How big is 质子?

质子是一种带正电的粒子，存在于每个原子中心的原子核内。质子的直径约为 1.7 飞米，这是其电荷半径——电荷分布的平均半径——的两倍。1 飞米等于十亿分之一米的百万分之一，即 10⁻¹⁵ 米。

大小

质子没有坚硬的表面，它是由三个更小的粒子组成的云状结构——两个上夸克和一个下夸克，由强力束缚在一起，强力也是把质子和中子结合成原子核的作用力。美国国家标准与技术研究院（NIST）给出的质子电荷半径推荐值为 0.84075 飞米，不确定度小于 1%。

测量这一数值主要有两种方法：一种是用电子轰击质子，记录电子反弹的情况；另一种是测量氢原子发出的光，因为质子并非一个点，氢原子的能级会因此发生极其微小的偏移。

大小比较

中子是质子在原子核中的伙伴，两者大小相近。用同样的方法——根据磁性的分布情况——测量，它们的半径相差不到 2%。
氦原子核由两个质子和两个中子组成，直径约为 3.4 飞米，是单个质子宽度的两倍。
氢原子由一个质子和围绕它运动的一个电子构成，直径约为 0.1 纳米，大约是其质子宽度的 6 万倍。1 纳米等于十亿分之一米。
如果把质子放大到篮球那么大，围绕它的氢原子直径就会约为 15 千米。
大约 600 亿个质子并排排列，宽度就相当于一根人类头发的宽度，约 0.1 毫米。

质子半径之谜

2010 年之前，两种方法测得的半径都约为 0.88 飞米。那一年，瑞士保罗·谢尔研究所的一个团队测量了用 μ 子代替电子的氢原子。μ 子与电子相似，但质量约为电子的 200 倍，因此它的轨道离质子更近，对质子大小也更敏感。该团队测得的结果是 0.84184 飞米，比之前小约 4%，这一差距大到无法用测量误差来解释。

物理学家把这一分歧称为“质子半径之谜”，有人曾希望这暗示着一种未知的自然力。2019 年，美国弗吉尼亚州杰斐逊实验室的 PRad 实验采用一种新的电子散射测量方法，报告了 0.831 飞米的结果，与较小的数值相符。2026 年，德国马克斯·普朗克量子光学研究所对普通氢原子进行的一项精确研究也得出了一致的结果，其作者认为这一谜团已经解开。