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。

所有元素的基本組成

原子核中質子的數目決定了這個原子屬於哪一種元素：只有一個質子的原子是氫，有六個質子的原子則是碳。質子的質量是電子的1836倍，因此原子核中的質子和中子幾乎占了原子的全部質量。

參考資料

Proton rms charge radius. NIST, 2022 CODATA recommended values, 2024.
Proton-electron mass ratio. NIST, 2022 CODATA recommended values, 2024.
Summary Tables: Baryons. Particle Data Group, 2025.
New Measurement Yields Smaller Proton Radius. Jefferson Lab, 2019.
Protons - smaller than we thought. Paul Scherrer Institute, 2010.
Precision to the thirteenth decimal place. Max Planck Institute of Quantum Optics, 2026.
How big is the alpha particle? Laser spectroscopy provides new results with record precision. Max Planck Institute of Quantum Optics, 2021.
Alpha particle rms charge radius. NIST, 2022 CODATA recommended values, 2024.
Bohr radius. NIST, 2022 CODATA recommended values, 2024.
Atomic Structure and Symbolism. In Chemistry 2e. OpenStax, 2019.
Properties of Nuclei. In University Physics Volume 3. OpenStax, 2016.
Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.
Official Basketball Rules 2026: Basketball Equipment. FIBA, 2026.

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