质子

质子（英文名：proton）是一种亚原子粒子，在每个原子的核心，是一个由中子和质子构成的原子核。质子的英文名来源于希腊文中的“第一（protos）”。质子是一种稳定的基本粒子，带有+1e（基本电荷）正电荷，它的质量是电子的1836倍，中子的质量比质子略重。原子核中的质子数称为原子序数，由于每种元素都有独特的质子数，因此每种元素都有独特的原子序数，原子序数决定了元素在元素周期表中的位置。

研究历史

早期的研究

1808年，英国人道尔顿（Dalton）提出了近代意义上的“原子论”，即化学中各元素的最小单位，如氢原子、氧原子、碳原子等。他以为，这就是组成物质的最小粒子了。

道尔顿

1815年，威廉-普鲁特（William Prout）提出了元素的原子量是氢原子量的整数倍（普劳特假说）的观点。1886年，戈尔德斯坦（Goldstein）就采用了有着穿孔阴极的阴极射线管进行实验，结果就发现有与阴极射线反方向的射线产生，并称它为Kanalstrahlen即极隧射线，在证明该射线是带正电的粒子流后，又称作阳极射线。

伦琴

1895年11月8日，伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen）发现一种新的未知射线，并将其命名为X射线。1897年，汤姆孙（J.J.Tomson）发现了阴极射线会被磁铁偏转，而根据磁性以及偏转方向，他发现这个射线应该携带负电荷。接下来他又发现，所谓射线，其实是由许多粒子构成的，与其叫做射线，不如说是粒子流。进而汤姆孙测出了他们的荷质比（电荷与质量的比值），这个比例比那时候任何已知的粒子都大很多。这说明，这种粒子要么具有极大的电荷，要么具有极小的质量，这就是电子。

汤姆孙和他的阴极射线管

1898年，威廉·维恩（Wilhelm Wien）发现了正电荷粒子射线在强大磁场作用下会发生偏转，维恩测量了正电粒子束在磁场作用下的偏移，并得出阳极射线由带正电的粒子组成，并且它们不比电子重的结论。大约20年后维恩所使用的方法形成了质谱学，实现了对多种原子及其同位素质量的精确测量，以及对原子核反应所释放能量的计算。同年，威廉·维恩（Wilhelm Wien）将氢离子确定为电离气体中电荷质量比最高的粒子。

二十世纪的研究

1911年，一位荷兰科学家安东尼斯·范登·布鲁克（Antonius van den Broek）提出了一种解释：氢以外的原子是由“alphons”的倍数组成的。Alphon是一种基本粒子，其质量是氦的一半（两个原子质量单位），并且带一个正电荷。1914年，Bohr（玻尔）提出了氢原子是由一个电子环绕一个质子的模型，就好像行星绕太阳运动，拥有一个轨道一样，电子因相反电荷作用而被束缚在了一个轨道上。利用早期的量子理论，玻尔的模型可以解释氢原子光谱，且实验与理论符合很好。1919年，欧内斯特·卢瑟福 （Ernest Rutherford）发现氢原子核（被称为最轻的原子核）可以从原子核中提取出来。通过原子轰击生产氮气。因此，质子是候选基本粒子或基本粒子，因此是氮和所有其他较重原子核的组成部分。卢瑟福（Rutherford）用α粒子轰击干燥的氮气，击中氮原子核，使氮转化为氧，并释放出一个质子，实现了人类历史以来第一次人工核反应。

电视机里的加速器

1920年，卢瑟福首次提到原子核里中性子的概念，他在皇家学会贝克里安讲座的演讲中提出：也许在原子核这样微小的范围内，多余的质子吸引了核外电子，形成了一种质量与质子相近的中性粒子。由于发现氢核作为一种基本粒子存在于其他原子核中，卢瑟福怀疑氢这种最轻的元素只包含其中一种粒子，因此他给氢核 H+ 起了一个特殊的粒子名称。他根据希腊文 "第一"一词的中性单数πρῶτον，将这个新的原子核基本构件命名为质子。物理学家们逐渐意识到，在微观的尺度上，存在着一个跟宏观世界很不一样的世界，它的尺度如此之小，所以科学家们不得不借助一些特殊的实验仪器来观测其中的现象。粒子加速器和对撞机等更加强大的粒子物理的研究工具的出现加速了科学家对微观粒子的研究。1964年，美国物理学家盖尔曼（Murray Gell-Mann）提出了夸克模型，认为每个重子由3个夸克（或反夸克）组成，每个介子都由两个夸克（或反夸克）构成。但是，实验中从未观察到单独的夸克，这点可由“夸克禁闭”（quark confinement）的理论来解释。质子包含众多成分的证据来自1967年的斯坦福直线加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center，SLAC）。在早期的实验中，研究人员用电子轰击质子，然后观察到它们像台球一样跳弹开来。而当SLAC提高能量，更猛烈地发射电子，研究人员发现它们的反弹方式不同。电子撞击质子的强度足以打碎后者——这个过程称为深度非弹性散射（Deep Inelastic Scattering，DIS）——并从质子的类点碎片，即夸克反弹回来，这是夸克存在的第一个证据。1968年，美国斯坦福大学的国家加速器实验室 SLAC用深度非弹性散射实验，证明了质子存在内部结构，也间接证明了夸克的存在。之后，又有更多的实验数据验证了强子的夸克模型。1992年，在德国汉堡运行的强子—电子环形加速器（Hadron-Electron Ring Accelerator，HERA）用电子轰击质子的强度大约是SLAC的千倍。在HERA实验中，物理学家可以选择从极低动量夸克反弹的电子，甚至是仅携带质子总动量0.005%的电子。而他们确实发现了极低动量电子：HERA的电子从低动量夸克及其反物质对应——反夸克的漩涡中反弹回来。1996 年，SuperK的科学家们开始寻找衰变的质子。虽然他们对中微子进行了大量测量，但他们还没有看到单个质子衰变。据此，研究人员得出结论，如果质子会衰变，则它的寿命应该大于2×10年。

二十一世纪的研究

2000年，欧洲核子中心宣称其下属的超级质子同步加速器（Super Proton Synchrotron, SPS）制备出夸克-胶子等离子体，在这期间，位于美国纽约布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机（Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC）以及位于欧洲核子中心的大型强子对撞机（Large Hadron Collider, LHC）开展了进一步的高能对撞实验，科学家们发现这种物质处于近乎完美的液体状态。而在对撞实验中产生的这种接近完美液体的夸克-胶子等离子体也会进行类似于宇宙膨胀的过程，并在膨胀过程中迅速冷却，从而夸克被胶子束缚在一起形成大量粒子，最后被探测器捕获。实验家们通过数据分析获得这些粒子的分布，其中便蕴含着对撞的质子以及重离子内部结构的信息。

核高能轨道装置概念图

2010年，德国科学家发现质子半径比先前预计的小了4%。

CERN发布的粒子概念图

2013年，新的试验也再次验证了质子大小的差别。在2010年的实验中，科学家们利用先进的仪器将氢原子中带负电荷的μ介子分离并放进一个单个质子核高能轨道上，测量μ介子进入时轨道的微弱变动，以此测量质子的大小。2013年的实验则用电子替代了μ介子，得到了同样的结果。科学家们都同意新的实验结果的正确性，却无法解答为什么过去的做法会出错。2020年，Myers和Fink测量了氘[dāo]核（由一个质子和一个中子组成的原子核）和一个电离氢分子（由两个化学结合的质子组成）的质量比。这两个粒子具有相同的电荷和几乎相等的质量，所以它们以几乎相同的频率运行，增加了测量的精度。2023年8月，来自布鲁克海文国家实验室的Heikki Mäntysaari等理论家们在发表于Phys.Lett. B的文章中，通过研究质子与重离子的对撞过程加深了人类对质子内部结构以及夸克-胶子等离子体性质的认识。Mäntysaari等人发现，为了从理论上正确地解释这些实验数据，质子内部结构的涨落（Fluctuation）至关重要：三个夸克在质子中的位置可以不断变化，它们也不断地发射出会迅速产生、湮灭的胶子，这些胶子如同云一般围绕在三个夸克周围，且胶子的疏密也会不断变化。2016年，他们已经通过分析深度非弹性散射实验（Deep Inelastic Scattering, DIS）中的非相干衍射过程（Incoherent Diffraction）研究了质子内部结构的涨落，并发现这种涨落对解释非相干衍射过程的实验数据也同样重要。在这类过程中，高能质子与高能电子或正电子对撞而被击碎，生成的新粒子的分布会强烈依赖于质子内部结构的涨落行为。也正因为这些涨落行为，质子可以具有非常不同的形态。

物理性质

稳态

粒子物理学的标准模型表明，质子是百分百稳定的，这意味着它们不会衰变。脱离束缚的自由中子会在大约15分钟后衰变，产生质子、电子和反中微子。相比之下，质子是一种较为稳定的粒子，这其中有两个原因。首先，粒子物理学的标准模型表明，质子是百分百稳定的，这意味着它们不会衰变。另一方面，其他理论预测，质子会衰变，或者至少最终会衰变。一些科学家希望这些新理论能够取代标准模型，因此寻找质子衰变就变得非常重要。守恒定律规定，有些属性无论如何都不会改变。

质子结构的“快照”

根据标准模型，重子数、电荷和能量都是守恒的。还有更多的守恒量，举例来说就是在中子衰变的情况下，中子会变成质子、电子和电子反中微子。由于质子和中子的重子数都是+1，因此重子数在衰变前后是守恒的。由于中子带零电荷，质子带正电荷，电子带负电荷，反中微子不带电荷，所以衰变之前电荷为零，衰变之后电荷也为零，符合电荷守恒。在能量方面，当质子、电子和反中微子的质量加起来时，它不能大于中子的质量。标准模型表明任何衰变都必须遵守电荷、能量和重子数守恒。因此，重子数为+1、电荷为+1且质量固定的质子，如果衰变成一定数量的粒子，那么这些粒子的总质量不能大于质子、总电荷等于+1和总重子数为+1。但质子是最轻的重子，因此它衰变成任何重子都会比质子重，这将违反能量守恒。因此，根据标准模型，质子不能衰变，质子因此是稳定的。SuperK的科学家们对中微子进行了大量测量，但未看到单个质子衰变。据此，研究人员得出结论，即便质子会衰变，则它的寿命应该大于2×10年。

质量

质子的质量分布比电荷分布更加紧密，不同的相互作用力对应的质子半径大小不同。科学家们通过对引力形状因子作傅里叶变换画出质子内部的质量分布图，发现质子的“质量”分布是不均匀的：在中心区有一块像蛋黄一样的分布，其密度最大，然后从里到外密度逐渐降低。这种分布，与质子内部的结构密切相关。

质子内部的“质量”分布图

2011年11月30日，美国佛罗里达州立大学原子物理学家Edmund Myers和David Fink将两个离子限制在一个电磁陷阱中，让它们连续转动数周，并以极高的精度比较它们的质量。随后，他们得出了迄今为止最精确的质子质量估值：1.007276466574±10amu（原子质量单位）。

质子内部概念图

为了使氘核和氢离子在相同的条件下运行，Myers和Fink把它们放在同一个电磁陷阱中，并持续数周。他们将其中一个放置在一个直径4毫米的大轨道上，另一个在陷阱中心40微米的轨道上旋转，每10分钟交换一次。然而，即使是这种技术也不足以确保两个粒子的测量结果是完全可比的。之后Myers和Fink重现了麻省理工学院20年前开发的技术，同时旋转氘核和陷阱中心的氢离子。研究人员将离子频率的精度提高了4倍，利用一些理论结果，他们能够确定氘核与质子的质量比为万亿分之四点五。最后，为了估计质子的质量，Myers和Fink将他们的测量比率与德国马克斯·普朗克核物理研究所去年发表的一项对氘核质量极其精确的测量结果相结合。

电荷半径

根据粒子物理国际合作组织粒子数据组(Particle Data Group)在2020年公布的数据，质子电荷半径的测量平均值为0.841±0.019飞米（1飞米=0.000000000000001米）。

罗伯特·霍夫斯塔特 (Robert Hofstadter)

物理学家们把研究引力子和质子散射问题转换为求类标量引力形状因子，并最终归结为：利用矢量介子近阈产生的实验数据，通过拟合手段获得动量转移为零处的斜率，从而获得质子的质量半径。罗伯特·霍夫斯塔特 （Robert Hofstadter），因通过电子弹性散射实验对核子的大小及结构的测量而获得了1961年诺贝尔物理学奖。

质子尺度示意图

中美科学家利用光生和电生过程的矢量介子在阈值附近产生的数据，深入了解QCD迹反常机制对质子质量的贡献，这对于研究质子质量半径问题是非常重要的，意味着可以从实验数据中去提取质子质量半径值。美国纽约州立大学石溪分校的核物理学家Dmitri Kharzeev教授通过分析美国JLab GlueX实验数据，得到的质子质量半径为0.55±0.03飞米。

引力子和质子的散射物理图像

中国科学院近代物理研究所的研究团队通过分析德国SAPHIR、日本LEPS和美国JLab GlueX三组实验数据，算出的质子质量半径为0.67±0.03飞米，并将相关研究发表在Physical Review D上。

质子内部压力

由于质子由被胶子限制的夸克组成，因此我们可以定义作用在夸克上的等效压力，这允许使用高能电子的康普顿散射（DVCS为深度虚拟康普顿散射的缩写）来计算作为距中心距离的函数的分布。中心的最大压力约为10Pa，比中子星内部的压力还要高。

相关原理

原子核相关

原子核由质子和中子组成。中子在其中重要的作用就是平衡其中的电磁相互作用。实际上，中子并不是原子核必备的强子，氢原子核就只有一个质子而没有中子。但质子带正电，质子之间会有库仑斥力，无法形成稳定的束缚态，注意，库伦相互作用的强度与距离呈平方反比，距离越近，作用越强，因此，仅靠质子之间的强相互作用无法克服库伦相互作用。因此，仅参与强相互作用力而不参与库伦相互作用的中子就成为了平衡原子核内相互作用的关键。

原子结构概念图

在原子核的尺度上，强相互作用表现为吸引作用，可以平衡质子之间的库伦斥力。随着原子核内质子的增多，所需要的中子也要增多，元素周期表后部分的稳定核素中子数明显会多于质子数。当原子核增加到一定程度后，原子核将无法保持稳定，会自发衰变成为更轻但更稳定的原子核。而随着原子核体积的增加，强子之间终究会超过强相互作用的力程，因此原子核内质子数是有限的。

质子守恒

任何物质均由微小原子构成，原子由位于原子中心的原子核以及绕原子核运动的电子（带负电荷）组成，而原子核则由质子（带正电荷）及中子（不带电荷）组成。每种元素原子核中的质子数是个定数，但中子数并不是定数，质子数相同但具有不同中子数的就是该元素的同位素，元素的相对原子质量=质子数+中子数。对于确定的质子数的原子，中子数过多或过少都会影响原子核的稳定，因此即便是较轻的原子核，也可能存在可以自发衰变的同位素。氢原子的同位素：氘和氚[chuān]，就对应原子核中有一个和两个中子。

酸碱质子理论

1923年，布朗斯特（N. Brønsted）提出酸碱质子理论，定义酸是质子的供体，碱是质子的受体。酸给出质子后变成了它的共轭碱，碱接受质子后变成了它的共轭酸。这个定义的出现是为了解决阿伦尼乌斯（S. A. Arrhenius）提出的酸碱电离理论的不足而提出的一个新的酸碱定义。酸碱电离理论的框架中，把电离出的阴离子全部都是OH的物质定义为碱。然而，越来越多的化学事实证明，很多的物质会导致其水溶液中OH的增加，但是这种增加不是该物质电离出OH，而是因为它们夺取了水中的氢离子，由此导致水溶液中的OH的增加。一些教材中对酸碱质子理论的理解基于质子：酸之所以为酸，是因为能给出质子；碱则能得到质子。吉尔伯特·路易斯（Gilbert Newton Lewis）反其道而行之，用电子定义酸碱，大大拓宽了化学家对酸碱的理解。1916年，路易斯通过对实验现象的归纳总结，提出分子中的原子之间可以通过共享电子对，使分子中的每个原子都具有稳定的稀有气体电子结构。这样形成的分子称为共价分子；原子之间通过共用电子对，形成的化学键称为共价键。布朗斯特的酸碱定义放弃了以物质释放出氢离子或氢氧根离子的方式来定义酸或碱，而是从释放或得到氢离子的角度来重新定义酸或碱，这个定义蕴含着把酸和碱看作是辩证统一体的思想。在酸碱质子理论的框架下，酸与碱可被视为是同一物质的两种表现形式，它们借助于氢离子作为纽带进行转化。

相关概念

标准粒子模型20世纪90年代，物理学家才确定了基本粒子家族的成员，包括轻子（如电子、中微子、μ子等）和夸克，以及能够传递作用力的信使粒子（如传递电磁力的光子、传递强力的胶子等）。这便是所谓的“标准模型”（Standard Model）。

标准模型示意图

现行主流的粒子物理标准模型给出了十七种最小的基本粒子，分别是六种夸克、六种轻子、传递电磁相互作用的光子、传递强相互作用的胶子、传递弱相互作用的两种粒子、赋予粒子裸质量的希格斯玻色子。随着2013年大型强子对撞机（LHC)正式宣布发现希格斯玻色子，这十七种最小粒子都得到了实验验证，并且在现阶段大家都普遍接受它们是不可再分的最小的基本粒子。标准模型已经统一了强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。

标准模型中的十七种基本粒子

夸克与质子

根据美国物理学家盖尔曼（Murray Gell-Mann）的夸克模型，质子内部有三个更基本的粒子，称为“夸克”。它们被胶子传递的强相互作用牢牢粘在一起，从而形成十分稳定的质子。而质子内部的夸克和胶子，比质子还要小几个量级。人们对物质结构的理解已经深入到了核子(质子和中子的统称）的内部：夸克和胶子。现代的物理图景常将质子描述为一个充满了夸克、反夸克与胶子的一个“口袋(bag)”，是自然界中最广泛存在、并且最为稳定的量子色动力学（QCD）束缚态。胶子会将夸克紧紧地束缚在一起形成质子或中子，它们的大小约为10⁻¹⁵米。质子是原子核中的核子，内部非常复杂，它包含了三个夸克：一个负电荷的“下”夸克和两个正电荷的“上”夸克。尽管质子是由点状粒子构成的，但其尺寸是有限的，这是因为该力的强度以及原子核内部粒子的电荷的耦合。 质子（以及其他相关粒子如中子）都是由夸克和胶子构成的，而且它们构成了宇宙中大部分的常见物质的质量，因此必须有另外的能量贡献者。就质子而言，主要的因素是强大的核力。与引力和电磁力不同，基于量子色动力学和夸克和胶子的“色”特性的强核力，随着两个夸克距离的增加变得更强。

质子结构的艺术想象图

当今，人们探测质子结构的主要方法是深度非弹性散射实验（Deep Inelastic Scattering，DIS）。例如，位于德国的强子-电子环形加速器（Hadron-Electron Ring Accelerator， HERA）便是利用高能电子辐射出的虚光子轰击质子并与其中的夸克相互作用，最后散射出粒子的分布依赖于质子中胶子和夸克的空间分布等性质，科学家从而可以根据散射粒子的分布，推测质子的内部结构。当用来轰击质子的电子能量不同时，质子展现出的结构并不相同。在低能下，质子内部主要显示出三个价夸克，包含两个上夸克以及一个下夸克。在高能或者说更短的时间尺度下，夸克可以释放出胶子，然后胶子又很快地被其他夸克吸收。在被吸收之前，胶子也可以分裂出胶子或一对正反夸克，然后它们会迅速再融合为一个胶子，继而被吸收，如此等等。

夸克和胶子示意图

三个夸克在质子中的位置可以不断变化，并且它们不断地发射出涨落的胶子，这些胶子如同云一样，形成胶子云围绕在三个夸克周围，而胶子云的疏密分布也会变化。也正因为这些涨落行为，质子可以具有非常不同的形态。质子的三个价夸克对其自旋有贡献，但是胶子，海夸克和反夸克以及轨道角动量也有贡献。静电排斥和惹人注意的强大核力共同决定了质子的大小，并且需要夸克混合的性质来解释我们宇宙中的自由粒子和复合粒子。不同形式的结合能加上夸克的静质量，才给出了质子和所有原子核的质量。

自由质子

自由质子（不与核子或电子结合的质子）是一种稳定的粒子，尚未被观察到自发分解为其他粒子。自由质子在许多情况下都是天然存在的。在这些情况下，能量或温度足够高，可以将它们与电子分开。它们对电子有一定的亲和力。自由质子存在于温度过高以致于不能与电子结合的等离子体中。高能和高速的自由质子占宇宙射线的90%。在一些罕见类型的放射性衰变中，自由质子可以直接从原子核发射。质子（连同电子和反中微子）也可在不稳定自由中子的放射性衰变中产生。自由质子和中子内部的夸克与原子核中质子、中子内部的夸克，在性质上有很大的差异。此外，还有实验发现，质子和中子的自旋并不是来自构成它们的夸克的自旋，这种现象让科学家意外，因为最初是在质子上发现的，所以被称为“质子自旋危机”。

反质子相关

在通常的环境下，反物质的产额极为稀少，位于纽约长岛的美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)利用两束接近于光速的金核对撞来模拟宇宙大爆炸，产生类似于宇宙大爆炸之后几个微秒时刻的物质形态。这种物质是由基本粒子，即夸克、胶子组成的等离子体新物质形态，它具有大约是太阳中心250000倍的极端高温。然后夸克-胶子等离子体迅速冷却产生了大约等量的质子与反质子。这种相互作用力使得核子或者反核子能够相结合成原子核或者反物质原子核，研究最简单的反质子之间的相互作用力可以为以后研究更为复杂的反物质原子核间的相互作用提供决定性的基础。研究人员利用金核-金核碰撞中产生的丰富反质子，通过反质子-反质子动量关联函数的测量，扣除了通过其它粒子衰变过来的次级反质子与其他反粒子关联的污染，精确地构建了反质子-反质子关联函数。结合量子多粒子关联理论，提取出反质子-反质子的有效力程和散射长度这两个基本作用参数。研究表明，在实验精度内反物质间的相互作用与正物质并没用差别，即反质子-反质子之间的强相互作用存在着吸引，它们可以克服由于同号（负电荷）的反质子-反质子之间的库伦排斥而结合成反物质原子核。这项研究成为检测正反物质对称性的又一种新方式。轻反原子核由反质子和反中子组成。根据大型强子对撞机（LHC）团队研究认为，轻反原子核或能在银河系中穿越很长的距离。这项研究结果表明，这些反原子核或能用于寻找暗物质。

应用

质子守恒

在化学中，原子核中质子的数量称为原子序数，它决定了原子所属的化学元素。每个原子的化学性质由（带负电）电子的数量决定。对于中性原子，电子等于（加）质子的数量，因此总电荷为零。其中中子数量可以发生变化，形成不同的同位素，能级也可以不同，从而产生不同的核异构体。

分子、原子、质子、中子、电子示意图

氢离子

氢离子（H+）是氢原子失去一个电子形成的阳离子，带一个单位正电荷。某些情况下，也能形成带一个单位负电荷的阴离子，称为氢负离子。氢的核素氕[piē]形成的阳离子可以看作质子。但另外两种核素氘和氚形成的阳离子则不能看作质子，只能叫做氢离子。酸碱反应H中的转移通常称为“质子转移”。酸被称为质子供体，碱被称为质子受体。同样，质子泵和质子通道等生化术语是指水合H离子的运动。

氢原子概念图

质子核磁共振MRI

磁共振成像（MRI），又叫核磁共振成像。自1937年，拉比（Isador Isaac Rabi）发现核磁共振的现象开始，磁共振技术在随后的几十年中迎来了飞速发展，如今已成为临床检查和诊断中必不可少的设备。在整个磁共振技术的发展中，一共有6次诺贝尔奖诞生。

氢原子核在人体内含量最高，而且磁化率也是最高的，所以我们一般用氢原子核进行磁共振成像。因此，拍核磁，拍的就是“氢原子核”，也可以被称为“质子”。人体内的氢原子核主要来自于三类化合物——水、脂肪、蛋白质，但是蛋白质内的氢原子核一般没有MRI信号，所以人体中的MRI信号主要来自于水，部分组织中的信号也来自于脂肪。每一个氢原子核产生的磁场类似于一个小磁针，会在磁场中受到力的作用而偏转。如果我们外加一个主磁场，由于磁场中力的作用，氢原子核产生的磁化矢量就会与主磁场方向平行同向或者平行反向。与主磁场平行同向的质子，不需要对抗主磁场的作用而处于低能级；与主磁场平行反向的质子，需要对抗主磁场的作用而处于高能级。低能级的质子略多于高能级的质子，整体在宏观上表现为与主磁场同向的磁化矢量。当高能级质子与低能级质子数量一致时，磁化矢量相互抵消，则质子在宏观上表现为主磁场方向的磁化矢量为0。由于人体内组织含氢原子核的数量不同，氢原子核所处的化学环境不同，所以纵向和横向弛豫的过程不一样，相应的，磁化矢量恢复的时间也就不同。

因此，通过设置MRI序列，就可以采集到组织的信号。由于不同组织的MRI信号强度不同，因此能得到体内组织的对比图像。由于“磁感线切割线圈会产生电流”，因此，用旋转的XY方向的磁化矢量去切割线圈就能得到磁共振产生的电信号，进而运用数学方法对电信号进行转换，就能获得磁共振图像了。

未来发展

质子质量问题，已经被中国和美国电子-离子对撞机列为最主要的科学目标之一。未来的电子离子对撞机将有望帮助科学家揭开质子内部结构、质量以及其他更多的谜团，促进人类从最微小、也是最基本的层次去理解宇宙。未来美国正在规划中的高精度粒子加速器——电子-离子对撞机（Electron-IonCollider, EIC）是一种大型粒子加速器，用没有内部结构的电子轰击质子和更重的原子核，探索核子和原子核的内部夸克和胶子的结构及它们之间的相互作用。EIC对撞机的一个优势是其能量比较高，从而可以更加清晰地看到质子内部结构：质子本身的百分之一到万分之一尺度的结构。该机器未来将进行电子与质子或重核的对撞实验，并对非相干衍射过程进行观测，那时，研究人员便可以直接地对质子内部结构的涨落进行研究，从而更好地研究夸克-胶子等离子体的演化性质，也可以进一步加深我们对早期宇宙的认识。此外，对夸克-胶子等离子体的研究也有助于我们对量子色动力学相结构与夸克物质的了解；相对论离子碰撞也是研究强相互作用的重要途径，也是寻找反物质原子核和奇异强子的理想场所，与粒子物理、致密星体等等研究方向也紧密关联。

RHIC上的PHENIX检测器

中国的科研人员也参与了相对论重离子碰撞及夸克-胶子等离子体等相关领域的研究，2050年大科学装置发展路线图的规划，由中国科学院近代物理研究所最早于2012年主导提出，在强流重离子加速器装置（HIAF，已于2018年底在广东省惠州市开工建设）的基础上，添加一条新的电子束流，建成电子束流和质子/重离子束流均极化的中国电子离子对撞机(Electron Ion Collider in China, EicC)。探针尺度由对撞机的能量决定。EicC的探针尺度大约在质子的百分之一到千分之一左右，是研究海夸克的最佳区域。EicC建成后，将是世界上第一台运行于海夸克能区的极化电子离子对撞机。

EicC装置设计图

在实验方面，中国高能核物理队伍已通过国际合作积极参与了欧洲LHC以及美国RHIC的各项工作并取得了重要成果。

注释

展开[a]一种不与核子或电子结合的质子

参考资料

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