質子

1919年，盧瑟福做了用α粒子轟擊氮原子核的實驗，實驗裝置如圖所示，容器C里放有放射性物質A，從A射出的α粒子射到鋁箔F上，適當選取鋁箔的厚度，使容器C抽成真空后，α粒子恰好被F吸收而不能透過，在F后面放一熒光屏S，用顯微鏡冊來觀察熒光屏上是否出現(xiàn)閃光．通過閥門T往C里通進氮氣后，盧瑟福從熒光屏S上觀察到了閃光，把氮氣換成氧氣或二氧化碳，又觀察不到閃光，這表明閃光一定是α粒子擊中氮核后產生的新粒子透過鋁箔引起的。

盧瑟福把這種粒子引進電場和磁場中，根據(jù)它在電場和磁場中的偏轉，測出了它的質量和電量，確定它就是氫原子核，又叫做質子，通常用符號¹H或p表示。

這個質子是α粒子直接從氮核中打出的，還是α粒子打進復核后形成的復核發(fā)生衰變 時放出的呢"para" label-module="para">

在云室的照片中，分叉后細而長的是質子的徑跡，短而粗的是反沖氧核的徑跡。

后來，人們用同樣的方法使氟、鈉、鋁等核發(fā)生了類似的轉變，并且都產生了質子。由于各種核里都能轟擊出質子，可見質子是原子核的組成部分。

物理中質子常被用來在加速器中加速到近光速后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(shù)據(jù)。慢速的質子也可能被原子核吸收用來制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。

英國物理學家歐內斯特·盧瑟福被公認為質子的發(fā)現(xiàn)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，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。質子命名為proton，這個單詞是由希臘文中的“第一”演化而來的。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(shù)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。盧瑟福發(fā)現(xiàn)質子以后，又預言了不帶電的中子存在。

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。

相對質量：1.007

電荷： 1 元電荷（ 1.602176634 × 10^-19庫侖）

粒子自旋：1/2

粒子磁矩：2.7928 單位核磁子

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(wěn)定）

組成：兩個上夸克、一個下夸克

質子數(shù)=原子序數(shù)（就是元素序號）=核外電子數(shù)，中子數(shù)=質量數(shù)-質子數(shù)

1.氧元素是第二周期的元素，所以氧原子只有2個電子層內從層2個，外層6個，共8個電子；而氧原子的質子數(shù)也是8個。符合核外電子數(shù)=質子數(shù)，所以氧原子本身是電中性的，不帶電荷。

事實上所有的原子都是電中性的，都符合【質子數(shù)】=【原子序數(shù)】=【核電荷數(shù)】=【核外電子數(shù)】

2.每種物質中的原子的核外電子數(shù)一定是等于該原子的質子數(shù)，但是這并不是說這種結構是穩(wěn)定的結構，這只是元素原子的一個特性。比如Na原子就非常不穩(wěn)定，很容易失去一個電子變成Na ，帶一個正電荷，達到穩(wěn)定結構。注意此時帶電荷是因為變成了離子。對于未失去電子的Na原子來說，還是符合核外電子數(shù)=質子數(shù)

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(fā)現(xiàn)的，兩人為此獲得了1959年的諾貝爾物理學獎。

反質子的發(fā)現(xiàn)：正電子的發(fā)現(xiàn)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(wěn)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(jù)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(xiàn)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(wěn)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。由于反質子出現(xiàn)的機會極少，大約每1000億高能質子的碰撞，才能產生數(shù)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(shù)系統(tǒng)雖不算好，但較為可信。不久他們又發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)了現(xiàn)代弱電統(tǒng)一理論所預言的傳力子，因而獲得1984年度諾貝爾物理學獎。

符號p，H

發(fā)現(xiàn)時間1919年

發(fā)現(xiàn)者歐內斯特·盧瑟福

質子守恒就是酸失去的質子和堿得到的質子數(shù)目相同，質子守恒和物料守恒，電荷守恒一樣同為溶液中的三大守恒關系，質子守恒也可以由電荷守恒和物料守恒關系聯(lián)立得到NaHCO₃ 溶液中，存在下列等式 C(H ) C(Na )=C(HCO₃^-) 2C(CO₃^2-) C(OH^-) 這個式子叫電荷守恒C(Na )=C(HCO₃^-) C(CO₃^2-) C(H₂CO₃) 這個式子叫物料守恒

方法一：兩式相減得 C（H ） C（H₂CO₃）=C（CO₃^2-） C(OH^-) 這個式子叫質子守恒。方法二：由酸堿質子理論原始物種：HCO₃^-，H₂O消耗質子產物H₂CO₃，產生質子產物CO₃^2-，OH-C（H ）=C（CO₃^2-） C(OH^-) -C（H₂CO₃）即C（H ） C（H₂CO₃）=C（CO₃^2-） C(OH^-) 關系：剩余的質子數(shù)目等于產生質子的產物數(shù)目-消耗質子的產物數(shù)目直接用酸堿質子理論求質子平衡關系比較簡單，但要細心；如果用電荷守恒和物料守恒關系聯(lián)立得到則比較麻煩，但比較保險，又如NaH₂PO₄溶液，原始物種：H₂PO_4-，H₂O，消耗質子產物：H₃PO₄,產生質子產物：HPO₄^2-（產生一個質子），PO₄^3-（產生二個質子），OH^-，所以：c（H ）=c(HPO₄^2-) 2c(PO₄^3-) c(OH-)-c（H₃PO₄） 可以用電荷守恒和物料守恒聯(lián)立驗證下。2100433B

在巨大的壓力下，處于超固態(tài)的物質，使原來已經擁擠得緊緊的原子核和電子不能再緊了，這時候原子核只好被迫解散，從里面釋放出質子與中子。從原子核里放出的質子，在極大壓力下會與電子結合為中子。這樣，物質的構造就發(fā)生了根本性的變化，原來由原子核和電子構造的物質，如今都變成了中子。這樣的狀態(tài)，就叫做“中子態(tài)”。

至今為止質子被認為是一種穩(wěn)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(shù)據(jù)。實驗已測得的質子壽命大于10³⁵年。

水中的氫離子絕大多數(shù)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(jù)酸堿質子理論，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堿。

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(fā)發(fā)生，但只有當能源供應。其計算公式：

于此

p 是一個質子，

e 是一個電子，

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分鐘。

酸堿離子理論是阿倫尼烏斯（Arrhenius）根據(jù)他的電離學說提出來的。他認為在水中能電離出氫離子并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并且不產生其它陰離子的物質叫堿。酸堿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(tài)氨與氯脂氫反應迅速生成氯化銨，這個酸堿中和反應并有水的生成；又如氨的水溶液顯堿性，曾錯誤地認為NH₃和H₂O形成弱電解質NH₄OH分子，然后離解出OH^-、NH₄ 等。

由于阿累尼烏斯的酸堿離子理論不能解一些非水溶液中進行地酸堿反應等問題，1923年布朗特（Bronsted）提出了酸堿質子理論，把酸堿概念加以推廣。酸堿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堿。即酸是質子的給予體，堿是質子的接受體。這樣，一個酸給出質子后余下的部分自然就是堿，因為它本身就是與質子結合的。

這種關系叫做酸堿的共軛關系，式中略去了HB和B可能出現(xiàn)的電荷。右邊的堿是左邊酸的共軛堿，左邊的酸是右邊堿的共軛酸，兩者組成一個共軛酸堿對，它們只直差一個質子。從以上例子可以看出，酸和堿可以是分子，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(xiàn)酸，也

表現(xiàn)為堿，所以它是兩性物質。同理，H₂O，HCO₃^-等也是兩性物質。二、共軛酸堿的強弱共軛酸堿對的離解常數(shù)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(shù)，所以它不出現(xiàn)在平衡常數(shù)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(shù)。所以 K_a·K_b=K_W （2-7）24℃時K_W值為1.0×10-14.這個關系說明,只知道了酸的離解常數(shù)K_a,就可以計算出它的共軛堿的K_b，反之亦然。K_a和K_b是成反比的，而K_a 和K_b正是反映酸和堿的強度，所以，在共軛酸堿對中，酸的強度愈大，其共軛堿的強度愈??；堿的強度愈大，其共軛酸的強度愈小。

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

三、酸堿反應酸堿質子理論中的酸堿反應是酸堿之間的質子傳遞。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，然后轉變成共軛堿Cl^-，NH₃是堿，接受質子后轉變成共軛酸NH⁴ 。強堿奪取了強酸放出的質子，轉化為較弱的共軛酸和共軛堿。酸堿質子理論不僅擴大了酸堿的范圍，還可以把酸堿離解作用、中和反應、水解反應等，都看作是質子傳遞的酸堿反應。由此可見，酸堿質子理論更好地解釋了酸堿反應，擺脫了酸堿必須在水中才能發(fā)生反應的局限性，解決了一些非水溶劑或氣體間的酸堿反應，并把水溶液中進行的某些離子反應系統(tǒng)地歸納為質子傳遞的酸堿反應，加深了人們對酸堿和酸堿反應的認識。但是酸堿質子理論不能解釋那些不交換質子而又具有酸堿性的物質，因此它還存在著一定的局限性。

路易斯提出的酸堿電子理論是目前概括最廣的酸堿理論。該理論認為，凡是能給出電子對的物質叫做堿；凡是能接受電子對的物質叫做酸。即酸是電子對的接受體，堿是電子對的給予體。因此，堿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），以便接受堿給予的電子對，這種由路易斯定義的酸和堿叫做路易斯酸和路易斯堿。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，為路易斯堿。但是，由于酸堿電子理論概括的酸堿范圍太寬，使其實用價值受到一定的限制。

質子泵有四類：P-type、V-type 、F-type和ABC superfamily。

P型質子泵

分布：真核生物的細胞膜

特點：轉運H 過程涉及磷酸化和去磷酸化

載體蛋白利用ATP使自身磷酸化（phosphorylation），發(fā)生構象的改變來轉移質子或其它離子，如植物細胞膜上的H 泵，動物細胞的Na -K 泵，Ca² 離子泵，H -K ATP酶（位于胃表皮細胞，分泌胃酸）。

V型質子泵

分布：位于小泡的膜上（動物細胞溶酶體膜，動物細胞的內吞體，高爾基體的囊泡膜，植物液泡膜）。

特點：水解ATP產生能量，但不發(fā)生自磷酸化。

共同的功能：保持細胞質基質內中性pH和細胞器內的酸性pH

F型質子泵

分布：線粒體膜和植物內膜

是由許多亞基構成的管狀結構，H 沿濃度梯度運動，所釋放的能量與ATP合成耦聯(lián)起來，所以也叫ATP合酶（ATP synthase），F(xiàn)是氧化磷酸化或光合磷酸化偶聯(lián)因子（factor）的縮寫。F型質子泵位于細菌質膜，線粒體內膜和葉綠體的類囊體膜上，其詳細結構將在線粒體與葉綠體一章講解。F型質子泵不僅可以利用質子動力勢將ADP轉化成ATP，也可以利用水解ATP釋放的能量轉移質子。

ABC超家族

分布：原核和真核生物的細胞質膜

該超家族含有幾百種不同的轉運蛋白，是最大的一類轉運蛋白。每種ABC轉運蛋白對于底物或底物的基團有特異性 。