质子

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　　 （本文根据 CC-BY-SA 协议转载自原搜狗科学百科对英文维基百科的翻译）

　　 质子属于亚原子粒子，符号为 p 或者 $p^+$，携带为一个基本电荷，其质量略小于中子。质子和中子的质量约为一个原子质量，它们都被称为 “核子”。

　　 每个原子的原子核内均存在一个或多个质子，它们是核子的必要组成部分。原子核中质子的数量被称为原子序数(由符号 Z 表示)。因为每种元素的质子数量不一样，因此每种元素都有自己独特的原子序数。

　　 1917 年，欧内斯特·卢瑟福做实验发现，使用 $\alpha$ 粒子撞击氮原子核，可以提取氢原子核。卢瑟福因此推断，氢原子核是氮原子核与所有更重的原子核的基础材料。由于这重要结果，卢瑟福被公认为质子的发现者。

　　 在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的能量。

　　 因为质子是由三个夸克组成，质子可视为基本粒子，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）大约为 0.84 到 0.87 飞米即 $0.84\times10^{-15}$ 到 $0.87\times10^{-15}$ m。

　　 在足够低的温度下，自由质子将和电子结合。然而，这种结合并没有改变质子的性质。当一个质子快速移动通过物质时，它会和电子以及原子核相互作用，进而速度变慢，直至被原子的电子云俘获。因此质子化原子将被产生，它是氢的化合物。当真空中存在自由电子时，足够慢的质子可以和单个自由电子结合，成为中性的氢原子，其在化学上是自由基。在足够低的能量下，这种 “自由氢原子” 倾向于与许多其他类型的原子发生化学反应。当自由氢原子相互反应时，它们形成中性氢分子 $(H_2)$。因此氢分子是星际空间中分子云最常见的分子成分。

1. 物理性质

　　 质子是自旋为-½的费米子，由三个价夸克组成，[1]因此是一种重子(强子的子类型)。两个上夸克和一个下夸克由强力和胶子共同作用而结合在一起.[2]现代物理学观点认为质子由价夸克(上、上、下)、胶子和短暂的海夸克对组成。质子具有近似指数衰减的正电荷分布，均方差半径约为 0.8 飞米。[3]

　　 质子和中子都是核子，它们可以通过核力结合在一起形成原子核。氢原子最常见的同位素(化学符号为 “H”)是一个孤质子。氢原子具有两个重氢同位素，分别为氘和氚：其中氘的原子核包含一个质子和一个中子，氚的原子核包含一个质子和两个中子。其他类型的原子核由两个或多个质子以及不同数量的中子组成。

2. 历史

　　 类氢粒子作为其他原子组成部分的概念是经过长时间发展起来的。早在 1815 年，基于早期原子量的数值，威廉·普鲁特认为所有原子均由氢原子组成(他称之为 “原生系”)。当类氢粒子的原子量被更精确测量时，他的解释被推翻。[4]

　　 1886 年，欧根·戈尔德斯坦发现极隧射线(也称为阳极射线)并证实它们是从气体中产生的带正电荷的粒子(离子)。然而，由于来自不同气体的粒子具有不同的荷质比(e/m)，因此它们不像约瑟夫·汤姆孙发现的电子一样用单个粒子来表示。威廉·维恩于 1898 年确认氢离子是电离气体中荷质比最高的粒子。[5]

　　 在欧内斯特·卢瑟福于 1911 年发现原子核后，安东尼乌斯·范登布罗伊克提出周期表中每个元素的位置(其原子序数)等于其核子电荷数。亨利·莫塞莱在 1913 年使用 X 射线光谱通过实验证实了这一点。

　　 1917 年(实验于 1919 年被报道)，卢瑟福证明了氢核存在于其他原子核中，这一结果通常被描述为质子的发现。[6]卢瑟福早期认识到氢核是α粒子和氮气相互作用的辐射产物，并可以通过它们在空气中独特的穿透特征以及在闪烁探测器中的表现来进行识别。卢瑟福注意到，当α粒子被射入空气(主要是氮气)时，闪烁探测器显示了典型氢核的特征。通过追踪空气中氮的反应，卢瑟福发现当α粒子进入纯氮气时，效果更明显。卢瑟福确定这种氢只能来自氮气，因此氮气必须含有氢核。一个氮核被α粒子撞击后产生了氧核。这是首次被报道的核反应，$^{14}N + \alpha \to ^{17}O + p$ (这种反应后来在 1925 年的威尔逊云雾室被直接观察到)。

　　 受普鲁特假设的影响，卢瑟福认为氢是结构最简单质量最轻的元素，即氢是所有元素的组成部分。由于发现氢核存在于其他所有原子核中并怀疑氢核只包含一种粒子，卢瑟福因此给氢核一个特殊的名称，即质子，在希腊语中意为 “第一”。然而，卢瑟福也想到了这个词曾被普鲁特所使用的。在 1920 年 8 月 24 日举行的英国科学促进会上，[7]欧里佛·洛兹要求卢瑟福为正氢核取一个新名字，以避免与中性氢原子混淆。卢瑟福使用质子和普劳顿（源自普鲁特）来进行区分的建议被会议接受。因此氢核被命名为 “质子”，取自普鲁特的词 “protyle”。[8]科学文献中首次使用 “质子” 一词是在 1920 年。[9]

　　 最近的研究表明，雷暴可以产生能量高达几十兆电子伏的质子。[10][11]

　　 质子通常用于加速器质子疗法或者各种各样的粒子物理学实验，最有力的例子是大型强子对撞机。

　　 在 2017 年 7 月的一篇论文中，研究人员测量了质子的质量 1.007276466583+15−29 atomic mass units(括号中的值分别是统计和系统不确定性)，比来自 CODATA 2014 的测量值低三个标准差。[12][13]

3. 稳定性

　　 自由质子(不与核子或电子结合的质子)是一种稳定的粒子，尚未被观察到自发分解为其他粒子。自由质子在许多情况下都是天然存在的。在这些情况下，能量或温度足够高，可以将它们与电子分开。它们对电子有一定的亲和力。自由质子存在于温度过高以至于不能与电子结合的等离子体中。高能和高速的自由质子占宇宙射线的 90%。在一些罕见类型的放射性衰变中，自由质子可以直接从原子核发射。质子(连同电子和反中微子)也可在不稳定自由中子的放射性衰变中产生。

　　 由于未观察到自由质子的自发衰变，根据标准模型，质子被认为是稳定的粒子。然而，一些粒子物理学的大统一理论 (GUTs)预测，质子衰变的寿命应该在 $10^{31}$ 年至 $10^{36}$ 年间。实验研究已经确定了质子平均寿命的下限以及可能的衰变产物。[14][15][16]

　　 日本的超级神冈探测器通过实验测得，质子衰变成反μ子和中性介子的平均寿命下限为 $6.6\times10^{33}$ 年，衰变为正电子和中性π介子的平均寿命下限为 $8.2\times10^{33}$ 年。[17]另一个实验来自于加拿大的萨德伯里微中子观测站。这个实验用来检测任何衰变后的产物，通过从氧 16 质子衰变后的残余核子中检测到γ射线，测得质子寿命的下限为 $2.1\times10^{29}$ 年。[18]

　　 然而，质子也可通过电子俘获转化为中子(称为逆 $\beta$ 衰变)。对于自由质子，这个过程不是自发产生的，而是在有能量提供时才会发生。等式是: $$p^+ + e^- \to n +\nu_e~$$ 这个过程是可逆的；中子可以通过 $\beta$ 衰变转换为质子。$\beta$ 衰变是放射性衰变的一种常见形式。事实上，自由中子以这种方式衰变，平均寿命约为 15 分钟。

4. 夸克和质子的质量

　　 在现代核力理论的量子色动力学中，狭义相对论解释了质子和中子的大部分质量。质子的质量大约是它内部所有夸克静止质量之和的 80-100 倍，同时胶子的静止质量为零。相比在量子色动力学真空中所有夸克的静止能量，质子内同一区域中的夸克和胶子的额外能量几乎占了质子总重量的 99%。因此，质子的静止质量是运动夸克和胶子系统的不变质量。在这样的系统中，无质量粒子的能量作为系统静止质量的一部分也同样能被测量。

　　 两个术语用于指代组成质子的夸克质量:净夸克质量指夸克本身的质量，而组夸克质量指净夸克质量加上其周围胶子粒子场的质量。[19] [20]这两个质量通常具备不同的值。如上所述，质子的大部分质量来自将夸克结合在一起的胶子，而不是夸克本身。虽然胶子没有质量，但它们拥有能量，即量子色动力学结合能，对质子的总质量贡献很大(参见狭义相对论中的质量)。质子的质量约为 $938 MeV/c^2$，其中三个价夸克中的静止质量只贡献了大约 $9.4 MeV/c^2$，其余的大部分能量来自于胶子的量子色动力学结合能。[21] [22]

　　 质子的夸克模型波函数组成为

　　 这些计算通常由大型超级计算机完成的，正如博菲和帕斯奎尼所指出的:“核子结构的详细描述仍然缺失，因为长距离行为需要非扰动和/或数值处理”[26]更多研究质子结构的理论方法有：源于 Tony Skyrme 和更精确的 AdS/QCD 的拓扑孤子方法，扩展到包括胶子的弦理论，[27]各种量子色动力学启发的模型，如 20 世纪 80 年代流行的袋模型和组夸克模型，以及允许粗略近似质量计算的 SVZ 求和规则。[28]这些方法目前还没有达到与量子色动力学相同的精度。

5. 电荷半径

　　 原子核(质子)半径的问题与原子半径问题类似，因为原子和原子核都没有明确的边界。然而，在电子散射实验中，原子核被模拟为正电荷球体，通过对电子散射所获得的一系列截面面积进行均方根计算，其所获得数值即为原子核半径。因为原子核横截面积与其半径的平方成正比。

　　 国际上质子的电荷半径公认值是 0.8768 飞米。该值基于对质子和电子的相关测量(即电子散射测量和基于罗森布鲁特动量转移截面方程的散射截面复杂计算)，以及氢和氘的原子能级的研究。

　　 然而，在 2010 年，一个国际研究小组发表了通过μ子氢中(由质子和负电荷的 $\mu$ 子组成的奇特原子)的兰姆位移测量的质子电荷半径的结果。由于 $\mu$ 子比电子重 200 倍，其相应的德布罗意波长更短，因此其较小的原子轨道对质子的电荷半径更敏感，所以能够获得更精确的测量。它们对质子的均方根电荷半径的测量是 0.84184(67) 飞米，与的 CODATA 的 0.8768(69) 飞米相差 5.0 个标准差。[29]2013 年 1 月，质子电荷半径的更新值，0.84087(39) 飞米，发表了。其精度提高了 1.7 倍，并将误差提高到 7 个希格玛。[30]2014 年 CODATA 略微降低质子半径的推荐值(仅使用电子测量计算)至 0.8751(61) 飞米，但这将误差扩大到了 5.6 个西格玛。

　　 在菲利根的保罗·舍勒研究所获得这一结果的国际研究团队来自马克斯·普朗克量子光学研究所、路德维希-马克西米利安大学、斯图加特大学斯特拉斯韦克泽格研究所和葡萄牙科英布拉大学的科学家。[31][32]该团队正试图解释这种差异，并重新检查以前高精度测量和涉及散射横截面积的复杂计算。如果在测量或计算中没有发现错误，可能有必要重新检查世界上最精确和测试最好的基础理论：量子电动力学。[31]截至 2017 年，质子半径仍然是一个谜。[33]也许这种差异是由新物理学引起的，或者可以被一种忽略的普通物理效应所解释。[34]

　　 质子半径与形状因子和动量传递截面有关。原子形状因子 $G$ 改变了对应于点状质子的横截面。

5.1 质子内部的压力

　　 因为质子由被胶子包围的夸克组成，所以作用在夸克上的等效压力可以被定义。这允许使用高能电子的康普顿散射从中心计算它们作为函数距离的分布(DVCS，对于深度虚拟康普顿散射)。质子中心的压力最大，其数值约为 $10^{35}$ 帕且大于中子星内部压力。[35]在小于约 0.6 飞米的径向距离内，压力是正的(排斥的)。在更大的距离时，压力是负的(吸引的)。在距离超过大约 2 飞米时，压力变得非常弱。

5.2 溶剂化质子中的电荷半径，水合氢离子

　　 水合质子的半径出现在玻恩方程用于计算水化焓水合氢离子。

6. 自由质子与普通物质的相互作用

　　 虽然质子对带相反电荷的电子有亲和力，但这是一种相对低能的相互作用，因此自由质子必须失去足够的速度(和动能)，才能与电子紧密结合。高能质子在穿过普通物质时，通过与原子核的碰撞和原子的电离(除去电子)失去能量，直到它们被正常原子中的电子云俘获。

　　 然而，在与电子的这种关联中，结合质子的性质没有改变，它仍然是一个质子。低能自由质子对正常物质中任何电子(如正常原子中的电子)的吸引力导致自由质子停止并与原子形成新的化学键。这种键发生在任何足够 “冷” 的温度(即相当于太阳表面的温度)和任何类型的原子。因此，在与任何类型的正常(非等离子体)物质相互作用时，低速自由质子被它们接触的任何原子或分子中的电子吸引，导致质子和分子结合。这样的分子被称为 “质子化的”，并且在化学上它们经常因此变成所谓的布朗斯特酸。

7. 化学中的质子

7.1 原子序数

　　 在化学中，原子核中质子的数量被称为原子序数，它决定了该原子所属的化学元素。例如，氯的原子序数是 17；这意味着每个氯原子有 17 个质子，所有有 17 个质子的原子都是氯原子。每个原子的化学性质由(带负电的)电子的数量决定。对于中性原子，电子的数量等于(带正电的)质子的数量，因此总电荷为零。例如，中性氯原子有 17 个质子和 17 个电子，而氯离子−（阴离子）有 17 个质子和 18 个电子，总电荷为-1。

　　 然而，给定元素的所有原子不一定相同，因为中子数可以变化以形成不同的同位素，并且能级可以不同以形成不同的核异构体。例如，氯的两种稳定的同位素:$^{35}17^{Cl}$ 中有 35-17 = 18 个中子，$^{37}17^{Cl}$ 中有 37-17 = 20 个中子。

7.2 氢离子

　　 氢离子是很独特的化学元素，因为它就是一个裸核子。因此质子在凝聚态的情况下无法单独存在，并且不可避免地在一对电子的作用下跟另一个原子结合在一起。

　　 Ross Stewart, 质子：应用有机化学 (1985, p. 1)

　　 在化学中，质子一词指的是氢离子，$H^+$。由于氢的原子序数为 1，氢离子没有电子，即只有裸核，由一个质子(最常见的同位素氢 $^1$ $_1\text{H}$ 中有 0 个中子)组成。质子是一种” 裸电荷 “，其大小只有氢原子半径的大约 1/64000，因此化学性质非常活泼。自由质子在液体等化学系统中的寿命非常短，它会立即与任何分子的电子云反应。在水溶液中，它形成水合氢离子，$H_3O^+$，其又被簇中的水分子溶剂化，例如 $[H_5O_2]^+\text{和}[H_9O_4]^+$。[36]

　　 酸碱反应中转让 $H^+$ 的现象被称为 “质子转移”。酸被称为质子供体，碱被称为质子受体。同样，生化术语如质子泵和质子通道指水合 H+离子的转移。

　　 通过从氘原子中除去电子产生的离子被称为氘核，而不是质子。同样，从氚原子中移除电子会产生氚核，而不是质子。

7.3 核磁共振氢谱

　　 同样在化学中，术语 “质子核磁共振 “是指通过核磁共振对(主要有机的)分子中的氢-1 核进行检测。此方法用到质子数值为 $1/2$ 的自旋性质。这个术语是指对在化合物中存在的氕(氢-1 原子)进行检测，并不意味着被研究的化合物中存在自由质子。

8. 人体暴露

　　 阿波罗月球表面实验包证实了太阳风中 95%以上的粒子是电子和质子，数量大致相等。[37][38]

　　 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。[44]

　　 也有质子来自太阳系外的银河宇宙射线，它们约占总粒子通量的 90%。这些质子通常比太阳风质子具有更高的能量，它们的强度比来自太阳的质子更均匀，变化更小。太阳风质子的产生较大程度上受太阳质子事件的影响，比如日冕物质抛射。

　　 科学家们研究了质子暴露对人类健康的影响，这通常可以在太空旅行中找到。[38][39]具体地说，人们希望在质子暴露导致的癌症发展过程中，识别哪些染色体受损，并确定受损程度。[38]另一项研究旨在确定 “暴露于质子辐射对神经化学和行为终点的影响，包括多巴胺能功能、苯丙胺诱导的条件性味觉厌恶，以及由莫里斯水迷宫测量的空间学习和记忆”。[39]由于太空中质子撞击航天器的表面而导致的电荷附着问题也被人们提议并进行研究。[40]还有许多其他与太空旅行有关的研究，其中包括银河宇宙射线及其可能对健康导致的影响和太阳质子事件暴露。

9. 反质子

　　 CPT 对称对粒子和反粒子的相对性质提出了严格的限制，因此可以接受严格的测试。例如，质子和反质子的电荷总和必须正好为零，这种等号关系已经被验至 $1/10^{8}$。它们所带有的质量必须相等，这个等号关系也被验试至 $1/10^{8}$。[41]测量囚禁在彭宁阱内的反质子的荷质比，这个等号关系更被验证至 $1/(6*10^9)$。对于反质子的磁矩所产生的误差为 $8\times10^{-3}$ 核子玻尔磁子，测量数值的绝对值与质子的相等。

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