- 中文名
- 质子
- 外文名
- Proton
- 别 名
- 氢核（Hydrogen nucleus）
- 所属学科
- 物理学（原子物理、核物理、粒子物理）
- 发现时间
- 1919年
- 相关人物
- 欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）
- 符号表达式
- p 或 p?
- 相关著作
- 《The Structure of the Atom》, 《The Scattering of α and β Particles by Matterand》
定义
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定义概念
质子是构成原子核的带正电基本粒子，属于强子中的重子家族，由三个夸克（两个上夸克一个下夸克）组成，电荷为+1e，自旋为1/2，是一种费米子。质子质量约为
分类
然而，在构成宇宙中绝大多数物质的原子核内，质子是以束缚质子的形式存在的。它们通过强相互作用与一个或多个中子紧密地束缚在一起，形成更加复杂的原子核结构。这种束缚状态是构成各种化学元素的根本，也是维持原子核稳定性的关键。
除此之外，还有一个重要的分类维度是能量。在大型粒子加速器中，质子可以被加速到接近光速，形成高能质子。这类质子是高能物理与核物理研究的重要工具，通过使其与其他粒子发生剧烈对撞，科学家得以深入探索物质结构的基本规律与宇宙起源的奥秘。
物理与化学性质
1. 物理性质
2. 化学性质
相关理论与现象
对质子的深入理解不仅涉及其基本构成，还关联到粒子物理学中的一系列核心理论与前沿现象。这些理论与现象共同揭示了质子作为一个基本粒子所具有的复杂性。
质子内部结构的稳定性，是由自然界的四种基本相互作用之一——强相互作用所维系的。描述这一作用的权威理论框架是量子色动力学（Quantum Chromodynamics, QCD）。该理论指出，质子由三个夸克构成，而这些夸克通过交换一种名为“胶子”的媒介粒子被牢固地束缚在一起，构成了极为稳定的复合粒子。
然而，质子的内部世界远比简单的三夸克模型更为复杂，这一点在“质子自旋危机”问题上体现得尤为突出。早期的理论曾认为，质子的总自旋应等于其内部三个夸克自旋的总和。但实验测量结果却明确显示，夸克的自旋贡献仅占质子总自旋的一小部分。这一发现促使物理学家认识到，胶子的贡献以及夸克之间复杂的轨道角动量，同样是构成质子总自旋不可或缺的部分，从而极大地深化了对质子内部动态结构的研究。
此外，在弱相互作用的过程中，质子与中子之间还存在着相互转化的现象。在某些核反应，如β衰变中，质子与中子并非一成不变。一个典型的例子是自由中子的衰变，它会转变为一个质子，同时释放出一个电子和一个反中微子。这种质子-中子转换是理解元素嬗变、恒星演化以及放射性现象的基础。
发现简史
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历史背景
19世纪末到20世纪初，随着原子理论的发展，科学家逐步认识到原子不是不可分割的基本单位。1897年，约瑟夫·约翰·汤姆孙发现电子，证实原子具有内部结构，这一发现引发了人们对原子内部正电部分本质的强烈兴趣。科学界普遍认为原子整体电中性，因此必须存在一种与电子电荷等量、符号相反的正电粒子。此后，研究者逐步通过实验探索原子核中的正电成分，推动了质子的最终发现。
关键阶段
- 1911年：英国物理学家欧内斯特·卢瑟福通过金箔散射实验，提出了原子核模型，首次明确指出原子的正电荷集中在体积极小、质量集中的核心区域，即原子核。这一理论推翻了汤姆孙的“葡萄干布丁模型”，奠定了现代原子物理的基础，为质子的进一步发现提供了理论框架。
重要人物
- 约翰·查德威克：1932年发现中子，完善了对原子核组成的理解。他的发现进一步推动了人们对核力、核结构以及质子-中子相互关系的研究，标志着原子核理论进入新阶段。
- 默里·盖尔曼：提出夸克模型，首次用理论方式揭示了质子不是基本粒子，而是由更小的夸克构成的复合粒子，彻底改变了人类对质子的认知。其贡献对于后续粒子加速实验、强相互作用理论及标准模型的建立起到了决定性作用。
基本结构
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质子的基本结构由三个价夸克组成，其中包括两个上夸克（up quark, u）和一个下夸克（downquark, d），构成典型的“uud”夸克排列。这三个夸克通过交换胶子（gluon）维系在一起，胶子是强相互作用的传递粒子，属于量子色动力学（QCD）理论描述的基本内容。
质子的结构
质子的结构每个上夸克带电+2/3e，下夸克带电?1/3e，三个夸克的总电荷为
这与质子整体所呈现的正电荷相符合。
质子的自旋为1/2，是一种费米子，遵循泡利不相容原理。在早期模型中，自旋被认为完全来源于三个夸克的自旋，但实验（如深度非弹性散射实验）表明，三个夸克仅贡献了大约30%的总自旋，其余部分来自于夸克的轨道角动量以及胶子的自旋和角动量，这一现象被称为“质子自旋危机”。
质子的质量约为938 MeV/c2（约合千克），但三个夸克本身的质量总和远小于这个数值（仅约占质子质量的1%左右）。这意味着质子的质量并非主要由夸克本身决定，而是由夸克之间强相互作用产生的能量（包括胶子场能量、虚夸克-反夸克对产生的“夸克海”效应）决定。这种由能量形成质量的机制是相对论性量子场论的一个重要体现，也反映了“质量起源于能量”的基本思想。
此外，质子内部并不是静态结构。除了三个价夸克之外，还存在大量短暂产生又迅速湮灭的虚粒子，包括虚夸克、反夸克对（构成“夸克海”）和胶子。这种动态复杂的结构通过量子色动力学精确描述，目前的计算主要依赖格点QCD等数值方法进行模拟。
实验验证发现
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实验原理
质子的最初实验验证主要依赖于早期核物理实验技术，尤其是利用α粒子（即氦原子核）轰击其他轻元素原子核，从而诱发核反应并观察产物。在卢瑟福1919年的经典实验中，他使用α粒子轰击氮气分子，观测到产生的新粒子穿出轨迹，并通过分析其能量和行为，确认该粒子具有与氢原子核相同的性质。这一原理基于动量守恒与能量守恒定律，并借助对粒子散射角度、穿透深度等指标的精确测量，间接推导原子核结构中存在质子。随着后期技术进步，包括云室、泡室、闪烁计数器和质谱仪等设备的引入，更进一步精确地验证了质子的物理特性与结构。 [2]
实验装置
- 1.放射性α粒子源：如镭或钋，用以持续释放高能α粒子，作为实验中的撞击粒子。
- 2.充气室（含氮气）：提供靶气环境，在其中进行核反应。
- 3.探测装置：包括荧光屏、云室、泡室或后来的闪烁探测器和电离室，用于记录粒子穿越路径、散射角度和能量变化。
- 4.磁场或电场装置：用于弯曲带电粒子的路径，通过轨迹分析其荷质比。
- 5.质谱仪：对实验产物进行质量和电荷测定，精确确认新粒子的身份。 [2]
卢瑟福发现质子实验装置实验步骤
- 1.设定好实验装置，使α粒子射流稳定进入充满氮气的反应腔体。
- 2.在装置中实施轰击实验，观察α粒子与氮原子核发生的反应过程。
- 3.检测反应产物中是否出现能穿出薄壁的带正电粒子，并用探测仪器记录其能量和速度。
- 4.将新粒子的轨迹与已知的氢核特性（电荷、质量、穿透能力）进行比对，确认其为质子。
- 5.重复实验以确保结果的稳定性与再现性。 [2]
应用相关领域
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在基础科学与前沿技术领域，高能质子束是探索物质世界基本规律的核心工具。大型粒子加速器，如欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC），通过将质子加速至接近光速并使其发生对撞，为验证粒子物理标准模型、寻找新粒子（如希格斯玻色子）以及研究夸克、胶子、等离子体等极端物质状态提供了关键的实验条件。在能源开发方面，质子是核能的核心参与者。它不仅是构成核裂变反应物（如铀-235）原子核的必要成分，更在可控核聚变研究中占据中心地位，例如在氘氚聚变反应中，原子核的重组过程便涉及质子的变化并能释放巨大能量。此外，质子束技术，如质子诱发X射线发射（PIXE），也被应用于精密的材料分析，其高灵敏度使其在考古学、地质勘探及半导体工业中获得了广泛应用。
在医疗健康与生活领域，质子的应用同样至关重要。质子治疗，或称质子刀，利用了质子束的“布拉格峰”（Bragg Peak）物理特性。该特性使得质子在穿透人体组织时，能够在到达预定深度（即肿瘤位置）时才释放绝大部分能量，从而实现对癌细胞的精准杀伤，同时最大限度地减少对周围健康组织的附带损伤。在医学影像诊断中，磁共振成像（MRI）技术正是利用了人体内大量氢原子核（即质子）的磁矩特性，是临床获取软组织高分辨率图像的重要无创手段。
研究意义
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除了广泛的实际应用，对质子本身的研究更具有深远的科学意义，它构成了我们理解物质世界的基础，并推动了多个基础学科的建立与发展。
首先，质子的发现彻底改变了人类对原子结构的认知。它标志着科学界从“原子不可分割”的传统观念，迈向了“原子核具有内部结构”的现代物理学图景，是揭示物质微观层次的关键一步。
其次，质子的确立，与随后发现的中子一道，共同奠定了现代“质子-中子”原子核模型的基础。这一模型成功解释了元素周期表中各元素的原子序数和同位素现象，为化学与核物理学等学科构建了坚实的理论基石。
在此基础上，对质子行为的研究直接推动了核能技术的诞生，并深化了对基本相互作用的理解。作为强相互作用的典型载体（强子），对质子内部夸克与胶子动力学的探索，直接催生了量子色动力学（QCD）理论的建立与完善。
最后，质子的研究意义延伸到了宇宙学的宏大尺度。作为宇宙中最丰富的重子物质，质子的起源、稳定性及其在恒星演化中的作用，与宇宙大爆炸模型、物质-反物质不对称性等宇宙学根本问题紧密相连。因此，对质子的探索，本质上也是对宇宙起源与演化奥秘的追寻。
研究进展
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- 格点QCD模拟：采用格点量子色动力学技术，在计算机上对质子内部夸克与胶子的动态结构进行模拟，逐步揭示其质量、自旋与动量的来源。
- 高能对撞实验探索：利用大型加速器（如LHC）进行质子-质子碰撞，产生各种新粒子并研究散射截面、子结构分布函数（PDFs）等，有助于验证与修正标准模型。
- 质子寿命与大统一理论验证：多个大型地下实验（如Super-Kamiokande）持续监测质子是否自发衰变，尽管尚未观测到，但其寿命下限已推至103?年以上，为验证大统一理论提供重要数据支持。
相关概念
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1. 反质子（Antiproton）
实际应用包括：
- CERN的反质子减速器（Antiproton Decelerator, AD）：用于产生、减速并俘获低能反质子，研究如反氢的光谱结构及反物质引力特性。
- 医学研究：探索反质子用于靶向放射治疗肿瘤的可能性。
2. 质子湮灭（ProtonAnnihilation）
3. 质子治疗（ProtonTherapy）
质子在医学中的一种应用，特别是在癌症治疗中。质子束可精确地将能量释放在肿瘤位置，利用“布拉格峰效应”最小化对周围健康组织的损伤，是一种先进的放射治疗方式。
4. 质子星与中子星（ProtonStar & Neutron Star）
5. 质子半径之谜（ProtonRadius Puzzle）
不同实验测得的质子电荷半径存在显著差异（如电子-质子散射 vs μ子氢光谱），引发物理学界对测量方法、标准模型完备性甚至新物理可能性的关注。
易混淆现象
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- 质子 vs 中子
质子和中子同为重子，组成原子核的基本单位，质量相近，均由三个夸克构成（质子为uud，中子为udd），但电性不同：质子带一个单位正电荷（+1e），而中子电中性。两者在弱相互作用中可以互相转化（如β衰变），但物理性质和作用场合有显著差异。
- 质子 vs 氢离子（H?）
在化学与生物学中常将去除电子的氢原子（H）称为质子（H?），实际上此H?一般是指裸核状态的质子，尤其在酸碱反应中。然而在水溶液或实际介质中，H?常与水分子形成水合离子（如H?O?），并不完全等价于高能物理中孤立存在的自由质子。因此需要根据学科语境加以区分。
- 质子 vs α粒子
α粒子是氦-4核，即由两个质子和两个中子构成的稳定粒子，在放射性衰变中常见。尽管α粒子含有质子，但其性质与单个质子完全不同：α粒子带2单位正电，质量大约为4 u，且在穿透性、散射行为上与质子有本质区别。
- 质子自旋 vs 夸克自旋
质子自旋为1/2，但早期实验发现，其内部三个夸克的自旋总和无法完全解释整体自旋，这一现象被称为“质子自旋危机”。后续研究表明，胶子自旋、夸克的轨道角动量、虚粒子对等也可能贡献质子自旋。这一问题仍是强相互作用与QCD研究的热点领域，常引起误解或简化解释。
