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质子(亚原子粒子)

质子(proton)是一种带 1.6 × 10-19 库仑(C)正电荷的亚原子粒子,直径约 1.6~1.7×1015 m ,质量是938百万电子伏特/c(MeV/c),即1.672621637(83)×10-27千克,大约是电子质量的1836.5倍(电子的质量为9.10938215(45)×10-31千克),质子比中子稍轻(中子的质量为1.674927211(84)×10-27千克)。质子属于重子类,由两个上夸克和一个下夸克通过胶子在强相互作用下构成。原子核中质子数目决定其化学性质和它属于何种化学元素。

相对质量1.007

电荷+1 元电荷(+ 1.60217733 × 10-19库仑)

粒子自旋1/2粒子磁矩2.7928 单位核磁子

作用力引力、电磁力、弱核力、强核力

半衰期最短为 1035年(可视为稳定)

组成两个上夸克、一个下夸克

质子数=原子序数(就是元素序号)=核外电子数,中子数=质量数-质子数

1.氧元素是第二周期的元素,所以氧原子只有2个电子层内从层2个,外层6个,共8个电子;而氧原子的质子数也是8个。符合核外电子数=质子数,所以氧原子本身是电中性的,不带电荷 。

事实上所有的原子都是电中性的,都符合【质子数】=【原子序数】=【核电荷数】=【核外电子数】

2.每种物质中的原子的核外电子数一定是等于该原子的质子数,但是这并不是说这种结构是稳定的结构,这只是元素原子的一个特性。比如Na原子就非常不稳定,很容易失去一个电子变成Na+,带一个正电荷,达到稳定结构。注意此时带电荷是因为变成了离子。对于未失去电子的Na原子来说,还是符合核外电子数=质子数

英国物理学家欧内斯特卢瑟福被公认为质子的发现人。1918年他任卡文迪许实验室主任时,用α粒子轰击氮原子核,注意到在使用α粒子轰击氮气时他的闪光探测器纪录到氢核的迹象。质子命名为proton,这个单词是由希腊文中的“第一”演化而来的。卢瑟福认识到这些氢核唯一可能的来源是氮原子,因此氮原子必须含有氢核。他因此建议原子序数为1的氢原子核是一个基本粒子。在此之前尤金戈尔德斯坦(Eugene Goldstein)就已经注意到阳极射线是由正离子组成的。但他没有能够分析这些离子的成分。卢瑟福发现质子以后,又预言了不带电的中子存在。

今时今日,以粒子物理学的标准模型理论为基础而论,因为质子是复合粒子,所以不再被编入基本粒子的家族中。

1919年,卢瑟福做了用α粒子轰击氮原子核的实验,实验装置如图所示,容器C里放有放射性物质A,从A射出的α粒子射到铝箔F上,适当选取铝箔的厚度,使容器C抽成真空后,α粒子恰好被F吸收而不能透过,在F后面放一荧光屏S,用显微镜册来观察荧光屏上是否出现闪光.通过阀门T往C里通进氮气后,卢瑟福从荧光屏S上观察到了闪光,把氮气换成氧气或二氧化碳,又观察不到闪光,这表明闪光一定是α粒子击中氮核后产生的新粒子透过铝箔引起的 .

卢瑟福把这种粒子引进电场和磁场中,根据它在电场和磁场中的偏转,测出了它的质量和电量,确定它就是氢原子核,又叫做质子,通常用符号卢瑟福把这种粒子引进电场和磁场中,根据它在电场和磁场中的偏转,测出了它的质量和电量,确定它就是氢原子核,又叫做质子,通常用符号表示 .

这个质子是α粒子直接从氮核中打出的,还是α粒子打进复核后形成的复核发生衰变 时放出的呢?为了弄清这个问题,英国物理学家布拉凯特又在充氮的云室里做了这个实验.如果质子是α粒子直接从氮核中打出的,那么在云室里就会看到四条径迹:放射α粒子的径 迹、碰撞后散射的.粒子的径迹、质子的径迹及抛出质子后的核的反冲径迹.如果 粒子打进氮核后形成一个复核,这复核立即发生衰变放出一个质子,那么在云室里就能看到三条径迹:入射α粒子的径迹、质子的径迹及反冲核的径迹.布拉凯特拍摄了两万多张云室照片,终于从四十多万条“粒子径迹的照片中,发现有八条产生了分叉.分叉的情况表明,这第二种设想是正确的.从质量数守恒和电荷数守恒可以知道产生的新核是氧17 。

在云室的照片中,分叉后细而长的是质子的径迹,短而粗的是反冲氧核的径迹.

后来,人们用同样的方法使氟、钠、铝等核发生了类似的转变,并且都产生了质子.由于各种核里都能轰击出质子,可见质子是原子核的组成部分 .

物理中质子常被用来在加速器中加速到近光速后用来与其它粒子碰撞。这样的试验为研究原子核结构提供了极其重要的数据。慢速的质子也可能被原子核吸收用来制造人造同位素或人造元素。核磁

共振技术使用质子的自旋来测试分子的结构。

至今为止质子被认为是一种稳定的、不衰变的粒子。但也有理论认为质子可能衰变,只不过其寿命非常长。到今天为止物理学家没有能够获得任何可能理解为质子衰变的实验数据。实验已测得的质子寿命大于1035年。

水中的氢离子绝大多数都是水合质子。质子在化学和生物化学中起非常大的作用,根据酸碱质子理论,可以在水溶液中提供质子的物质一般被称为酸,可以在水溶液中吸收质子的物质一般被称为碱。

然而,质子是通过中子的过程中电子捕获。这一过程不会自发发生,但只有当能源供应。其计算公式:

于此

p 是一个质子,

e 是一个电子,

n 是一个中子,而且

νe 是一个电子中微子

这个过程是可逆的:中子可转换回质子通过β-衰变,共同形成放射性衰变。事实上,在一个自由中子衰变这样一个平均寿命约15分钟。

质子的反粒子是反质子,反质子是1955年埃米利奥塞格雷(Emilio Gino Segrè)和欧文张伯伦(Owen Chamberlain)发现的,两人为此获得了1959年的诺贝尔物理学奖。

反质子的发现:正电子的发现证实了狄拉克反粒子理论,一些理论物理学家开始认真对待这一理论。1934年泡利与克拉夫证明,即使不能形成稳定的负能粒子海,也会有相应的反粒子存在。于是人们就开始寻找其他粒子的反粒子。早在1928年,狄拉克便预言了反质子的存在,但证实它的存在却花了20多年的时间。根据狄拉克的理论,反质子的质量与质子相同,所带电荷相反,质子与反质子成对出现或湮没,用两个普通的质子碰撞便可获得反质子,但反质子的产生阈能为6.8GeV。1954年,在加利福尼亚大学的劳伦斯辐射实验室,建成了64亿电子伏的质子同步稳相加速器,这为寻找反粒子提供了条件。1955年,张伯伦和塞格雷用上述加速器证实了前一

年人们所观测的反质子的存在。由于反质子出现的机会极少,大约每1000亿高能质子的碰撞,才能产生数量很少的反质子,因而证实反质子的存在极为困难。1955年他们这个实验小组测到60个反质子。由于偶然符合本底不大,记数系统虽不算好,但较为可信。不久他们又发现反中子。尽管高能粒子打靶时也能产生反中子,但是由于反中子不带电,更难从其他粒子中鉴别出来。他们是利用反质子与原子核碰撞,反质子把自己的负电荷交给质子,或由质子处取得正电荷,这样,质子变成了中子,而反质子则变成了反中子。鲁比亚,C.在正反质子对撞机上进行几百吉电子伏的对撞实验,发现了现代弱电统一理论所预言的传力子,因而获得1984年度诺贝尔物理学奖。

符号p,H+

发现时间1919年

发现者欧内斯特卢瑟福

在巨大的压力下,处于超固态的物质,使原来已经拥挤得紧紧的原子核和电子不能再紧了,这时候原子核只好被迫解散,从里面释放出质子与中子。从原子核里放出的质子,在极大压力下会与电子结合为中子。这样,物质的构造就发生了根本性的变化,原来由原子核和电子构造的物质,如今都变成了中子。这样的状态,就叫做“中子态”。

酸碱离子理论是阿累尼乌其斯(Arrhenius)根据他的电离学说提出来的。他认为在水中能电离出氢离子并且不产生其它阳离子的物质叫酸。在水中能电离出氢氧根离子并且不产生其它阴离子的物质叫碱。酸碱中和反应的实质是氢离子和氢氧根离子结合成水。这个理论取得了很大成功,但它的局限性也早就暴露出来,例如,气态氨与氯脂氢反应迅速生成氯化铵,这个酸碱中和反应并有水的生成;又如氨的水溶液显碱性,曾错误地认为NH3和H2O形成弱电解质NH4OH分子,然后离解出OH-、NH4+等。

由于阿累尼乌斯的酸碱离子理论不能解一些非水溶液中进行地酸碱反应等问题,1923年布朗特(Bronsted)提出了酸碱质子理论,把酸碱概念加以推广。酸碱质子理论认为凡是能给出质子的物质都是酸,凡是能与质子结合的物质都是碱。即酸是质子的给予体,碱是质子的接受体。这样,一个酸给出质子后余下的部分自然就是碱,因为它本身就是与质子结合的。

这种关系叫做酸碱的共轭关系,式中略去了HB和B可能出现的电荷。右边的碱是左边酸的共轭碱,左边的酸是右边碱的共轭酸,两者组成一个共轭酸碱对,它们只直差一个质子。从以上例子可以看出,酸和碱可以是分子,也可以是阳离子和阴离子。还可以看出,像HPO2-4这样的物质,既表现酸,也

表现为碱,所以它是两性物质。同理,H2O,HCO3-等也是两性物质。二、共轭酸碱的强弱共轭酸碱对的离解常数Ka和Kb之间有确定的关系。以HOAc为例推导如下:由于溶剂水的浓度不常数,所以它不出现在平衡常数式中。用KW表示[H3O+][OH-],KW称为水的离子积。这说明在一定温度下,水中的[H3O+]与[OH-]的乘积为一常数。所以 KaKb=KW (2-7)24℃时KW值为1.0×10-14.这个关系说明,只知道了酸的离解常数Ka,就可以计算出它的共轭碱的Kb,反之亦然。Ka和Kb是成反比的,而Ka 和Kb正是反映酸和碱的强度,所以,在共轭酸碱对中,酸的强度愈大,其共轭碱的强度愈小;碱的强度愈大,其共轭酸的强度愈小。表2-6列出了一些共轭碱对的强度次序。共轭酸碱的强度次序酸性增强 共轭酸(HB) Ka(在水中) pKa(在水中) 共轭碱(B)碱性增强H3O+ H2O H2C2O4 5.4×10-2 1.27 HC2O-4 H2SO3 1.54×10 1.81 HSO-3 HSO-4 1.20×10-2 1.92 SO2-4 H3PO4 7.51×10-3 2.12 H2PO-4 HNO2 4.6×10-4 3.37 NO-2 HF 3.53×10-4 3.45 F- HCOOH 1.77×10-4 3.75 HCOO- HC2O-4 5.4×10-5 4.27 C2O2-4 CH3COOH 1.76×10-5 4.75 CH3COO- H2CO3 4.30×10-7 6.37 HCO-3 HSO-3 1.02×10-7 6.91 SO2-3 H2S 9.1×10-8 7.04 HS- H2PO-4 6.23×10-8 7.21 HPO2-4 NH+4 5.68×10-10 9.25 NH3 HCN 4.93×10-10 9.31 CH- HCO-3 5.61×1011 10.25 CO2-3 H2O2 2.4×10-12 11.62 HO-2 HS- 1.1×10-12 11.96 S2- HPO2-4 2.2×10-13 12.67 PO3-4 H2O OH-

根据酸碱质子理论,酸碱在溶液中所表现出来的强度,不仅与酸碱的本性有关,也与溶剂的本性有关。我们所能测定的是酸碱在一定溶剂中表现出来的相对强度。同一种酸或碱,如果溶于不同的溶剂,它们所表现的相对强度就不同。例如HOAc在水中表现为弱酸,但在液氨中表现为强酸,这是因为液氨夺取质子的能力(即碱性)比水要强得多。这种现象进一步说明了酸碱强度的相对性。

三、酸碱反应酸碱质子理论中的酸碱反应是酸碱之间的质子传递。例如:这个反应无论在水溶液中、苯或气相中,它的实质都是一样的。HCL是酸,放出质子给NH3,然后转变成共轭碱CL-,NH3是碱,接受质子后转变成共轭酸NH4+。强碱夺取了强酸放出的质子,转化为较弱的共轭酸和共轭碱。酸碱质子理论不仅扩大了酸碱的范围,还可以把酸碱离解作用、中和反应、水解反应等,都看作是质子传递的酸碱反应。由此可见,酸碱质子理论更好地解释了酸碱反应,摆脱了酸碱必须在水中才能发生反应的局限性,解决了一些非水溶剂或气体间的酸碱反应,并把水溶液中进行的某些离子反应系统地归纳为质子传递的酸碱反应,加深了人们对酸碱和酸碱反应的认识。但是酸碱质子理论不能解释那些不交换质子而又具有酸碱性的物质,因此它还存在着一定的局限性。

路易斯提出的酸碱电子理论是目前概括最广的酸碱理论。该理论认为,凡是能给出电子对的物质叫做碱;凡是能接受电子对的物质叫做酸。即酸是电子对的接受体,碱是电子对的给予体。因此,碱中给出电子的原子至少有一对孤对电子(未成键的电子对),而酸中接受电子的原子至少有一个空轨道(外层未填充电子的轨道),以便接受碱给予的电子对,这种由路易斯定义的酸和碱叫做路易斯酸和路易斯碱。例如,三氟化硼(BF3)是路易斯酸,因为BF3中的B原子有一个空轨道是电子的接受体。NH3中N原子有一对孤对电子,是电子对的给予体,为路易斯碱。但是,由于酸碱电子理论概括的酸碱范围太宽,使其实用价值受到一定的限制。

质子守恒就是酸失去的质子和碱得到的质子数目相同,质子守恒和物料守恒,电荷守恒一样同为溶液中的三大守恒关系,质子守恒也可以由电荷守恒和物料守恒关系联立得到NaHCO3 溶液中,存在下列等式 C(H+)+C(Na+)=C(HCO3-)+2C(CO32-)+C(OH-) 这个式子叫电荷守恒C(Na+)=C(HCO3-)+ C(CO32-)+C(H2CO3) 这个式子叫物料守恒

方法一:两式相减得 C(H+)+C(H2CO3)=C(CO32-)+C(OH-) 这个式子叫质子守恒。方法二:由酸碱质子理论原始物种:HCO3-,H2O消耗质子产物H2CO3,产生质子产物CO32-,OH-C(H+)=C(CO32-)+C(OH-) -C(H2CO3)即C(H+)+C(H2CO3)=C(CO32-)+C(OH-) 关系:剩余的质子数目等于产生质子的产物数目-消耗质子的产物数目直接用酸碱质子理论求质子平衡关系比较简单,但要细心;如果用电荷守恒和物料守恒关系联立得到则比较麻烦,但比较保险,又如NaH2PO4溶液,原始物种:H2PO4-,H2O,消耗质子产物:H3PO4,产生质子产物:HPO42-(产生一个质子),PO43-(产生二个质子),OH-,所以:c(H+)=c(HPO42-)+2c(PO43-)+c(OH-)-c(H3PO4) 可以用电荷守恒和物料守恒联立验证下。


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