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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。質子屬於重子類,由兩個上夸克和一個下夸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於何種化學元素。

1 質子 -概述

質子質子-內部結構圖

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,只不過其壽命非常長。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數據。在水中被溶解的氫離子實際上就是質子。質子在化學和生物化學中起非常大的作用。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。

質子也是宇宙射線中的主要成分。質子的反粒子是反質子,反質子是1955年埃米利奧•塞格雷和歐文•張伯倫發現的,兩人為此獲得了1959年的諾貝爾物理學獎。

2 質子 -發現歷史

質子中子圖

1919年盧瑟福任卡文迪許實驗室主任時,用α粒子轟擊氮原子核后射出的粒子,命名為proton,這個單詞是由希臘文中的「第一」演化而來的。歐內斯特·盧瑟福被公認為質子的發現人。1918年

他注意到在使用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)就已經注意到陽極射線 是由正離子 組成的。但他沒有能夠分析這些離子 的成分。

 

3 質子 -基本性質

符號

H+

質量

靜止質量938MeV,即1.6726231 × 10^-27 千克,是電子的1836倍。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

半衰期

半衰期最短為 1035 年(可視為穩定)

結構
質子原子核內部粒子-結構圖

質子是穩定粒子,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佈,因此質子不是點粒子,而具有一定的結構。普遍認為質子是由所謂夸克的基本粒子構成,由兩個+2/3電荷的上夸克和一個-1/3電荷的下夸克通過膠子在強相互作用下構成。 

作用力

主要表現為引力、電磁力、弱核力、強核力。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。

4 質子 -質子理論

質子理論簡述
質子酸鹼質子理論

酸鹼離子理論是阿累尼烏其斯(Arrhenius)根據電離學說提出來的。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。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沒有水的生成;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-與NH4+等。

由於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,一個酸給出質子后餘下的部分自然就是鹼,因為它本身就是與質子結合的。

 這種關係叫做酸鹼的共軛關係,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,它們只直差一個質子。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HPO42-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,HCO3-等也是兩性物質。

路易斯提出的酸鹼電子理論是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,由於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制。

共軛酸鹼的強弱

共軛酸鹼對的離解常數Ka和Kb之間有確定的關係。以HOAc為例推導如下:由於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 .這個關係說明,只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。

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,如果溶於不同的溶劑,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。

酸鹼反應
質子質子

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。

5 質子 -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係,質子守恆也可以由電荷守恆和物料守恆關係聯立得到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-)
關係:剩餘的質子數目等於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係比較簡單,但要細心;如果用電荷守恆和物料守恆關係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

6 質子 -應用

質子反質子內部結構圖

 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數據。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。

 

7 質子 -化學中的質子

原子序數
質子電子圖

在化學中, 一個原子的核所含的質子的個數被稱為原子序數。 原子序數決定了一個原子屬於哪種元素。 例如,氯的原子序數是 17,這意味著每個氯原子擁有 17 個質子,並且所有擁有 17 個質子的原子都是氯原子。 每個原子的化學性質是由其 (帶負電的)電子的個數決定的。 對於中性的原子而言, 電子與(帶正電的)質子個數相同,所以總電荷量為零。 比如,中性的氯原子有 17 個質子和 17 個電子, 而帶負電的氯離子 Cl則有 17 個質子和 18 個電子,總電荷量為 −1。

而所屬元素相同的原子也未必完全一致, 因為它們可能分屬中子數不同的同位素,以及能級不同的核同質異能素。 

氫離子

在化學中, 「質子」 一詞所指的是氫離子 H+。 因為氫的原子序數是 1,氫離子不帶電子,只有一個獨立存在的、只由一個質子組成的原子核(並且它最豐沛的同位素氕 氫不含中子)。 質子是一個 「赤裸的電荷」,其半徑僅相當於氫原子半徑的 1/64,000,所以化學反應性極強。 在液體之類的化學系統中, 遊離質子的生存時間很短;它會立即與任何可以利用的分子的電子云反應。 在水溶液中, 它形成水合氫離子;水合氫離子又進一步被水分子溶解,形成 [H5O2]和 [H9O4]之類的水合離子簇。

在酸–鹼反應中發生的氫離子傳遞通常被稱為 「質子傳遞」;酸鹼分別被稱為質子的提供者和接收者。 類似地,生物化學中的 「質子泵」 和 「質子通道」 之類的術語,所討論的也是水合氫離子的運動。

將氘原子的電子移除得到的離子叫做氘離子; 氘離子不是質子。 類似的結論對氚也成立。

質子核磁共振 (NMR)
質子質子直線加速器

此外,在化學,「質子核磁共振」指的是氫原子核(主要是有機)分子核磁共振觀察。此方法使用質子的自旋,其中有值的一半。名稱檢驗質子是指發生在氕(氫原子)的化合物,並不意味著自由質子存在的化合物正在研究中。


 

8 質子 -反質子

質子正反粒子-結構圖

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。於是人們就開始尋找其他粒子的反粒子。

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。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。由於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。由於偶然符合本底不大,記數系統雖不算好,但較為可信。

不久他們又發現反中子。儘管高能粒子打靶時也能產生反中子,但是由於反中子不帶電,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年度諾貝爾獎金物理學獎。

9 質子 -負質子

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。那麼粒子是否帶有電荷,帶什麼性質的電荷,主要看這些粒子在電場中是否移動,向那極移動。因為電子在電場中向正極移動,所以我們可以斷定它帶有負電荷,同理,我們判定質子帶有正電荷而中子不帶電荷。那麼它們帶有多少電荷呢,我們現在還不能

質子質子治療中心
確定它們所帶電荷的絕對電量是多少,只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,只是電性相反。這也就是我們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。

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,它的質量以及所有的性質都和電子無異,只是所帶電荷為正電荷;同樣,人們還在探索負質子,我們稱正電子、負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,併產生光子。

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