How big is 質子?

質子是一種帶正電的粒子，存在於每個原子中心的原子核裡。它的直徑大約是1.7飛米，這個數值是其電荷半徑（電荷分布的平均半徑）的兩倍。一飛米是一百萬分之一的十億分之一公尺（10⁻¹⁵公尺）。

大小

質子沒有堅硬的表面，而是由三個稱為夸克的更小粒子構成的雲狀結構：兩個上夸克和一個下夸克，靠強力結合在一起，這也是把質子和中子結合成原子核的同一種力。美國國家標準暨技術研究院（NIST）建議的電荷半徑數值為0.84075飛米，不確定度小於1%。

測量這個數值主要有兩種方法：一種是將電子射向質子，記錄電子彈開的方式；另一種是測量氫原子發出的光，因為質子並非一個點，氫原子的能階會因此產生極細微的位移。

大小比較

中子是質子在原子核中的夥伴，兩者大小大致相同。用同樣的方式測量磁性分布時，兩者的半徑相差不到2%。
氦原子核由兩個質子和兩個中子組成，直徑大約是3.4飛米，是單一質子寬度的兩倍。
氫原子由一個質子和圍繞它的一個電子組成，直徑大約是0.1奈米，大約是其中質子寬度的6萬倍。一奈米是十億分之一公尺。
如果把質子放大到籃球的大小，環繞在外的氫原子直徑會變成大約15公里。
把大約600億個質子並排排列，就能達到人類頭髮的寬度，大約0.1公釐。

質子半徑之謎

在2010年之前，兩種方法測得的半徑都大約是0.88飛米。那一年，瑞士保羅謝勒研究所的一個團隊，測量了以緲子取代電子的氫原子。緲子的性質類似電子，但質量大約重200倍，因此軌道比電子更靠近質子許多，對質子大小也敏感得多。這個團隊測得的數值是0.84184飛米，比先前的結果小了大約4%，差距大到無法歸咎於測量誤差。

物理學家把這個分歧稱為「質子半徑之謎」，有些人一度希望這代表某種未知的自然作用力。2019年，美國維吉尼亞州傑佛遜實驗室的PRad實驗以一種新型電子散射測量方法，報告測得0.831飛米，與較小的數值相符。2026年，德國馬克斯普朗克量子光學研究所對一般氫原子所做的精密研究，也得出相符的結果，研究人員表示這個謎團已經解開。