質子的研究方法是什麼

A. 質子到底有多大 新的半徑測量來了

原子，構建了日常生活中的萬物 。早在兩千四百多年前，古希臘著名的哲學家德謨克里特就提出了「原子」的概念，他認為自然界的一切物質都是由一些堅硬不可分的小微粒構成的，並將這些小微粒命名為「原子」。

現在我們知道，在每個原子的核心，是一個由中子和質子構成的原子核。質子的英文名為proton，來源於希臘文中的「第一（protos）」。 質子是宇宙中可見物質基本的基石。

質子和中子的質量占整個宇宙可見物質質量的99%以上。質子與我們所生活的世界息息相關，可我們對質子又了解多少？

氫原子由一個質子和一個圍繞質子轉動的電子組成，相比於整個氫原子，質子就像一座大廈里的一個小核桃。

粗略地計算， 質子比原子要小十萬倍左右。而質子內部的誇克和膠子，比質子還要小幾個量級 。

物理是一門定量的學科，讓科學家們好奇的是： 這個核桃的半徑是多大？

神秘的「口袋」

人們對物質結構的理解已經深入到了 核子(質子和中子的統稱） 的內部：誇克和膠子。現代的物理圖景常將質子描述為一個充滿了誇克、反誇克與膠子的一個「口袋(bag)」，是 自然界中最廣泛存在、並且最為穩定的量子色動力學（QCD）束縛態 。開展對質子的研究，對理解強相互作用力至關重要。

但隨著物理學家們對質子內部結構認知的逐漸深入，越來越多的謎題也伴隨而來，比如， 質子的質量起源究竟是怎樣的 ？價誇克的質量之和大約只佔質子質量的百分之一，質子絕大部分的質量來自於膠子的自相互作用，但我們對此缺乏更具體的理解。

因此，從理論和實驗上理解質子質量問題是近年來高能核物理領域的一個熱點課題。

人類認識自然，總是從簡單到復雜，從表面到內在結構。如果我們想要更好地理解質子的質量問題，那麼我們首先 需要了解質子的質量半徑 。

就像測量地球的半徑，從不同的定義出發，科學家們可以測量出地殼半徑、地幔半徑和赤道半徑等等，質子的半徑也有不同的定義。 如果我們用 傳遞電磁力的光子 作為探針，探測得到的是質子的 電荷半徑 ；如果用 傳遞引力的引力子 作為探針，那麼測量的是質子的 質量半徑 。

經過物理學家們幾十年的努力， 質子的電荷半徑已被精確測量 。目前的實驗方法可以歸納為兩類：一類是通過測量輕子與氫原子的彈性散射截面得出質子的電荷形狀因子，然後提取出質子電荷半徑。另一類方法是精密測量質子電荷分布對氫原子能級分布的影響，再通過理論計算反推出質子半徑。

根據粒子物理國際合作組織粒子數據組(Particle Data Group)在2020年公布的數據，質子電荷半徑的測量平均值為 0.841 0.019 飛米 （1飛米= 0.000000000000001米）。

然而，質子就像一個神秘的「口袋」。說它神秘，是因為裡面的寶藏們—— 誇克和膠子通過非常奇妙復雜的相互作用呈現出來的整體效果決定了質子的性質 。而正是因為這種相互作用的復雜性，使科學家們很難去直接測量質子的質量半徑，也使得我們難以完全理解質子的結構和性質。

新的半徑測量

那麼，我們可以嘗試用什麼方法去測量質子的質量半徑呢？

引力子是 探索 質子質量結構和性質的重要探針 。原則上，我們可以通過研究引力子和質子的散射來研究質子的質量。但實際上， 引力比電磁力弱幾十個數量級 ，使得引力子和質子散射的相互作用非常弱，遠遠超出了目前人類的測量極限。另外，由於強相互作用色禁閉效應，科學家們也無法直接計算被束縛的誇克膠子和引力子散射。

因此，還需要尋找其它可行的途徑。在提出了很多理論和模型、嘗試了很多方法後，物理學家們終於找到了一個可行的方法：把研究引力子和質子散射問題轉換為求類標量引力形狀因子，並最終歸結為： 利用矢量介子近閾產生的實驗數據，通過擬合手段獲得動量轉移為零處的斜率，從而獲得質子的質量半徑。

近期，中美科學家利用光生和電生過程的矢量介子在閾值附近產生的數據，深入了解QCD跡反常機制對質子質量的貢獻，這對於研究質子質量半徑問題是非常重要的，意味著我們可以 從實驗數據中去提取質子質量半徑值 。

美國紐約州立大學石溪分校的核物理理論家Dmitri Kharzeev教授通過分析美國JLab GlueX實驗數據，得到的質子質量半徑為 0.55 0.03飛米 。

中國科學院近代物理研究所的研究團隊通過分析德國SAPHIR、日本LEPS和美國JLab GlueX三組實驗數據，算出的質子質量半徑為 0.67 0.03飛米 。相關研究於近日以快報（letter)的形式發表在 Physical Review D 上。

與已經精確測量的質子電荷半徑相比，上述兩項研究提取的質子質量半徑明顯偏小，這意味著質子的質量分布比電荷分布更加緊密， 不同的相互作用力對應的質子半徑大小不同 。

進一步，我們可以通過對引力形狀因子作傅里葉變換畫出質子內部的 質量分布圖 。也許你在一些物理教科書里看到過質子的電荷分布，但是應該沒看到過質子內部的質量分布吧？

從上圖中，我們可以看出質子的「質量」分布是不均勻的：在中心區有一塊像蛋黃一樣的分布，其密度最大，然後從里到外密度逐漸降低。這種分布，與質子內部的結構密切相關。未來的實驗數據將幫助物理學家們提供更精確的分布圖和解釋。

展望

物理學是描述客觀世界最為基本的層次，各種 探索 性的研究將神奇美妙的物質世界展現在世人面前，告訴我們關於這個世界的基本信息。

質子半徑是質子的最基本性質之一，是核物理與粒子物理研究中一個非常基本的問題，與研究宇宙演化過程等重大科學問題有著密切的關系。質子質量結構和質量半徑的研究，已經取得了一些初步的結果。然而，我們要徹底地理解這些物理問題，還有很漫長的路要走。

值得期待的是，質子質量問題，已經被中國和美國 電子-離子對撞機 列為最主要的科學目標之一。未來的電子離子對撞機將有望幫助科學家揭開質子內部結構、質量以及其他更多的謎團， 促進我們人類從最微小、也是最基本的層次去理解宇宙 。

致謝： 感謝本研究小組成員、許怒研究員和劉芳女士的討論和建議。

作者：陳旭榮 中科院近代物理所研究員

參考文獻：

1. X. Ji，https://arxiv.org/abs/2102.07830

2. D. Kharzeev, https://arxiv.org/abs/2102.00110

3. Rong Wang, Wei Kou, Ya-Ping Xie, and Xurong Chen, Phys. Rev. D103, L091501

B. 質子是誰通過什麼實驗發現的

質子是盧瑟福發現的.當年盧瑟福是用這種方法發現質子的：陰極射線轟擊氫,結果使氫原子的電子被打掉,變成了帶正電的陽離子,它實際上就是氫的原子核.盧瑟福推測,它就是人們從前所發現的與陰極射線相對的陽極射線,它的電荷量為一個單位,質量也為一個單位,盧瑟福將之命名為質子.

C. 描述分子、原子、電子、中子、質子、誇克分別是通過什麼方法發現的

分子，原子都是構成物質的微粒。分子由原子構成 ，但原子也可直接構成物質。原子很小，半徑大約10負10次方米。原子在一定情況下可以再分。原子是由帶正電的原子核和帶負電的核外電子構成，原子核是由帶正電荷的質子和不帶荷的中子構成，而且核外電子數和質子數相等。誇克是構成質子和中子的微粒。

D. 質子是由什麼組成的

質子由兩個上誇克和一個下誇克通過膠子在強相互作用下構成。

質子是一種帶 1.6 × 10⁻¹⁹庫侖(C)正電荷的亞原子粒子，直徑約 1.6~1.7×10⁻¹⁵m ，質量是938百萬電子伏特/c²(MeV/c²)。

質子被認為是一種穩定的、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。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據，實驗已測得的質子壽命大於1035年。

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質子應用

物理中質子常被用來在加速器中加速到近光速後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據。慢速的質子也可能被原子核吸收用來製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現人。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。

E. 「質子」是怎樣被發現的

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抽成真空後，α粒子恰好被F吸收而不能透過，在F後面放一熒光屏S，用顯微鏡冊來觀察熒光屏上是否出現閃光。通過閥門T往C里通進氮氣後，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粒子擊中氮核後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，通常用符號盧瑟福把這種粒子引進電場和磁場中，根據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，通常用符號表示。

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一、發現人

歐內斯特·盧瑟福（英語：Ernest Rutherford，1st Baron Rutherford of Nelson，1871年8月30日－1937年10月19日）

英國著名物理學家，知名為原子核物理學之父。學術界公認他為繼法拉第之後最偉大的實驗物理學家。

二、反質子

反質子（英語：antiproton），粒子類型為復合粒子，質子的反粒子，其質量及自旋與質子相同，且壽命也與質子相當，但電荷及磁矩則與質子相反，帶有與電子相同的負電荷。與質子相遇時會湮滅，轉化為能量。

參考資料來源：網路-質子