質(zhì)子應(yīng)用

物理中質(zhì)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(yàn)為研究原子核結(jié)構(gòu)提供了極其重要的數(shù)據(jù)。慢速的質(zhì)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(shù)使用質(zhì)子的自旋來測(cè)試分子的結(jié)構(gòu)。

1919年，盧瑟福做了用α粒子轟擊氮原子核的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，容器C里放有放射性物質(zhì)A，從A射出的α粒子射到鋁箔F上，適當(dāng)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(cè)來觀察熒光屏上是否出現(xiàn)閃光．通過閥門T往C里通進(jìn)氮?dú)夂?，盧瑟福從熒光屏S上觀察到了閃光，把氮?dú)鈸Q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(chǎn)生的新粒子透過鋁箔引起的。

盧瑟福把這種粒子引進(jìn)電場(chǎng)和磁場(chǎng)中，根據(jù)它在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)，測(cè)出了它的質(zhì)量和電量，確定它就是氫原子核，又叫做質(zhì)子，通常用符號(hào)¹H或p表示。

這個(gè)質(zhì)子是α粒子直接從氮核中打出的，還是α粒子打進(jìn)復(fù)核后形成的復(fù)核發(fā)生衰變 時(shí)放出的呢"para" label-module="para">

在云室的照片中，分叉后細(xì)而長(zhǎng)的是質(zhì)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(zhuǎn)變，并且都產(chǎn)生了質(zhì)子。由于各種核里都能轟擊出質(zhì)子，可見質(zhì)子是原子核的組成部分。

英國(guó)物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福被公認(rèn)為質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)人。1918年他任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任時(shí)，用α粒子轟擊氮原子核，注意到在使用α粒子轟擊氮?dú)鈺r(shí)他的閃光探測(cè)器紀(jì)錄到氫核的跡象。質(zhì)子命名為proton，這個(gè)單詞是由希臘文中的“第一”演化而來的。盧瑟福認(rèn)識(shí)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(gè)基本粒子。在此之前尤金·戈?duì)柕滤固梗‥ugene Goldstein）就已經(jīng)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(zhì)子以后，又預(yù)言了不帶電的中子存在。

今時(shí)今日，以粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型理論為基礎(chǔ)而論，因?yàn)橘|(zhì)子是復(fù)合粒子，所以不再被編入基本粒子的家族中。

相對(duì)質(zhì)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(qiáng)核力

半衰期：最短為 10³⁵年（可視為穩(wěn)定）

組成：兩個(gè)上夸克、一個(gè)下夸克

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

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

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

2.每種物質(zhì)中的原子的核外電子數(shù)一定是等于該原子的質(zhì)子數(shù)，但是這并不是說這種結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這只是元素原子的一個(gè)特性。比如Na原子就非常不穩(wěn)定，很容易失去一個(gè)電子變成Na ，帶一個(gè)正電荷，達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。注意此時(shí)帶電荷是因?yàn)樽兂闪穗x子。對(duì)于未失去電子的Na原子來說，還是符合核外電子數(shù)=質(zhì)子數(shù)

至今為止質(zhì)子被認(rèn)為是一種穩(wěn)定的、不衰變的粒子。但也有理論認(rèn)為質(zhì)子可能衰變，只不過其壽命非常長(zhǎng)。到今天為止物理學(xué)家沒有能夠獲得任何可能理解為質(zhì)子衰變的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)已測(cè)得的質(zhì)子壽命大于10³⁵年。

水中的氫離子絕大多數(shù)都是水合質(zhì)子。質(zhì)子在化學(xué)和生物化學(xué)中起非常大的作用，根據(jù)酸堿質(zhì)子理論，可以在水溶液中提供質(zhì)子的物質(zhì)一般被稱為酸，可以在水溶液中吸收質(zhì)子的物質(zhì)一般被稱為堿。

然而，質(zhì)子是通過中子的過程中電子捕獲。這一過程不會(huì)自發(fā)發(fā)生，但只有當(dāng)能源供應(yīng)。其計(jì)算公式：

于此

p 是一個(gè)質(zhì)子，

e 是一個(gè)電子，

n 是一個(gè)中子，而且

νe 是一個(gè)電子中微子

這個(gè)過程是可逆的：中子可轉(zhuǎn)換回質(zhì)子通過β-衰變，共同形成放射性衰變。事實(shí)上，在一個(gè)自由中子衰變這樣一個(gè)平均壽命約15分鐘。

質(zhì)子的反粒子是反質(zhì)子，反質(zhì)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(xué)獎(jiǎng)。

反質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)：正電子的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了狄拉克反粒子理論，一些理論物理學(xué)家開始認(rèn)真對(duì)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(fù)能粒子海，也會(huì)有相應(yīng)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(yù)言了反質(zhì)子的存在，但證實(shí)它的存在卻花了20多年的時(shí)間。根據(jù)狄拉克的理論，反質(zhì)子的質(zhì)量與質(zhì)子相同，所帶電荷相反，質(zhì)子與反質(zhì)子成對(duì)出現(xiàn)或湮沒，用兩個(gè)普通的質(zhì)子碰撞便可獲得反質(zhì)子，但反質(zhì)子的產(chǎn)生閾能為6.8GeV。1954年，在加利福尼亞大學(xué)的勞倫斯輻射實(shí)驗(yàn)室，建成了64億電子伏的質(zhì)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(shí)了前一

年人們所觀測(cè)的反質(zhì)子的存在。由于反質(zhì)子出現(xiàn)的機(jī)會(huì)極少，大約每1000億高能質(zhì)子的碰撞，才能產(chǎn)生數(shù)量很少的反質(zhì)子，因而證實(shí)反質(zhì)子的存在極為困難。1955年他們這個(gè)實(shí)驗(yàn)小組測(cè)到60個(gè)反質(zhì)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(shí)也能產(chǎn)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(zhì)子與原子核碰撞，反質(zhì)子把自己的負(fù)電荷交給質(zhì)子，或由質(zhì)子處取得正電荷，這樣，質(zhì)子變成了中子，而反質(zhì)子則變成了反中子。魯比亞，C.在正反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)上進(jìn)行幾百吉電子伏的對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)代弱電統(tǒng)一理論所預(yù)言的傳力子，因而獲得1984年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

符號(hào)p，H

發(fā)現(xiàn)時(shí)間1919年

發(fā)現(xiàn)者歐內(nèi)斯特·盧瑟福

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

酸堿離子理論是阿倫尼烏斯（Arrhenius）根據(jù)他的電離學(xué)說提出來的。他認(rèn)為在水中能電離出氫離子并且不產(chǎn)生其它陽離子的物質(zhì)叫酸。在水中能電離出氫氧根離子并且不產(chǎn)生其它陰離子的物質(zhì)叫堿。酸堿中和反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是氫離子和氫氧根離子結(jié)合成水。這個(gè)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(yīng)迅速生成氯化銨，這個(gè)酸堿中和反應(yīng)并有水的生成；又如氨的水溶液顯堿性，曾錯(cuò)誤地認(rèn)為NH₃和H₂O形成弱電解質(zhì)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(jìn)行地酸堿反應(yīng)等問題，1923年布朗特（Bronsted）提出了酸堿質(zhì)子理論，把酸堿概念加以推廣。酸堿質(zhì)子理論認(rèn)為凡是能給出質(zhì)子的物質(zhì)都是酸，凡是能與質(zhì)子結(jié)合的物質(zhì)都是堿。即酸是質(zhì)子的給予體，堿是質(zhì)子的接受體。這樣，一個(gè)酸給出質(zhì)子后余下的部分自然就是堿，因?yàn)樗旧砭褪桥c質(zhì)子結(jié)合的。

這種關(guān)系叫做酸堿的共軛關(guān)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(gè)共軛酸堿對(duì)，它們只直差一個(gè)質(zhì)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(zhì)，既表現(xiàn)酸，也

表現(xiàn)為堿，所以它是兩性物質(zhì)。同理，H₂O，HCO₃^-等也是兩性物質(zhì)。二、共軛酸堿的強(qiáng)弱共軛酸堿對(duì)的離解常數(shù)Ka和Kb之間有確定的關(guān)系。以HOAc為例推導(dǎo)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(shí)K_W值為1.0×10-14.這個(gè)關(guān)系說明,只知道了酸的離解常數(shù)K_a,就可以計(jì)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(qiáng)度，所以，在共軛酸堿對(duì)中，酸的強(qiáng)度愈大，其共軛堿的強(qiáng)度愈??；堿的強(qiáng)度愈大，其共軛酸的強(qiáng)度愈小。

根據(jù)酸堿質(zhì)子理論，酸堿在溶液中所表現(xiàn)出來的強(qiáng)度，不僅與酸堿的本性有關(guān)，也與溶劑的本性有關(guān)。我們所能測(cè)定的是酸堿在一定溶劑中表現(xiàn)出來的相對(duì)強(qiáng)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(duì)強(qiáng)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(qiáng)酸，這是因?yàn)橐喊眾Z取質(zhì)子的能力（即堿性）比水要強(qiáng)得多。這種現(xiàn)象進(jìn)一步說明了酸堿強(qiáng)度的相對(duì)性。

三、酸堿反應(yīng)酸堿質(zhì)子理論中的酸堿反應(yīng)是酸堿之間的質(zhì)子傳遞。例如：這個(gè)反應(yīng)無論在水溶液中、苯或氣相中，它的實(shí)質(zhì)都是一樣的。HCl是酸，放出質(zhì)子給NH₃，然后轉(zhuǎn)變成共軛堿Cl^-，NH₃是堿，接受質(zhì)子后轉(zhuǎn)變成共軛酸NH⁴ 。強(qiáng)堿奪取了強(qiáng)酸放出的質(zhì)子，轉(zhuǎn)化為較弱的共軛酸和共軛堿。酸堿質(zhì)子理論不僅擴(kuò)大了酸堿的范圍，還可以把酸堿離解作用、中和反應(yīng)、水解反應(yīng)等，都看作是質(zhì)子傳遞的酸堿反應(yīng)。由此可見，酸堿質(zhì)子理論更好地解釋了酸堿反應(yīng)，擺脫了酸堿必須在水中才能發(fā)生反應(yīng)的局限性，解決了一些非水溶劑或氣體間的酸堿反應(yīng)，并把水溶液中進(jìn)行的某些離子反應(yīng)系統(tǒng)地歸納為質(zhì)子傳遞的酸堿反應(yīng)，加深了人們對(duì)酸堿和酸堿反應(yīng)的認(rèn)識(shí)。但是酸堿質(zhì)子理論不能解釋那些不交換質(zhì)子而又具有酸堿性的物質(zhì)，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(rèn)為，凡是能給出電子對(duì)的物質(zhì)叫做堿；凡是能接受電子對(duì)的物質(zhì)叫做酸。即酸是電子對(duì)的接受體，堿是電子對(duì)的給予體。因此，堿中給出電子的原子至少有一對(duì)孤對(duì)電子（未成鍵的電子對(duì)），而酸中接受電子的原子至少有一個(gè)空軌道（外層未填充電子的軌道），以便接受堿給予的電子對(duì)，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?yàn)锽F₃中的B原子有一個(gè)空軌道是電子的接受體。NH₃中N原子有一對(duì)孤對(duì)電子，是電子對(duì)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(shí)用價(jià)值受到一定的限制。

質(zhì)子守恒就是酸失去的質(zhì)子和堿得到的質(zhì)子數(shù)目相同，質(zhì)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(guān)系，質(zhì)子守恒也可以由電荷守恒和物料守恒關(guān)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(gè)式子叫電荷守恒C(Na )=C(HCO₃^-) C(CO₃^2-) C(H₂CO₃) 這個(gè)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(gè)式子叫質(zhì)子守恒。方法二：由酸堿質(zhì)子理論原始物種：HCO₃^-，H₂O消耗質(zhì)子產(chǎn)物H₂CO₃，產(chǎn)生質(zhì)子產(chǎn)物CO₃^2-，OH-C（H ）=C（CO₃^2-） C(OH^-) -C（H₂CO₃）即C（H ） C（H₂CO₃）=C（CO₃^2-） C(OH^-) 關(guān)系：剩余的質(zhì)子數(shù)目等于產(chǎn)生質(zhì)子的產(chǎn)物數(shù)目-消耗質(zhì)子的產(chǎn)物數(shù)目直接用酸堿質(zhì)子理論求質(zhì)子平衡關(guān)系比較簡(jiǎn)單，但要細(xì)心；如果用電荷守恒和物料守恒關(guān)系聯(lián)立得到則比較麻煩，但比較保險(xiǎn)，又如NaH₂PO₄溶液，原始物種：H₂PO_4-，H₂O，消耗質(zhì)子產(chǎn)物：H₃PO₄,產(chǎn)生質(zhì)子產(chǎn)物：HPO₄^2-（產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)子），PO₄^3-（產(chǎn)生二個(gè)質(zhì)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(yàn)證下。2100433B

質(zhì)子泵有四類：P-type、V-type 、F-type和ABC superfamily。

P型質(zhì)子泵

分布：真核生物的細(xì)胞膜

特點(diǎn)：轉(zhuǎn)運(yùn)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(gòu)象的改變來轉(zhuǎn)移質(zhì)子或其它離子，如植物細(xì)胞膜上的H 泵，動(dòng)物細(xì)胞的Na -K 泵，Ca² 離子泵，H -K ATP酶（位于胃表皮細(xì)胞，分泌胃酸）。

V型質(zhì)子泵

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

特點(diǎn)：水解ATP產(chǎn)生能量，但不發(fā)生自磷酸化。

共同的功能：保持細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)內(nèi)中性pH和細(xì)胞器內(nèi)的酸性pH

F型質(zhì)子泵

分布：線粒體膜和植物內(nèi)膜

是由許多亞基構(gòu)成的管狀結(jié)構(gòu)，H 沿濃度梯度運(yùn)動(dòng)，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(zhì)子泵位于細(xì)菌質(zhì)膜，線粒體內(nèi)膜和葉綠體的類囊體膜上，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)將在線粒體與葉綠體一章講解。F型質(zhì)子泵不僅可以利用質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)將ADP轉(zhuǎn)化成ATP，也可以利用水解ATP釋放的能量轉(zhuǎn)移質(zhì)子。

ABC超家族

分布：原核和真核生物的細(xì)胞質(zhì)膜

該超家族含有幾百種不同的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，是最大的一類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。每種ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)于底物或底物的基團(tuán)有特異性 。