質(zhì)子中子態(tài)的形成

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)”。

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。

反質(zhì)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(xué)家開始認(rèn)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(fù)能粒子海，也會有相應(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，但證實它的存在卻花了20多年的時間。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)子成對出現(xiàn)或湮沒，用兩個普通的質(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)的勞倫斯輻射實驗室，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了前一

年人們所觀測的反質(zhì)子的存在。由于反質(zhì)子出現(xiàn)的機會極少，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，因而證實反質(zhì)子的存在極為困難。1955年他們這個實驗小組測到60個反質(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(yù)言的傳力子，因而獲得1984年度諾貝爾物理學(xué)獎。

符號p，H

發(fā)現(xiàn)時間1919年

發(fā)現(xiàn)者歐內(nèi)斯特·盧瑟福

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。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)子衰變的實驗數(shù)據(jù)。實驗已測得的質(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。這一過程不會自發(fā)發(fā)生，但只有當(dāng)能源供應(yīng)。其計算公式：

于此

p 是一個質(zhì)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(zhuǎn)換回質(zhì)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。

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驗，實驗裝置如圖所示，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(chǎn)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(zhuǎn)，測出了它的質(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¹H或p表示。

這個質(zhì)子是α粒子直接從氮核中打出的，還是α粒子打進復(fù)核后形成的復(fù)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(xì)而長的是質(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(jì)錄到氫核的跡象。質(zhì)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(rèn)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(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，因為質(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(zhì)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(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個電子層內(nèi)從層2個，外層6個，共8個電子；而氧原子的質(zhì)子數(shù)也是8個。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(jié)構(gòu)。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(zhì)子數(shù)

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)的實質(zhì)是氫離子和氫氧根離子結(jié)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(yīng)迅速生成氯化銨，這個酸堿中和反應(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，一個酸給出質(zhì)子后余下的部分自然就是堿，因為它本身就是與質(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，兩者組成一個共軛酸堿對，它們只直差一個質(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、共軛酸堿的強弱共軛酸堿對的離解常數(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K_W值為1.0×10-14.這個關(guān)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(zhì)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(guān)，也與溶劑的本性有關(guān)。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(zhì)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(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：這個反應(yīng)無論在水溶液中、苯或氣相中，它的實質(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 。強堿奪取了強酸放出的質(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)，加深了人們對酸堿和酸堿反應(yīng)的認(rèn)識。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，凡是能給出電子對的物質(zhì)叫做堿；凡是能接受電子對的物質(zhì)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(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(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，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)生一個質(zhì)子），PO₄^3-（產(chǎn)生二個質(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：轉(zhuǎn)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(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（動物細(xì)胞溶酶體膜，動物細(xì)胞的內(nèi)吞體，高爾基體的囊泡膜，植物液泡膜）。

特點：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(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)子動力勢將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)運蛋白，是最大的一類轉(zhuǎn)運蛋白。每種ABC轉(zhuǎn)運蛋白對于底物或底物的基團有特異性 。