塞格雷用上述加速器证实了前一年人们所观测的反质子的存在。由于反质子出现的机会极少,大约每1000亿高能质子的碰撞,才能产生数量很少的反质子,因而证实反质子的存在极为困难。1955年他们这个实验小组测到60个反质子。由于偶然符合本底不大,记数系统虽不算好,但较为可信。不久他们又发现反中子。尽管高能粒子打靶时也能产生反中子,但是由于反中子不带电,更难从其他粒子中鉴别出来。他们是利用反质子与原子核碰撞,反质子把自己的负电荷交给质子,或由质子处取得正电荷,这样,质子变成了中子,而反质子则变成了反中子。鲁比亚,C.在正反质子对撞机上进行几百吉电子伏的对撞实验,发现了现代弱电统一理论所预言的传力子,因而获得1984年度诺贝尔物理学奖。

首先说明的是,电子,质子,中子,都是基本粒子,都是客观存在。这些粒子所带的电荷,是它的一个属性,电荷不是基本粒子。那么粒子是否带有电荷,带什么性质的电荷,主要看这些粒子在电场中是否移动,向哪极移动。因为电子在电场中向正极移动,所以可以断定它带有负电荷,同理,判定质子带有正电荷而中子不带电荷。那么它们带有多少电荷呢,现在还不能确定它们所带电荷的绝对电量是多少,只是人为的规定一个质子所带的电量为一个单位的电量(简称一个单位的电荷),恰好一个电子所带的电量与一个质子所带的电量相等,只是电性相反。这也就是通常所说的电子带有一个负电荷(准确的说应该是:一个单位的负电荷)而质子带有一个正电荷(应该是一个单位的正电荷)。需要明确的是,电荷不是一个个的,而是电量的一种简单描述方法。

物理中的电子转移是在电流的作用下,由高端向低端移动,是外力的作用,与元素原子本身的性质无关。而化学中的电子转移,是不同原子之间自发的进行的,是元素原子本身性质所决定的。现在科学的发展,使人们发现了很多新的物质存在形式,正电子是确实存在的,它的质量以及许多性质都和电子无异,但所带电荷为正电荷,且轻子数为-1;同样,人们还在探索反质子,我们称正电子、反质子之类的物质叫反物质。正负电子一旦相遇,则发生湮灭,化为乌有,同时放出巨大能量,并产生光子

符号 p,H+

发现时间 1919年

发现者 欧内斯特·卢瑟福

一般性质

相对质量 1.007

电荷 +1 元电荷(+ 1.60217733 × 10^-19 库仑)

粒子自旋 1/2粒子磁矩 2.7928 单位核磁子

作用力引力、电磁力、弱核力、强核力

半衰期 最短为 1035 年(可视为稳定)

组成 两个上夸克、一个下夸克

理论

酸碱离子理论是阿累尼乌其斯(Arrhenius)根据他的电离学说提出来的。他认为在水中能电离出氢离子并且不产生其它阳离子的物质叫酸。在水中能电离出氢氧根离子并且不产生其它阴离子的物质叫碱。酸碱中和反应的实质是氢离子和氢氧根离子结合成水。这个理论取得了很大成功,但它的局限性也早就暴露出来,例如,气态氨与氯脂氢反应迅速生成氯化铵,这个酸碱中和反应并有水的生成;又如氨的水溶液显碱性,曾错误地认为NH3和H2O形成弱电解质NH4OH分子,然后离解出OH-+等。

由于阿累尼乌斯的酸碱离子理论不能解一些非水溶液中进行地酸碱反应等问题,1923年布朗特(Bronsted)提出了酸碱质子理论,把酸碱概念加以推广。酸碱质子理论认为凡是能给出质子的物质都是酸,凡是能与质子结合的物质都是碱。即酸是质子的给予体,碱是质子的接受体。这样,一个酸给出质子后余下的部分自然就是碱,因为它本身就是与质子结合的。

这种关系叫做酸碱的共轭关系,式中略去了HB和B可能出现的电荷。右边的碱是左边酸的共轭碱,左边的酸是右边碱的共轭酸,两者组成一个共轭酸碱对,它们只直差一个质子。从以上例子可以看出,酸和碱可以是分子,也可以是阳离子和阴离子。还可以看出,像HPO2-4这样的物质,既表现酸,也

表现为碱,所以它是两性物质。同理,H2O,HCO-3等也是两性物质。二、共轭酸碱的强弱共轭酸碱对的离解常数Ka和Kb之间有确定的关系。以HOAc为例推导如下:由于溶剂水的浓度不常数,所以它不出现在平衡常数式中。用KW表示[H3O+][OH-],KW称为水的离子积。这说明在一定温度下,水中的[H3O+]与[OH-]的乘积为一常数。所以 Ka·Kb=KW (2-7)24℃时KW值为1.0×10-14.这个关系说明,只知道了酸的离解常数Ka,就可以计算出它的共轭碱的Kb,反之亦然。Ka和Kb是成反比的,而Ka 和Kb正是反映酸和碱的强度,所以,在共轭酸碱对中,酸的强度愈大,其共轭碱的强度愈小;碱的强度愈大,其共轭酸的强度愈小。表2-6列出了一些共轭厔碱对的强度次序。共轭酸碱的强度次序酸性增强 共轭酸(HB) Ka(在水中) pKa(在水中)共轭碱(B)碱性增强H3O+ H2O H2C2O4 5.4×10-2 1.27 HC2O-4 H2SO3 1.54×10 1.81 HSO-3 HSO-4 1.20×10-2 1.92 SO2-4 H3PO4 7.51×10-3 2.12 H2PO-4 HNO2 4.6×10-4 3.37 NO-2 HF 3.53×10-4 3.45 F- HCOOH 1.77×10-4 3.75 HCOO- HC2O-4 5.4×10-5 4.27 C2O2-4 CH3COOH 1.76×10-5 4.75 CH3COO- H2CO3 4.30×10-7 6.37 HCO-3 HSO-3 1.02×10-7 6.91 SO2-3 H2S 9.1×10-8 7.04 HS- H2PO-4 6.23×10-8 7.21 HPO2-4 NH+4 5.68×10-10 9.25 NH3 HCN 4.93×10-10 9.31 CH- HCO-3 5.61×1011 10.25 CO2-3 H2O2 2.4×10-12 11.62 HO-2 HS- 1.1×10-12 11.96 S2- HPO2-4 2.2×10-13 12.67 PO3-4 H2O OH-

根据酸碱质子理论,酸碱在溶液中所表现出来的强度,不仅与酸碱的本性有关,也与溶剂的本性有关。我们所能测定的是酸碱在一定溶剂中表现出来的相对强度。同一种酸或碱,如果溶于不同的溶剂,它们所表现的相对强度就不同。例如HOAc在水中表现为弱酸,但在液氨中表现为强酸,这是因为液氨夺取质子的能力(即碱性)比水要强得多。这种现象进一步说明了酸碱强度的相对性。

三、酸碱反应酸碱质子理论中的酸碱反应是酸碱之间的质子传递。例如:这个反应无论在水溶液中、苯或气相中,它的实质都是一样的。HCL是酸,放出质子给NH3,然后转变成共轭碱CL-,NH3是碱,接受质子后转变成共轭酸NH4+。强碱夺取了强酸放出的质子,转化为较弱的共轭酸和共轭碱。酸碱质子理论不仅扩大了酸碱的范围,还可以把酸碱离解作用、中和反应、水解反应等,都看作是质子传递的酸碱反应。由此可见,酸碱质子理论更好地解释了酸碱反应,摆脱了酸碱必须在水中才能发生反应的局限性,解决了一些非水溶剂或气体间的酸碱反应,并把水溶液中进行的某些离子反应系统地归纳为质子传递的酸碱反应,加深了人们对酸碱和酸碱反应的认识。但是酸碱质子理论不能解释那些不交换质子而又具有酸碱性的物质,因此它还存在着一定的局限性。

路易斯提出的酸碱电子理论是目前概括最广的酸碱理论。该理论认为,凡是能给出电子对的物质叫做碱;凡是能接受电子对的物质叫做酸。即酸是电子对的接受体,碱是电子对的给予体。因此,碱中给出电子的原子至少有一对孤对电子(未成键的电子对),而酸中接受电子的原子至少有一个空轨道(外层未填充电子的轨道),以便接受碱给予的电子对,这种由路易斯定义的酸和碱叫做路易斯酸路易斯碱。例如,三氟化硼(BF3)是路易斯酸,因为BF3中的B原子有一个空轨道是电子的接受体。NH3中N原子有一对孤对电子,是电子对的给予体,为路易斯碱。但是,由于酸碱电子理论概括的酸碱范围太宽,使其实用价值受到一定的限制。

守恒

质子守恒就是酸失去的质子和碱得到的质子数目相同,质子守恒和物料守恒,电荷守恒一样同为溶液中的三大守恒关系,质子守恒也可以由电荷守恒和物料守恒关系联立得到NaHCO3 溶液中,存在下列等式 C(H+)+C(Na+)=C(HCO3-)+2C(CO32-)+C(OH-) 这个式子叫电荷守恒C(Na+)=C(HCO3-)+ C(CO32-)+C(H2CO3) 这个式子叫物料守恒。

质子磁力仪

方法一:两式相减得 C(H+)+C(H2CO3)=C(CO32-)+C(OH-) 这个式子叫质子守恒。方法二:由酸碱质子理论原始物种:HCO3-,H2O消耗质子产物H2CO3,产生质子产物CO32-,OH-C(H+)=C(CO32-)+C(OH-) -C(H2CO3)即C(H+)+C(H2CO3)=C(CO32-)+C(OH-) 关系:剩余的质子数目等于产生质子的产物数目-消耗质子的产物数目直接用酸碱质子理论求质子平衡关系比较简单,但要细心;如果用电荷守恒和物料守恒关系联立得到则比较麻烦,但比较保险,又如NaH2PO4溶液,原始物种:H2PO4-,H2O,消耗质子产物:H3PO4,产生质子产物:HPO42-(产生一个质子),PO43-(产生二个质子),OH-,所以:c(H+)=c(HPO42-)+2c(PO43-)+c(OH-)-c(H3PO4)可以用电荷守恒和物料守恒联立验证下。

发现

质子是1919年卢瑟福任卡文迪许实验室主任时,用α粒子轰击氮原子核后射出的粒子,命名为proton,这个单词是由希腊文中的“第一”演化而来的。

原子核中所含质子数等于该元素的原子序数。氢原子最常见的同位素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。

质子静止质量938MeV,是电子的1836倍。带有+1元电荷(约1.60×10^-19 C),量值与电子电荷绝对值相同。质子是最稳定的粒子,实验已测得的质子寿命大于10的33次方年。高能电子、μ子或中微子轰击质子的散射实验表明质子的电荷和磁矩有一定的空间分布,因此质子不是点粒子,而具有一定的结构。目前认为质子是由所谓夸克的基本粒子构成,由两个+2/3电荷的上夸克和一个-1/3电荷的下夸克通过胶子在强相互作用下构成。

质子与质子间,除了有电磁相互作用之外,还有强得多的强相互作用。这种强相互作用与质子中子间以及中子中子间的强相互作用完全相同,是构成结合为原子核的核力。核力与电荷的无关性说明质子与中子可以看成是同一种粒子的两种不同电荷状态,这一性质导致用同位旋概念来描述:质子和中子是同位旋I相同、同位旋第三分量I3不同的两种状态,原子核的同位旋可由质子和中子的同位旋“合成”得到。

质子是核物理和粒子物理实验研究中用以产生反应的很重要的轰击粒子,在核物理中质子常被用来在粒子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。质子也是宇宙射线中的主要成分。

质子的反粒子是反质子。2008年9月10日,欧洲核子研究中心的科学家在瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机控制中心忙碌。经过十几年的建造,欧洲核子研究中心的大型强子对撞机当日正式启动,将第一束质子束流注入对撞机

原子相对质量 约== 质子质量+中子质量 核电荷数=核内质子数=核外电子数

读法

英文: proton

日文:阳子

朝鲜文:양성자

泰文:โปรตอน

希伯来语:פרוטון

俄语:"Протон"

克罗地亚语:Proton

电荷半径测出

迄今最精确质子电荷半径测出

2020年12月,氢是宇宙中最常见、最基础的元素,但其质子电荷半径大小仍是未解之谜。德国科学家在最新一期《科学》杂志撰文指出,他们利用高精度频梳技术,在高分辨率氢光谱中激发氢原子,首次将量子动力学的测试精确到小数点后13位,在此过程中测得质子电荷半径为0.8482(38)飞米(1飞米为10-15米),精度是此前所有测量结果的2倍。


Powered by prower