原子、质子、电子
关键词：原子、质子、物理性质、化学性质、中子、电子
描述：原子是物质的基本单位，由原子核（含质子和中子）和围绕核运动的电子组成。（质子是原子核中的一种粒子，它具有正电荷，是原子核中最重要的组成部分之一。在原子中，质子和中子共同构成了原子核，而电子则围绕原子核旋转）质子：带正电（+1），位于原子核内，决定元素的种类，不同元素的化学性质差异显著，原子质量（质子+中子数）影响密度、熔点等。电子：带负电（-1），最外层电子数（价电子）决定化学键类型（离子键、共价键）。决定原子的化学性质。电子排布影响导电性、光学性质（如颜色）。

一，原子，质子，电子
1.1. 原子（Atom）
定义：原子是物质的基本单位，由原子核（含质子和中子）和围绕核运动的电子组成。
组成：质子（Proton）：带正电（+1），位于原子核内，决定元素的种类（质子数=原子序数）。
中子（Neutron）：电中性，位于原子核内，与质子共同决定原子质量。
电子（Electron）：带负电（-1），分布在核外电子层，决定原子的化学性质。
1.2. 质子（Proton）
作用：定义元素：质子数（即原子序数）决定元素的种类。例如，氢（1个质子）、碳（6个质子）。
影响原子核稳定性：质子与中子通过强相互作用结合，过多或过少可能导致放射性。
决定电荷：原子核的正电荷等于质子数，吸引电子形成电中性原子。
1.3. 物理性质（Physical Properties）
定义：物质在不改变其化学组成时表现出的性质，通常可通过观察或测量直接获得。
例子：状态（固态、液态、气态）、颜色、密度、熔点、沸点、导电性、磁性等。
与原子/质子的关系：
原子质量（质子+中子数）影响密度、熔点等。
电子排布影响导电性、光学性质（如颜色）。
1.4. 化学性质（Chemical Properties）
定义：物质在化学反应中表现出的性质，涉及化学键的形成或断裂。
例子：可燃性、氧化性、还原性、酸碱性、与其他物质反应的能力（如铁生锈）。
与原子/质子的关系：
质子数决定元素种类：不同元素的化学性质差异显著（如钠活泼，金惰性）。
电子结构主导反应：最外层电子数（价电子）决定化学键类型（离子键、共价键）。
质子    定义元素种类，决定原子核电荷    质子数=原子序数→决定元素周期表位置
原子结构    电子排布主导化学性质    钠（1个价电子）易失去→强还原性
物理性质    反映物质宏观状态与能量变化    高熔点→原子间强作用力（如金属键）
化学性质    反映物质参与反应的能力    氯（7个价电子）易得电子→强氧化性
举例：氢（H）与氧（O）
氢原子：1个质子，1个电子。
物理性质：常温下为气体，密度极低。
化学性质：易燃，与氧反应生成水（H₂O）。
氧原子：8个质子，8个电子。
物理性质：无色气体，-183℃液化。
化学性质：强氧化性，支持燃烧。
通过理解原子结构（尤其是质子与电子）如何影响物理和化学性质，可以系统解释物质的宏观行为（如金属导电性）

1.5.酸碱质子理论
酸碱离子理论是阿伦尼乌斯（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Ka·Kb=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。
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。
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。
微观反应（如酸碱中和）。
二、原子
化学元素的基本粒子，包含由带一个基本电荷的正电的质子和不带电的中子组成的原子核以及与质子数相同的核外电子，因此原子一般是中性的。不带电的原子可以通过得失电子变成带正电的阳离子或带负电的阴离子。
元素根据原子核中质子数来区分，具有相同质子数但中子数不同的原子称为同一元素的同位素。绝大多数原子质量在原子核中，质子质量大约是电子质量的1836倍。
原子的尺度是10-10（1埃）量级，因此通常用量子力学的理论来研究。
在原子核中，质子和中子通过强相互作用力结合。在一定条件下会发生核反应。
在原子核内，质子与中子统称为核子，它们通过核力紧密结合在一起。氢元素的原子核仅包含一个质子；其最常见的同位素氢-1的原子核不包含中子，仅由一个孤寂的质子组成。此外，还存在两种较重的天然同位素——重氢2H或D与超重氢3H或T，它们的原子核分别含有一个和两个中子。然而，所有其他元素的原子核都至少包含两个质子，并可能含有不同数量的中子。
三、质子
3.1物理性质
相对质量：1.007
电荷：+1元电荷（+1.602176634 × 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
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1.6~1.7×10−15m，
质量是938百万电子伏特/c²(MeV/c²)，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元素的种类和它属于何种化学元素。
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，
汞原子的壳层结构图
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。
质子是原子核中的一种粒子，它具有正电荷，是原子核中最重要的组成部分之一。
在原子中，质子和中子共同构成了原子核，而电子则围绕原子核旋转。这一带有1个单位电荷正电的稳定粒子，在原子核中扮演着至关重要的角色。通常，它被标记为p或p+，象征着其在物质构成中的独特地位。每个原子的核心都至少包含一个质子，其数量被称为原子序数，这一序数正是化学元素周期表排列的基础。此外，原子核中还可能存在中子，这些质子与中子统称为核子，共同构成了原子核。正是由于每种元素的原子都拥有特定数量的质子，才赋予了每种元素独一无二的原子序数。
在粒子物理学的现代标准模型中，质子被视为由两个上夸克和一个下夸克紧密组成的强子。尽管夸克的静质量仅占质子质量的约1%，但质子的主要质量却源于夸克的动能及与胶子场的相互作用能量。由于质子具有三个夸克，它并非基本粒子，而是具有一定的物理尺寸，尽管这一尺寸在定义上存在一定的模糊性，因为质子的表面是由复杂的作用力所塑造，这些作用力并不会突然消失。质子的半径（更精确地说是电荷半径）被测定为约0.84至0.87飞米之间。
自由质子，即未与其他核子或电子结合的质子，呈现出高度的稳定性，至今尚未观察到其自发衰变为其他粒子的现象。尽管质子与电子之间存在亲和性，但在高能量或高温环境下，如等离子体中，质子与电子会自然分离，从而产生自由质子。在宇宙线中，高达90%的成分都是由高能量与高动量的自由质子所构成。另一方面，自由中子则是不稳定的，会经历衰变过程，其产物包括质子、电子以及反中微子。
从物理特性来看，质子是一种自旋为½的费米子，由三个夸克组成，因此归类为重子。在这三个夸克中，两个是上夸克，一个是下夸克，它们通过胶子传递的强相互作用紧密结合在一起。更深入的分析表明，质子还包含由胶子和短暂存在的海夸克对所贡献的成分。质子的正电荷密度呈指数递减分布，离质心越远，密度越低，其方均根半径约为0.8飞米。
3.2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。
3.3中子态的形成
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”。
4.5质子守恒
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。
四、质子的发现和性质
质子的发现可以追溯到20世纪初，主要由英国物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）通过实验证实。质子的正式发现时间为1919年，由欧内斯特·卢瑟福通过实验验证并命名。尽管早期研究已观察到相关现象，但卢瑟福首次明确了质子的存在及其在原子核中的核心作用。
4.1早期研究（19世纪末）
1886年，德国物理学家尤金·戈尔德斯坦（Eugen Goldstein）在阴极射线实验中观察到带正电的粒子流，并将其称为“阳极射线”。这些粒子后来被证实是失去电子的氢原子核（即质子），但当时尚未明确其本质。
4.2卢瑟福的实验与正式发现（1917-1919）
1919年，卢瑟福做了用α粒子轰击氮原子核的实验，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1H或p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。
意义
卢瑟福的发现揭示了原子核由质子和中子（1932年由查德威克发现）构成，推动了核物理学的发展。
质子作为基本粒子，其电荷量（+1e）和质量的测定为后续量子力学和粒子物理奠定了基础。
五、质子和原子核
质子是原子核中的一种粒子，它与中子一起构成了原子核。原子核是由多个质子和中子组成的复合体，它可以释放出能量并发生核反应。这些反应包括核聚变和核裂变等过程，它们是太阳和其他恒星发光的原因，同时也是核武器制造的基础。
在原子核中，质子和中子的数量比例可以不同。有些原子核中质子的数量比中子多，而有些则相反。这些不同的原子核具有不同的性质和稳定性。例如，当一个原子核中的质子数和中子数相差较大时，它可能会变得不稳定并发生放射性衰变。
5.1、质子和中子的关系
质子和中子虽然都属于强子，但它们在质量、电荷和自旋等方面存在差异。质子和中子的质量非常接近，但它们的质量并非完全相同。此外，质子和中子在组成上也存在差异。质子是由两个上夸克和一个下夸克组成的，而中子则是由两个下夸克和一个上夸克组成的。这些夸克是通过色力相互作用而结合在一起的。
然而，尽管质子和中子在组成上存在差异，但它们之间却存在一种对称关系。这种对称关系被称为强相互作用力或强核力，它是将质子和中子束缚在一起形成原子核的力。强相互作用力是由多种因素共同作用产生的，其中包括了夸克之间的相互作用以及胶子之间的相互作用等。
5.2、质子和宇宙
质子在宇宙中的存在对于宇宙的演化历史和物质构成都具有重要意义。首先，质子是构成原子核的重要粒子之一，而原子核又是构成元素的基础。这意味着质子在宇宙中的分布和数量决定了宇宙中的元素形成和分布。
宇宙中的质子主要存在于氢和氦等轻元素的原子核中。随着时间的推移，这些轻元素会经历恒星演化过程中的核聚变反应，逐渐合成更重的元素。在这些核聚变反应中，质子会与其他粒子相互作用并释放出能量。这些能量最终转化为热能并传递到周围的物质中，促进了宇宙的演化和发展。
除了参与核聚变反应外，质子还可能存在于宇宙射线中。宇宙射线是由高能粒子组成的高速气流，其中包含了来自宇宙深处的各种元素和粒子。当这些宇宙射线与地球大气层相互作用时，会产生次级粒子，其中包括质子和其他强子。这些质子可以进一步与大气中的物质相互作用，产生更多的次级粒子并形成雨滴云等天气现象。
六、质子重要粒子
质子是原子核中的一种重要粒子，它具有正电荷并与中子一起构成了原子核。质子的发现和性质是物理学和天文学研究的重要领域之一。通过对质子的研究，我们可以了解元素的构成、宇宙的起源和演化历史以及自然界中的基本相互作用规律等重要信息。在未来，随着科学技术的发展和创新实验的开展，我们可能会发现更多关于质子的奥秘和新的物理现象。2022年，美国科学家在最新一期《自然》杂志上撰文指出，对质子的极化率开展了新精确测量，结果发现了质子结构的异常——质子比此前认为的更有弹性，证实了此前被认为是误差的异常现象 .