质子带电量

质子带的电荷量，这个数字很小，但它是构成我们世界的基础。这个电荷量被称为“基本电荷”或“元电荷”，用符号 e 来表示。 它的数值是 1.602176634 × 10⁻¹⁹ 库仑。 这个数字非常精确，是国际上公认的常数。所有独立存在的带电粒子，所带的电荷量都是这个数的整数倍。

电子也带电，带的是负电。有意思的是，一个电子所带的负电荷，和质子带的正电荷，在量上是完全一样的，只是性质相反。 一个是正 e，一个是负 e。这件事其实挺奇怪的，因为质子和电子是两种完全不同的粒子。电子是基本粒子，意思是它不能再被分解成更小的部分了。 但质子不是，它是一个复合粒子，由三个更小的粒子——夸克组成，具体来说是两个上夸克和一个下夸克。 这些夸克自己也带电，但带的电荷量不是整数倍的 e，而是分数，比如 +2/3 e 或 -1/3 e。 可它们组合成质子后，总电荷量不多不少，正好就是一个正的基本电荷。为什么一个基本粒子和一个复合粒子的电荷量大小能如此精确地相等，这在物理学上还是一个有待深入研究的问题。

在日常生活中，我们感觉不到单个质子或电子的电荷，因为它们太小了。我们接触到的物体，比如一张纸、一杯水，通常都是电中性的。这是因为物体里的原子，原子核里质子的数量和核外电子的数量是相等的。 正电荷和负电荷相互抵消，所以整体上不显电性。只有当物体失去或得到电子时，比如通过摩擦，正负电荷不再平衡，物体才会显示出静电。

说到质子带电量的发现，就不能不提卢瑟福。他在1914年到1919年间做了一系列实验。 他用α粒子（就是氦原子核）去轰击氮原子，结果发现有氢原子核从氮原子核里被打出来了。 后来他确认，这个氢原子核就是一个带单位正电荷、质量为一个单位的粒子，并把它命名为“质子”。

但是，要精确测量一个质子或者一个电子到底带多少电，难度就大多了。这项工作最终由美国物理学家罗伯特·密立根在1909年左右完成，他用的就是著名的“油滴实验”。 这个实验的设计思路很巧妙，可以说把微观粒子的测量，转化成了对宏观现象的观察。

密立根的实验装置主要部分是两块水平放置的平行金属板。 他用一个喷雾器把油喷成细小的油滴，这些油滴在喷射过程中会因为摩擦而带上电。 油滴从上方的小孔掉进两块金属板之间。

实验的步骤大致是这样的：

1. 让油滴自由下落：首先，金属板不加电压。油滴受到重力作用会向下掉落。因为空气有阻力，油滴很快就会达到一个最终速度，匀速下降。通过显微镜观察油滴下落的速度，再利用一个叫做斯托克斯定律的公式，就可以计算出油滴的半径和质量。 这是一个关键步骤，因为要计算电荷量，必须先知道油滴有多重。

2. 施加电场，让油滴悬浮：接着，在两块金属板上加上电压，形成一个向上的电场。因为油滴带的是负电，所以会受到一个向上的电场力。通过仔细调节电压的大小，可以让这个向上的电场力正好与油滴自身的重力相互抵消。 这时，油滴就会静止悬浮在空中。

3. 计算电荷量：当油滴悬浮时，就意味着电场力等于重力（qE = mg）。 重力（mg）我们已经通过第一步算出来了，电场强度（E）可以根据施加的电压（V）和两块金属板之间的距离（d）计算出来（E = V/d）。 这样一来，油滴所带的总电荷量（q）就可以算出来了。

密立根对成千上万个油滴重复了这个实验。他发现，所有油滴带的电荷量，虽然数值各不相同，但它们都有一个共同点：全都是某个最小数值的整数倍。 他认为，这个最小的、不可再分的电荷值，就是单个电子所带的电荷量，也就是我们说的“元电荷”。 他的测量结果揭示了电荷是量子化的，也就是说，电荷不是连续的，而是一份一份的。

这个实验在当时是非常了不起的成就。密立根最初是用小水滴做实验的，但水的蒸发太快，影响测量精度，后来才改用蒸气压更低的油。 他还考虑到了空气浮力、空气黏滞系数等各种微小因素对实验结果的影响，并对公式进行了修正，才最终得到了精确的结果。 正是因为这项工作，密立根获得了1923年的诺贝尔物理学奖。

质子带电量这个基础常数，对整个物理学和化学都至关重要。比如，一个元素的原子序数，就是由它原子核里有多少个质子决定的，这也决定了它在元素周期表中的位置。 在化学反应中，原子之间通过分享或转移电子形成化学键，这也都和电荷有关。 甚至在更前沿的物理学研究中，比如测量质子的大小（电荷半径），也需要对质子电荷有精确的了解。 这些研究对于理解物质最基本的构成，比如夸克和胶子是如何相互作用形成质子的，有着重要意义。