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質子（英文名：proton）是一種次原子粒子，在每個原子的核心，是一個由中子和質子構成的原子核。質子的英文名來源于希臘文中的“第一（protos）”。質子是一種穩定的基本粒子，帶有+1e（基本電荷）正電荷，它的質量是電子的1836倍，中子的質量比質子略重。原子核中的質子數稱為原子序數，由于每種元素都有獨特的質子數，因此每種元素都有獨特的原子序數，原子序數決定了元素在元素周期表中的位置。

質子最初被認為是基本粒子，但在現代粒子物理標準模型中，已知質子是包含三個夸克的復合粒子，與中子一起被稱為強子。質子和中子的質量占整個宇宙可見物質質量的99%以上，粗略地計算，質子比原子要小十萬倍左右。質子和中子會與電子結合形成大小約為10?1?米的原子。

在19世紀末期之前，人類對于世界的運行規律的認知大部分停留在宏觀物體和現象上。19世紀末，從威廉·倫琴（R?ntgen）發現X射線，約瑟夫·湯姆遜（J.J.Tomson）發現電子，歐內斯特·盧瑟福（Rutherford）發現α射線和β射線等實驗起，物理學家們開始專注于微觀世界的物理現象。二十世紀70年代，物理學家們建立了粒子物理學的標準模型描述了質子和中子等基本粒子以及它們之間的相互作用。地球上偶爾會出現自由質子，雷暴可以產生能量高達數十兆電子伏的質子，在足夠低的溫度和動能下，自由質子與電子結合。在醫療領域，質子核磁共振成像（MRI），如今已成為臨床檢查和診斷中必不可少的設備。

研究歷史

早期的研究

1808年，英國人約翰·道爾頓（Dalton）提出了近代意義上的“原子論”，即化學中各元素的最小單位，如氫原子、氧原子、碳原子等。他以為，這就是組成物質的最小粒子了。

1815年，威廉-普魯特（William Prout）提出了元素的原子量是氫原子量的整數倍（普勞特假說）的觀點。

1886年，戈爾德斯坦（Goldstein）就采用了有著穿孔陰極的陰極射線管進行實驗，結果就發現有與陰極射線反方向的射線產生，并稱它為Kanalstrahlen即極隧射線，在證明該射線是帶正電的粒子流后，又稱作陽極射線。

1895年11月8日，威廉·倫琴（Wilhelm Conrad R?ntgen）發現一種新的未知射線，并將其命名為X射線。

1897年，威廉·湯姆森（J.J.Tomson）發現了陰極射線會被磁鐵偏轉，而根據磁性以及偏轉方向，他發現這個射線應該攜帶負電荷。接下來他又發現，所謂射線，其實是由許多粒子構成的，與其叫做射線，不如說是粒子流。進而湯姆孫測出了他們的荷質比（電荷與質量的比值），這個比例比那時候任何已知的粒子都大很多。這說明，這種粒子要么具有極大的電荷，要么具有極小的質量，這就是電子。

1898年，威廉·維恩（Wilhelm Wien）發現了正電荷粒子射線在強大磁場作用下會發生偏轉，維恩測量了正電粒子束在磁場作用下的偏移，并得出陽極射線由帶正電的粒子組成，并且它們不比電子重的結論。大約20年后維恩所使用的方法形成了質譜學，實現了對多種原子及其同位素質量的精確測量，以及對原子核反應所釋放能量的計算。同年，威廉·維恩（Wilhelm Wien）將氫離子確定為電離氣體中電荷質量比最高的粒子。

二十世紀的研究

1911年，一位荷蘭科學家安東尼斯·范登·布魯克（Antonius van den Broek）提出了一種解釋：氫以外的原子是由“alphons”的倍數組成的。Alphon是一種基本粒子，其質量是氦的一半（兩個原子質量單位），并且帶一個正電荷。

1914年，Bohr（玻爾）提出了氫原子是由一個電子環繞一個質子的模型，就好像行星繞太陽運動，擁有一個軌道一樣，電子因相反電荷作用而被束縛在了一個軌道上。利用早期的量子理論，玻爾的模型可以解釋氫原子光譜，且實驗與理論符合很好。

1919年，歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）發現氫原子核（被稱為最輕的原子核）可以從原子核中提取出來。通過原子轟擊生產氮氣。因此，質子是候選基本粒子或基本粒子，因此是氮和所有其他較重原子核的組成部分。歐內斯特·盧瑟福（Rutherford）用α粒子轟擊干燥的氮氣，擊中氮原子核，使氮轉化為氧，并釋放出一個質子，實現了人類歷史以來第一次人工核反應。

1920年，盧瑟福首次提到原子核里中性子的概念，他在皇家學會貝克里安講座的演講中提出：也許在原子核這樣微小的范圍內，多余的質子吸引了核外電子，形成了一種質量與質子相近的中性粒子。由于發現氫核作為一種基本粒子存在于其他原子核中，歐內斯特·盧瑟福懷疑氫這種最輕的元素只包含其中一種粒子，因此他給氫核 H+ 起了一個特殊的粒子名稱。他根據希臘文 "第一"一詞的中性單數πρ?τον，將這個新的原子核基本構件命名為質子。

物理學家們逐漸意識到，在微觀的尺度上，存在著一個跟宏觀世界很不一樣的世界，它的尺度如此之小，所以科學家們不得不借助一些特殊的實驗儀器來觀測其中的現象。粒子加速器和對撞機等更加強大的粒子物理的研究工具的出現加速了科學家對微觀粒子的研究。

1964年，美國物理學家默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）提出了夸克模型，認為每個重子由3個夸克（或反夸克）組成，每個介子都由兩個夸克（或反夸克）構成。但是，實驗中從未觀察到單獨的夸克，這點可由“夸克禁閉”（quark confinement）的理論來解釋。

質子包含眾多成分的證據來自1967年的斯坦福直線加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center，SLAC）。在早期的實驗中，研究人員用電子轟擊質子，然后觀察到它們像臺球一樣跳彈開來。而當SLAC提高能量，更猛烈地發射電子，研究人員發現它們的反彈方式不同。電子撞擊質子的強度足以打碎后者——這個過程稱為深度非彈性散射（Deep Inelastic Scattering，DIS）——并從質子的類點碎片，即夸克反彈回來，這是夸克存在的第一個證據。

1968年，美國斯坦福大學的國家加速器實驗室 SLAC用深度非彈性散射實驗，證明了質子存在內部結構，也間接證明了夸克的存在。之后，又有更多的實驗數據驗證了強子的夸克模型。

1992年，在德國漢堡運行的強子—電子環形加速器（Hadron-Electron 圓環油門，HERA）用電子轟擊質子的強度大約是SLAC的千倍。在HERA實驗中，物理學家可以選擇從極低動量夸克反彈的電子，甚至是僅攜帶質子總動量0.005%的電子。而他們確實發現了極低動量電子：HERA的電子從低動量夸克及其反物質對應——反夸克的漩渦中反彈回來。

1996 年，SuperK的科學家們開始尋找衰變的質子。雖然他們對中微子進行了大量測量，但他們還沒有看到單個質子衰變。據此，研究人員得出結論，如果質子會衰變，則它的壽命應該大于2×1034年。

二十一世紀的研究

2000年，歐洲核子中心宣稱其下屬的超級質子同步加速器（Super Proton Synchrotron, SPS）制備出夸克膠子等離子體，在這期間，位于紐約布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機（Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC）以及位于歐洲核子中心的大型強子對撞機（Large Hadron Collider, LHC）開展了進一步的高能對撞實驗，科學家們發現這種物質處于近乎完美的液體狀態。而在對撞實驗中產生的這種接近完美液體的夸克-膠子等離子體也會進行類似于宇宙膨脹的過程，并在膨脹過程中迅速冷卻，從而夸克被膠子束縛在一起形成大量粒子，最后被探測器捕獲。實驗家們通過數據分析獲得這些粒子的分布，其中便蘊含著對撞的質子以及重離子內部結構的信息。

2010年，德國科學家發現質子半徑比先前預計的小了4%。

2013年，新的試驗也再次驗證了質子大小的差別。在2010年的實驗中，科學家們利用先進的儀器將氫原子中帶負電荷的μ介子分離并放進一個單個質子核高能軌道上，測量μ介子進入時軌道的微弱變動，以此測量質子的大小。2013年的實驗則用電子替代了μ介子，得到了同樣的結果?？茖W家們都同意新的實驗結果的正確性，卻無法解答為什么過去的做法會出錯。

2020年，Myers和Fink測量了核（由一個質子和一個中子組成的原子核）和一個電離氫分子（由兩個化學結合的質子組成）的質量比。這兩個粒子具有相同的電荷和幾乎相等的質量，所以它們以幾乎相同的頻率運行，增加了測量的精度。

2023年8月，來自布魯克海文國家實驗室的Heikki M?ntysaari等理論家們在發表于Phys.Lett. B的文章中，通過研究質子與重離子的對撞過程加深了人類對質子內部結構以及夸克膠子等離子體性質的認識。

M?ntysaari等人發現，為了從理論上正確地解釋這些實驗數據，質子內部結構的漲落（Fluctuation）至關重要：三個夸克在質子中的位置可以不斷變化，它們也不斷地發射出會迅速產生、湮滅的膠子，這些膠子如同云一般圍繞在三個夸克周圍，且膠子的疏密也會不斷變化。2016年，他們已經通過分析深度非彈性散射實驗（Deep Inelastic Scattering, DIS）中的非相干衍射過程（Incoherent Diffraction）研究了質子內部結構的漲落，并發現這種漲落對解釋非相干衍射過程的實驗數據也同樣重要。在這類過程中，高能質子與高能電子或正電子對撞而被擊碎，生成的新粒子的分布會強烈依賴于質子內部結構的漲落行為。也正因為這些漲落行為，質子可以具有非常不同的形態。

物理性質

穩態

粒子物理學的標準模型表明，質子是百分百穩定的，這意味著它們不會衰變。脫離束縛的自由中子會在大約15分鐘后衰變，產生質子、電子和反中微子。相比之下，質子是一種較為穩定的粒子，這其中有兩個原因。首先，粒子物理學的標準模型表明，質子是百分百穩定的，這意味著它們不會衰變。另一方面，其他理論預測，質子會衰變，或者至少最終會衰變。一些科學家希望這些新理論能夠取代標準模型，因此尋找質子衰變就變得非常重要。守恒定律規定，有些屬性無論如何都不會改變。

根據標準模型，重子數、電荷和能量都是守恒的。還有更多的守恒量，舉例來說就是在中子衰變的情況下，中子會變成質子、電子和電子反中微子。由于質子和中子的重子數都是+1，因此重子數在衰變前后是守恒的。由于中子帶零電荷，質子帶正電荷，電子帶負電荷，反中微子不帶電荷，所以衰變之前電荷為零，衰變之后電荷也為零，符合電荷守恒。在能量方面，當質子、電子和反中微子的質量加起來時，它不能大于中子的質量。

標準模型表明任何衰變都必須遵守電荷、能量和重子數守恒。因此，重子數為+1、電荷為+1且質量固定的質子，如果衰變成一定數量的粒子，那么這些粒子的總質量不能大于質子、總電荷等于+1和總重子數為+1。但質子是最輕的重子，因此它衰變成任何重子都會比質子重，這將違反能量守恒。因此，根據標準模型，質子不能衰變，質子因此是穩定的。

SuperK的科學家們對中微子進行了大量測量，但未看到單個質子衰變。據此，研究人員得出結論，即便質子會衰變，則它的壽命應該大于2×1034年。

質量

質子的質量分布比電荷分布更加緊密，不同的相互作用力對應的質子半徑大小不同?？茖W家們通過對引力形狀因子作傅里葉變換畫出質子內部的質量分布圖，發現質子的“質量”分布是不均勻的：在中心區有一塊像蛋黃一樣的分布，其密度最大，然后從里到外密度逐漸降低。這種分布，與質子內部的結構密切相關。

2011年11月30日，佛羅里達州立大學原子物理學家Edmund Myers和David Fink將兩個離子限制在一個電磁陷阱中，讓它們連續轉動數周，并以極高的精度比較它們的質量。隨后，他們得出了迄今為止最精確的質子質量估值：1.007276466574±10-12amu（原子質量單位）。

為了使氘核和氫離子在相同的條件下運行，Myers和Fink把它們放在同一個電磁陷阱中，并持續數周。他們將其中一個放置在一個直徑4毫米的大軌道上，另一個在陷阱中心40微米的軌道上旋轉，每10分鐘交換一次。然而，即使是這種技術也不足以確保兩個粒子的測量結果是完全可比的。之后Myers和Fink重現了麻省理工學院20年前開發的技術，同時旋轉氘核和陷阱中心的氫離子。研究人員將離子頻率的精度提高了4倍，利用一些理論結果，他們能夠確定氘核與質子的質量比為萬億分之四點五。最后，為了估計質子的質量，Myers和Fink將他們的測量比率與德國馬克斯·普朗克核物理研究所去年發表的一項對氘核質量極其精確的測量結果相結合。

電荷半徑

根據粒子物理國際合作組織粒子數據組(Σ粒子數據 Group)在2020年公布的數據，質子電荷半徑的測量平均值為0.841±0.019飛米（1飛米=0.000000000000001米）。

物理學家們把研究引力子和質子散射問題轉換為求類標量引力形狀因子，并最終歸結為：利用矢量介子近閾產生的實驗數據，通過擬合手段獲得動量轉移為零處的斜率，從而獲得質子的質量半徑。羅伯特·霍夫斯塔特?（Robert Hofstadter），因通過電子彈性散射實驗對核子的大小及結構的測量而獲得了1961年諾貝爾物理學獎。

中美科學家利用光生和電生過程的矢量介子在閾值附近產生的數據，深入了解QCD跡反常機制對質子質量的貢獻，這對于研究質子質量半徑問題是非常重要的，意味著可以從實驗數據中去提取質子質量半徑值。

美國紐約州立大學石溪分校的核物理學家Dmitri Kharzeev教授通過分析美國JLab GlueX實驗數據，得到的質子質量半徑為0.55±0.03飛米。

中國科學院近代物理研究所的研究團隊通過分析德國SAPHIR、日本LEPS和美國JLab GlueX三組實驗數據，算出的質子質量半徑為0.67±0.03飛米，并將相關研究發表在Physical Review D上。

質子內部壓力

由于質子由被膠子限制的夸克組成，因此我們可以定義作用在夸克上的等效壓力，這允許使用高能電子的康普頓散射（DVCS為深度虛擬康普頓散射的縮寫）來計算作為距中心距離的函數的分布。中心的最大壓力約為1035Pa，比中子星內部的壓力還要高。

當用來轟擊質子的電子能量不同時，質子展現出的結構并不相同。在低能下，質子內部主要顯示出三個價夸克，包含兩個上夸克以及一個下夸克。在高能或者說更短的時間尺度下，夸克可以釋放出膠子，然后膠子又很快地被其他夸克吸收。在被吸收之前，膠子也可以分裂出膠子或一對正反夸克，然后它們會迅速再融合為一個膠子，繼而被吸收，如此等等。

三個夸克在質子中的位置可以不斷變化，并且它們不斷地發射出漲落的膠子，這些膠子如同云一樣，形成膠子云圍繞在三個夸克周圍，而膠子云的疏密分布也會變化。也正因為這些漲落行為，質子可以具有非常不同的形態。

質子的三個價夸克對其自旋有貢獻，但是膠子，海夸克和反夸克以及軌道角動量也有貢獻。靜電排斥和惹人注意的強大核力共同決定了質子的大小，并且需要夸克混合的性質來解釋我們宇宙中的自由粒子和復合粒子。不同形式的結合能加上夸克的靜質量，才給出了質子和所有原子核的質量。

自由質子

自由質子（不與核子或電子結合的質子）是一種穩定的粒子，尚未被觀察到自發分解為其他粒子。自由質子在許多情況下都是天然存在的。在這些情況下，能量或溫度足夠高，可以將它們與電子分開。它們對電子有一定的親和力。自由質子存在于溫度過高以致于不能與電子結合的等離子體中。高能和高速的自由質子占宇宙射線的90%。在一些罕見類型的放射性衰變中，自由質子可以直接從原子核發射。質子（連同電子和反中微子）也可在不穩定自由中子的放射性衰變中產生。

自由質子和中子內部的夸克與原子核中質子、中子內部的夸克，在性質上有很大的差異。此外，還有實驗發現，質子和中子的自旋并不是來自構成它們的夸克的自旋，這種現象讓科學家意外，因為最初是在質子上發現的，所以被稱為“質子自旋危機”。

反質子相關

在通常的環境下，反物質的產額極為稀少，位于長島的美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機(RHIC)利用兩束接近于光速的金核對撞來模擬宇宙大爆炸，產生類似于宇宙大爆炸之后幾個微秒時刻的物質形態。這種物質是由基本粒子，即夸克、膠子組成的等離子體新物質形態，它具有大約是太陽中心250000倍的極端高溫。然后夸克-膠子等離子體迅速冷卻產生了大約等量的質子與反質子。這種相互作用力使得核子或者反核子能夠相結合成原子核或者反物質原子核，研究最簡單的反質子之間的相互作用力可以為以后研究更為復雜的反物質原子核間的相互作用提供決定性的基礎。

研究人員利用金核-金核碰撞中產生的豐富反質子，通過反質子-反質子動量關聯函數的測量，扣除了通過其它粒子衰變過來的次級反質子與其他反粒子關聯的污染，精確地構建了反質子-反質子關聯函數。結合量子多粒子關聯理論，提取出反質子-反質子的有效力程和散射長度這兩個基本作用參數。研究表明，在實驗精度內反物質間的相互作用與正物質并沒用差別，即反質子-反質子之間的強相互作用存在著吸引，它們可以克服由于同號（負電荷）的反質子-反質子之間的庫倫排斥而結合成反物質原子核。這項研究成為檢測正反物質對稱性的又一種新方式。

輕反原子核由反質子和反中子組成。根據大型強子對撞機（LHC）團隊研究認為，輕反原子核或能在銀河系中穿越很長的距離。這項研究結果表明，這些反原子核或能用于尋找暗物質。

應用

質子守恒

在化學中，原子核中質子的數量稱為原子序數，它決定了原子所屬的化學元素。每個原子的化學性質由（帶負電）電子的數量決定。對于中性原子，電子等于（加）質子的數量，因此總電荷為零。其中中子數量可以發生變化，形成不同的同位素，能級也可以不同，從而產生不同的核異構體。

氫離子

氫離子（H+）是氫原子失去一個電子形成的陽離子，帶一個單位正電荷。某些情況下，也能形成帶一個單位負電荷的陰離子，稱為氫負離子。氫的核素形成的陽離子可以看作質子。但另外兩種核素氘和氚形成的陽離子則不能看作質子，只能叫做氫離子。酸堿反應H+中的轉移通常稱為“質子轉移”。酸被稱為質子供體，堿被稱為質子受體。同樣，質子泵和質子通道等生化術語是指水合H+離子的運動。

質子核磁共振MRI

磁共振成像（MRI），又叫核磁共振成像。自1937年，拉比（Isador Isaac Rabi）發現核磁共振的現象開始，磁共振技術在隨后的幾十年中迎來了飛速發展，如今已成為臨床檢查和診斷中必不可少的設備。在整個磁共振技術的發展中，一共有6次諾貝爾獎誕生。

氫原子核在人體內含量最高，而且磁化率也是最高的，所以我們一般用氫原子核進行磁共振成像。因此，拍核磁，拍的就是“氫原子核”，也可以被稱為“質子”。人體內的氫原子核主要來自于三類化合物——水、脂肪、蛋白質，但是蛋白質內的氫原子核一般沒有MRI信號，所以人體中的MRI信號主要來自于水，部分組織中的信號也來自于脂肪。

每一個氫原子核產生的磁場類似于一個小磁針，會在磁場中受到力的作用而偏轉。如果我們外加一個主磁場，由于磁場中力的作用，氫原子核產生的磁化矢量就會與主磁場方向平行同向或者平行反向。

與主磁場平行同向的質子，不需要對抗主磁場的作用而處于低能級；與主磁場平行反向的質子，需要對抗主磁場的作用而處于高能級。低能級的質子略多于高能級的質子，整體在宏觀上表現為與主磁場同向的磁化矢量。當高能級質子與低能級質子數量一致時，磁化矢量相互抵消，則質子在宏觀上表現為主磁場方向的磁化矢量為0。由于人體內組織含氫原子核的數量不同，氫原子核所處的化學環境不同，所以縱向和橫向弛豫的過程不一樣，相應的，磁化矢量恢復的時間也就不同。

因此，通過設置MRI序列，就可以采集到組織的信號。由于不同組織的MRI信號強度不同，因此能得到體內組織的對比圖像。由于“磁感線切割電感線圈會產生電流”，因此，用旋轉的XY方向的磁化矢量去切割線圈就能得到磁共振產生的電信號，進而運用數學方法對電信號進行轉換，就能獲得磁共振圖像了。

未來發展

質子質量問題，已經被中國和美國電子離子對撞機列為最主要的科學目標之一。未來的電子離子對撞機將有望幫助科學家揭開質子內部結構、質量以及其他更多的謎團，促進人類從最微小、也是最基本的層次去理解宇宙。

未來美國正在規劃中的高精度粒子加速器——電子-離子對撞機（Electron-IonCollider, EIC）是一種大型粒子加速器，用沒有內部結構的電子轟擊質子和更重的原子核，探索核子和原子核的內部夸克和膠子的結構及它們之間的相互作用。EIC對撞機的一個優勢是其能量比較高，從而可以更加清晰地看到質子內部結構：質子本身的百分之一到萬分之一尺度的結構。

該機器未來將進行電子與質子或重核的對撞實驗，并對非相干衍射過程進行觀測，那時，研究人員便可以直接地對質子內部結構的漲落進行研究，從而更好地研究夸克-膠子等離子體的演化性質，也可以進一步加深我們對早期宇宙的認識。此外，對夸克-膠子等離子體的研究也有助于我們對量子色動力學相結構與夸克物質的了解；相對論離子碰撞也是研究強相互作用的重要途徑，也是尋找反物質原子核和奇異強子的理想場所，與粒子物理、致密星體等等研究方向也緊密關聯。

中國的科研人員也參與了相對論重離子碰撞及夸克膠子等離子體等相關領域的研究，2050年大科學裝置發展路線圖的規劃，由中國科學院近代物理研究所最早于2012年主導提出，在強流重離子加速器裝置（HIAF，已于2018年底在廣東省惠州市開工建設）的基礎上，添加一條新的電子束流，建成電子束流和質子/重離子束流均極化的中國電子離子對撞機(Electron Ion Collider in China, EicC)。探針尺度由對撞機的能量決定。EicC的探針尺度大約在質子的百分之一到千分之一左右，是研究?？淇说淖罴褏^域。EicC建成后，將是世界上第一臺運行于?？淇四軈^的極化電子離子對撞機。

在實驗方面，中國高能核物理隊伍已通過國際合作積極參與了歐洲LHC以及美國RHIC的各項工作并取得了重要成果。

參考資料 >

質子到底有多大? 新的半徑測量來了.微信公眾平臺.2023-11-07

質子是否會衰變.微信公眾平臺.2023-11-08

宇稱為什么不守恒?.微信公眾平臺.2023-11-14

質子內部有什么?.微信公眾平臺.2023-11-08

中外科學家首次測量到反物質間相互作用力.國家自然科學基金委員會.2023-11-10

一路物理傳奇:從原子結構到核能利用.微信公眾平臺.2023-11-16

再精確10倍!質子磁矩測量創新紀錄.中國科學院.2023-11-14

Science論文導讀 1124.環球科學.2023-11-16

proton.britannica.2023-11-14

構成萬物的質子和中子，質量從何而來?.環球科學.2023-11-14