質子

質子

質子(proton):是一種帶 1.6 × 10⁻¹⁹ 庫侖(C)正電荷的亞原子粒子,直徑約 1.6 to 1.7×10^−15 m,質量是938百萬電子伏特/c²(MeV/c²),即1.6726231 × 10^-27 kg,大約是電子質量的1836.5倍。質子屬于重子類,由兩個上誇克和一個下誇克通過膠子在強相互作用下構成。原子核中質子數目決定其化學性質和它屬于何種化學元素。

  • 中文名
    質子
  • 外文名
    proton
  • 所屬粒子類型
    復合粒子
  • 所屬學科
    物理
  • 發現時間
    1918年

文學含義

解釋

古代派往敵方或他國去的人質。多為王子或世子等出身貴族的人。秦始皇的父親,戰國燕太子丹都曾經做過質子。

質子

秦始皇,名政。他是中國的第一個皇帝,是中國歷史上一位極富傳奇色彩的劃時代的人物。 他的父親異人是秦國的王孫,異人雖然生在帝王之家,但從小就被派往和秦國敵對的趙國,當了一名“質子”。 而始皇帝趙政就是在父親做質子這段期間出生在趙國的,出生後在趙國過了9年孤獨的生活。

燕國的太子丹則是因為在戰國末期,燕國為了討好秦國,而將太子丹送往秦國當質子。但太子丹不滿在秦國受到的待遇,逃回了自己的國家。後在秦國攻打燕國之時,派荊軻刺秦王,失敗後不久,即被燕王殺害。

歷史典籍中的記錄

《谷梁傳·隱公八年》:“盟詛不及三王,交質子不及二伯。”

《魏書·蠻傳》:“ 泰常八年, 蠻王梅安率渠帥數千朝京師,求留質子以表忠款。”

宋 王讜 《唐語林·政事下》:“ 大中初, 雲南朝貢,及西川質子,人數漸多。”

清 吳殳 《秦》詩:“質子妖姬貨可居,六王未畢已邱墟。”

章炳麟 《訄書·弭兵難》:“說者曰:吾豈徒乞盟,將假貸於彼,而要之相率以衞我,則是以彼之金幣為質子也。”    

​科學含義

質子(proton)是一種帶 1.602 × 10^-19 庫侖(C)正電荷的亞原子粒子,直徑約 1.6 to 1.7×10^−15 m [1],質量是938百萬電子伏特/c&sup2(MeV/c&sup2),即1.6726231 × 10-27 kg,大約是電子質量的1836.5倍。質子屬于重子類,由兩個上誇克和一個下誇克通過膠子在強相互作用下構成。

質子

原子核中質子數目決定其化學性質和它屬于何種化學元素。氫原子最常見的同位素1H的原子核由一個質子構成。其它原子的原子核則由質子和中子在強相互作用下構成。

穩態

質子

至今為止質子被認為是一種穩定的、不衰變的粒子。但也有理論認為質子可能衰變,隻不過其壽命非常長。到今天為止物理學家沒有能夠獲得任何可能理解為質子衰變的實驗資料。

水中的氫離子絕大多數都是水合質子。質子在化學和生物化學中起非常大的作用,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。

然而,質子是通過中子的過程中電子捕獲。這一過程不會自發發生,但隻有當能源供應。其計算公式:

于此

p 是一個質子,

e 是一個電子

質子

n 是一個中子,而且

νe 是一個電子中微子

這個過程是可逆的:中子可轉換回質子通過β-衰變,共同形成放射性衰變。事實上,在一個自由中子衰變這樣一個平均壽命約15分鍾。(右圖片繪製:張嘉年)

質子

歷史

盧瑟福被公認為質子的發現人。1918年他任卡文迪許實驗室主任時,用α粒子轟擊氮原子核,註意到在使用α粒子轟擊氮氣時他的閃光探測器紀錄到氫核的跡象。盧瑟福認識到這些氫核唯一可能的來源是氮原子,因此氮原子必須含有氫核。他因此建議原子序數為1的氫原子核是一個基本粒子。在此之前尤金·戈爾德斯坦(Eugene Goldstein)就已經註意到陽極射線是由正離子組成的。但他沒有能夠分析這些離子的成分。盧瑟福發現質子以後,又預言了不帶電的中子存在。

質子

今時今日,以粒子物理學的標準模型理論為基礎而論,因為質子是復合粒子,所以不再被編入基本粒子的家族中。

套用

物理中質子常被用來在加速器中加速到近光速後用來與其它粒子碰撞。這樣的試驗為研究原子核結構提供了極其重要的資料。慢速的質子也可能被原子核吸收用來製造人造同位素或人造元素。核磁共振技術使用質子的自旋來測試分子的結構。

原子核-內部結構模型圖原子核-內部結構模型圖

反質子

質子的反粒子是反質子,反質子是1955年埃米利奧·塞格雷(Emilio Gino Segrè)和歐文·張伯倫(Owen Chamberlain)發現的,兩人為此獲得了1959年的諾貝爾物理學獎。(右下圖片繪製:張嘉年)

反質子的發現:正電子的發現證實了狄拉克反粒子理論,一些理論物理學家開始認真對待這一理論。1934年泡利與克拉夫證明,即使不能形成穩定的負能粒子海,也會有相應的反粒子存在。于是人們就開始尋找其他粒子的反粒子。早在1928年,狄拉克便預言了反質子的存在,但證實它的存在卻花了20多年的時間。根據狄拉克的理論,反質子的質量與質子相同,所帶電荷相反,質子與反質子成對出現或湮沒,用兩個普通的質子碰撞便可獲得反質子,但反質子的產生閾能為6.8GeV。1954年,在加利福尼亞大學的勞倫斯輻射實驗室,建成了64億電子伏的質子同步穩相加速器,這為尋找反粒子提供了條件。

質子 質子

1955年,張伯倫和塞格雷用上述加速器證實了前一年人們所觀測的反質子的存在。由于反質子出現的機會極少,大約每1000億高能質子的碰撞,才能產生數量很少的反質子,因而證實反質子的存在極為困難。1955年他們這個實驗小組測到60個反質子。由于偶然符合本底不大,記數系統雖不算好,但較為可信。不久他們又發現反中子。盡管高能粒子打靶時也能產生反中子,但是由于反中子不帶電,更難從其他粒子中鑒別出來。他們是利用反質子與原子核碰撞,反質子把自己的負電荷交給質子,或由質子處取得正電荷,這樣,質子變成了中子,而反質子則變成了反中子。魯比亞,C.在正反質子對撞機上進行幾百吉電子伏的對撞實驗,發現了現代弱電統一理論所預言的傳力子,因而獲得1984年度諾貝爾物理學獎。

質子

首先說明的是,電子,質子,中子,都是基本粒子,都是客觀存在。這些粒子所帶的電荷,是它的一個屬性,電荷不是基本粒子。那麽粒子是否帶有電荷,帶什麽性質的電荷,主要看這些粒子在電場中是否移動,向哪極移動。因為電子在電場中向正極移動,所以可以斷定它帶有負電荷,同理,判定質子帶有正電荷而中子不帶電荷。那麽它們帶有多少電荷呢,現在還不能確定它們所帶電荷的絕對電量是多少,隻是人為的規定一個質子所帶的電量為一個單位的電量(簡稱一個單位的電荷),恰好一個電子所帶的電量與一個質子所帶的電量相等,隻是電性相反。這也就是通常所說的電子帶有一個負電荷(準確的說應該是:一個單位的負電荷)而質子帶有一個正電荷(應該是一個單位的正電荷)。需要明確的是,電荷不是一個個的,而是電量的一種簡單描述方法。

質子

物理中的電子轉移是在電流的作用下,由高端向低端移動,是外力的作用,與元素原子本身的性質無關。而化學中的電子轉移,是不同原子之間自發的進行的,是元素原子本身性質所決定的。現在科學的發展,使人們發現了很多新的物質存在形式,正電子是確實存在的,它的質量以及許多性質都和電子無異,但所帶電荷為正電荷,且輕子數為-1;同樣,人們還在探索反質子,我們稱正電子、反質子之類的物質叫反物質。正負電子一旦相遇,則發生湮滅,化為烏有,同時放出巨大能量,並產生光子。

正負電子-內部結構模型圖正負電子-內部結構模型圖

符號 p,H+

發現時間 1919年

發現者 歐內斯特·盧瑟福

基本性質

相對質量 1.007

電荷 +1 元電荷(+ 1.60217733 × 10^-19 庫侖)

粒子自旋 1/2粒子磁矩 2.7928 單位核磁子

質子

作用力引力、電磁力、弱核力、強核力

半衰期 最短為 1035 年(可視為穩定)

組成 兩個上誇克、一個下誇克

質子理論

酸鹼離子理論是阿累尼烏其斯(Arrhenius)根據他的電離學說提出來的。他認為在水中能電離出氫離子並且不產生其它陽離子的物質叫酸。在水中能電離出氫氧根離子並且不產生其它陰離子的物質叫鹼。酸鹼中和反應的實質是氫離子和氫氧根離子結合成水。這個理論取得了很大成功,但它的局限性也早就暴露出來,例如,氣態氨與氯脂氫反應迅速生成氯化銨,這個酸鹼中和反應並有水的生成;又如氨的水溶液顯鹼性,曾錯誤地認為NH3和H2O形成弱電解質NH4OH分子,然後離解出OH-+等。

由于阿累尼烏斯的酸鹼離子理論不能解一些非水溶液中進行地酸鹼反應等問題,1923年布朗特(Bronsted)提出了酸鹼質子理論,把酸鹼概念加以推廣。酸鹼質子理論認為凡是能給出質子的物質都是酸,凡是能與質子結合的物質都是鹼。即酸是質子的給予體,鹼是質子的接受體。這樣,一個酸給出質子後餘下的部分自然就是鹼,因為它本身就是與質子結合的。

這種關系叫做酸鹼的共軛關系,式中略去了HB和B可能出現的電荷。右邊的鹼是左邊酸的共軛鹼,左邊的酸是右邊鹼的共軛酸,兩者組成一個共軛酸鹼對,它們隻直差一個質子。從以上例子可以看出,酸和鹼可以是分子,也可以是陽離子和陰離子。還可以看出,像HPO2-4這樣的物質,既表現酸,也

表現為鹼,所以它是兩性物質。同理,H2O,HCO-3等也是兩性物質。二、共軛酸鹼的強弱共軛酸鹼對的離解常數Ka和Kb之間有確定的關系。以HOAc為例推導如下:由于溶劑水的濃度不常數,所以它不出現在平衡常數式中。用KW表示[H3O+][OH-],KW稱為水的離子積。這說明在一定溫度下,水中的[H3O+]與[OH-]的乘積為一常數。所以 Ka·Kb=KW (2-7)24℃時KW值為1.0×10-14.這個關系說明,隻知道了酸的離解常數Ka,就可以計算出它的共軛鹼的Kb,反之亦然。Ka和Kb是成反比的,而Ka 和Kb正是反映酸和鹼的強度,所以,在共軛酸鹼對中,酸的強度愈大,其共軛鹼的強度愈小;鹼的強度愈大,其共軛酸的強度愈小。表2-6列出了一些共軛厔鹼對的強度次序。共軛酸鹼的強度次序酸性增強 共軛酸(HB) Ka(在水中) pKa(在水中) 共軛鹼(B) 鹼性增強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-

質子

根據酸鹼質子理論,酸鹼在溶液中所表現出來的強度,不僅與酸鹼的本性有關,也與溶劑的本性有關。我們所能測定的是酸鹼在一定溶劑中表現出來的相對強度。同一種酸或鹼,如果溶于不同的溶劑,它們所表現的相對強度就不同。例如HOAc在水中表現為弱酸,但在液氨中表現為強酸,這是因為液氨奪取質子的能力(即鹼性)比水要強得多。這種現象進一步說明了酸鹼強度的相對性。

三、酸鹼反應酸鹼質子理論中的酸鹼反應是酸鹼之間的質子傳遞。例如:這個反應無論在水溶液中、苯或氣相中,它的實質都是一樣的。HCL是酸,放出質子給NH3,然後轉變成共軛鹼CL-,NH3是鹼,接受質子後轉變成共軛酸NH4+。強鹼奪取了強酸放出的質子,轉化為較弱的共軛酸和共軛鹼。酸鹼質子理論不僅擴大了酸鹼的範圍,還可以把酸鹼離解作用、中和反應、水解反應等,都看作是質子傳遞的酸鹼反應。由此可見,酸鹼質子理論更好地解釋了酸鹼反應,擺脫了酸鹼必須在水中才能發生反應的局限性,解決了一些非水溶劑或氣體間的酸鹼反應,並把水溶液中進行的某些離子反應系統地歸納為質子傳遞的酸鹼反應,加深了人們對酸鹼和酸鹼反應的認識。但是酸鹼質子理論不能解釋那些不交換質子而又具有酸鹼性的物質,因此它還存在著一定的局限性。

路易斯提出的酸鹼電子理論是目前概括最廣的酸鹼理論。該理論認為,凡是能給出電子對的物質叫做鹼;凡是能接受電子對的物質叫做酸。即酸是電子對的接受體,鹼是電子對的給予體。因此,鹼中給出電子的原子至少有一對孤對電子(未成鍵的電子對),而酸中接受電子的原子至少有一個空軌道(外層未填充電子的軌道),以便接受鹼給予的電子對,這種由路易斯定義的酸和鹼叫做路易斯酸和路易斯鹼。例如,三氟化硼(BF3)是路易斯酸,因為BF3中的B原子有一個空軌道是電子的接受體。NH3中N原子有一對孤對電子,是電子對的給予體,為路易斯鹼。但是,由于酸鹼電子理論概括的酸鹼範圍太寬,使其實用價值受到一定的限製。

質子守恆

質子守恆就是酸失去的質子和鹼得到的質子數目相同,質子守恆和物料守恆,電荷守恆一樣同為溶液中的三大守恆關系,質子守恆也可以由電荷守恆和物料守恆關系聯立得到NaHCO3 溶液中,存在下列等式 C(H+)+C(Na+)=C(HCO3-)+2C(CO32-)+C(OH-) 這個式子叫電荷守恆C(Na+)=C(HCO3-)+ C(CO32-)+C(H2CO3) 這個式子叫物料守恆 。

質子磁力儀

方法一:兩式相減得 C(H+)+C(H2CO3)=C(CO32-)+C(OH-) 這個式子叫質子守恆。方法二:由酸鹼質子理論原始物種:HCO3-,H2O消耗質子產物H2CO3,產生質子產物CO32-,OH-C(H+)=C(CO32-)+C(OH-) -C(H2CO3)即C(H+)+C(H2CO3)=C(CO32-)+C(OH-) 關系:剩餘的質子數目等于產生質子的產物數目-消耗質子的產物數目直接用酸鹼質子理論求質子平衡關系比較簡單,但要細心;如果用電荷守恆和物料守恆關系聯立得到則比較麻煩,但比較保險,又如NaH2PO4溶液,原始物種:H2PO4-,H2O,消耗質子產物:H3PO4,產生質子產物:HPO42-(產生一個質子),PO43-(產生二個質子),OH-,所以:c(H+)=c(HPO42-)+2c(PO43-)+c(OH-)-c(H3PO4) 可以用電荷守恆和物料守恆聯立驗證下。

質子的發現

質子是1919年盧瑟福任卡文迪許實驗室主任時,用α粒子轟擊氮原子核後射出的粒子,命名為proton,這個單詞是由希臘文中的“第一”演化而來的。

原子核中所含質子數等于該元素的原子序數。氫原子最常見的同位素的原子核由一個質子構成。其它原子的原子核則由質子和中子在強相互作用下構成。

質子靜止質量938MeV,是電子的1836倍。帶有+1元電荷(約1.60×10^-19 C),量值與電子電荷絕對值相同。質子是最穩定的粒子,實驗已測得的質子壽命大于10的33次方年。高能電子、μ子或中微子轟擊質子的散射實驗表明質子的電荷和磁矩有一定的空間分布,因此質子不是點粒子,而具有一定的結構。目前認為質子是由所謂誇克的基本粒子構成,由兩個+2/3電荷的上誇克和一個-1/3電荷的下誇克通過膠子在強相互作用下構成。

質子與質子間,除了有電磁相互作用之外,還有強得多的強相互作用。這種強相互作用與質子中子間以及中子中子間的強相互作用完全相同,是構成結合為原子核的核力。核力與電荷的無關性說明質子與中子可以看成是同一種粒子的兩種不同電荷狀態,這一性質導致用同位旋概念來描述:質子和中子是同位旋I相同、同位旋第三分量I3不同的兩種狀態,原子核的同位旋可由質子和中子的同位旋“合成”得到。

質子是核物理和粒子物理實驗研究中用以產生反應的很重要的轟擊粒子,在核物理中質子常被用來在粒子加速器中加速到近光速後用來與其它粒子碰撞,這樣的試驗為研究原子核結構提供了極其重要的資料。慢速的質子也可能被原子核吸收用來製造人造同位素或人造元素。核磁共振技術使用質子的自旋來測試分子的結構。質子也是宇宙射線中的主要成分。

質子

質子的反粒子是反質子。2008年9月10日,歐洲核子研究中心的科學家在瑞士日內瓦附近的大型強子對撞機控製中心忙碌。經過十幾年的建造,歐洲核子研究中心的大型強子對撞機當日正式啓動,將第一束質子束流註入對撞機。

原子相對質量 約== 質子質量+中子質量 核電荷數=核內質子數=核外電子數

質子的讀法

英文: proton

日文:陽子

朝鮮文:양성자

泰文:โปรตอน

希伯來語:פרוטון

俄語:"Протон"

克羅埃西亞語:Proton

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