Question

物理高手进！急急急急急急急急急急急急急急急急1

什么是中子，电子和质子，他们是怎么产生的，之间又有什么样的联系

Answer 1

一、 质子、中子不是点状粒子
对于物质结构的探索是科学的重要任务，自从有人类出现， 这种探索从来没有停止过。在19 世纪，人们逐渐弄清楚物质是 由分子原子构成的。1932年查德威克发现了中子，人们认识到原 子核应由质子和中子构成。人们对物质结构的研究就如剥笋一样 层层盘剥下去，每一个层次的发现，都是对物质结构认识的深化。 在原子核层次下面，质子和中子是否还有其内部结构呢？
质子和中子不是点粒子，它们都具有内部结构。在30年代， 理论物理学家认为作为核子的质子和中子是基本粒子，应该象点 粒子，根据狄拉克的相对论性波动方程，质子的磁矩是一个单位 核磁子，中子由于不带电，因而磁矩是零。但出乎意料的是，实 验家斯特恩测得的质子磁矩却为5.6个单位核磁子，中子磁矩也不 是零，而是-3.82个单位核磁子，与点粒子理论相悖。这些都清楚地 说明质子、中子并不是我们想象的那样简单，它们可能是具有内 部结构的。60年代，霍夫斯塔特等人用高能电子轰击核子，证明 核子电荷呈弥散分布，核子的确具有内部结构[1]。既然核子并 不是点粒子，那么其内部的物质是怎样分布的呢？也许有三种情 形：或者核子内有一个硬核，核子象一枚桃子；或有许多颗粒， 象石榴一样有许多子；或没有颗粒，疏松如棉絮状。具体属哪一 种情形，要靠深度非弹性散射实验来作进一步决定。
深度非弹性散射实验指用极高能电子去撞击质子或中子，使 后者激发到一个个分立的能级即共振态，甚至达到使π介子离化 出来的连续激发态。非弹性散射实验会改变质子、中子的静止质 量。实验表明，质子、中子内部有一个个点状的准自由的粒子， 它们携带有一定动量和角动量。那么质子、中子内的这些点状粒 子是什么呢？具有些什么性质？
二、 夸克模型
1964年，美国科学家盖尔曼（见右上图）提出了关于强子结 构的夸克模型。强子是粒子分类系统的一个概念，质子、中子都 属于强子这一类。“夸克”一词原指一种德国奶酪或海鸥的叫声。 盖尔曼当初提出这个模型时，并不企求能被物理学家承认，因而 它就用了这个幽默的词 。夸克也是一种费米子，即有自旋1/2 。 因为质子中子的自旋为1/2，那么三个夸克，如果两个自旋向上， 一个自旋向下，就可以组成自旋为1/2的质子、中子。两个正反 夸克可宰槌勺孕����牧W樱��浅莆�樽樱�绂薪樽印? J/ψ子，后者由丁肇中等人于1974年发现，它实际上是由粲夸克 和反粲夸克组成的夸克对。凡是由三个夸克组成的粒子称为重子， 重子和介子统称强子，因为它们都参与强相互作用，故有此名。 原子核中质子间的电斥力十分强，可是原子核照样能够稳定存在， 就是由于强相互作用力（核力）将核子们束缚住的。由夸克模型， 夸克是带分数电荷的，每个夸克带+2/3e或-1/3e电荷（e为质子 电荷单位）。现代粒子物理学认为，夸克共有6种（味道），分 别称为上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克、底夸克，它 们组成了所有的强子，如一个质子由两个上夸克和一个下夸克组 成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成，则上夸克带 +2/3e电荷，下夸克带-1/3e电荷。上、下夸克的质量略微不同。 中子的质量比质子的质量略大一点点，过去认为可能是由于中子、 质子的带电量不同造成的，现在看来，这应归于下夸克质量比上 夸克质量略大一点点。

质子和中子的组成：一个质子由两个上夸克和一个下夸克 组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成
虽然夸克模型当时取得了许多成功，但也遇到了一些麻烦， 如重子的夸克结构理论认为，象Ω-和Δ++这样的重子可以由三个 相同夸克组成，且都处于基态，自旋方向相同，这种在同一能级 上存在有三个全同粒子的现象是违反泡利不相容原理的。泡利不 相容原理说的是两个费米子是不能处于相同的状态中的。夸克的 自旋为半整数，是费米子，当然是不能违反泡利原理的。但物理 学家自有办法，你不是说三个夸克全同吗？那我给它们来个编号 或着上“颜色”（红、黄、蓝），那三个夸克不就不全同了，从 而不再违反泡利原理了。的确，在1964年，格林伯格引入了夸克 的这一种自由度——“颜色”的概念。当然这里的“颜色”并不 是视觉感受到的颜色，它是一种新引入的自由度的代名词，与电 子带电荷相类似，夸克带颜色荷。这样一来，每味夸克就有三种 颜色，夸克的种类一下子由原来的6种扩展到18种，再加上它们 的反粒子，那么自然界一共有36种夸克，它们和轻子（如电子、 μ子、τ子及其相应的中微子）、规范粒子（如光子、三个传递控 制夸克轻子衰变的弱相互作用的中间玻色子、八个传递强（色） 相互作用的胶子）一起组成了大千世界。夸克具有颜色自由度的 理论得到了不少实验的支持，在70年代发展成为强相互作用的重 要理论——量子色动力学。
三、量子色动力学及其特点
“量子色动力学”这一名称听起来有点可怕，念起来有点拗 口，应该这样念：量子/色/动力学。这个理论认为，夸克是带有 色荷的，胶子场是夸克间发生相互作用的媒介。这不禁让我们想 起电子是带有电荷的，传递电子间相互作用的媒介是电磁场（光 子场）。的确，关于电荷的动力学我们早已有了，它叫“量子电 动力学”，发展于三四十年代。一般读者对电磁相互作用都有点 熟悉，因此就以它为例来理解质子中子内的色相互作用。电磁场 的麦克斯韦方程的量子化就是量子电动力学，具体地说，量子电 动力学就是研究电子和光子的量子碰撞（即散射）的，自然，量 子色动力学是研究夸克和胶子的量子碰撞的。
胶子是色场的量子，就象光子是电磁场的量子一样。胶子 和光子都是质量为0、孕�?、传递相互作用的媒介粒子，都属 于规范粒子。两个电子发生相互作用是靠传递一个虚光子而发生 的（虚光子只在相互作用中间过程产生，其能量和动量不成正比， 不能独立存在，在产生后瞬时就湮灭。由相对论知道，自由运动 的电子不能发射实光子，但可以发射虚光子。给予我们光明和热 能的是实光子，它的能量和动量成正比，脱离源后，能独立存 在），自然，两个夸克发生相互作用是靠传递一个虚胶子而发生 的。虚胶子携带着一个夸克的部分能量和动量，交给另一个夸克， 于是两个夸克就以胶子为纽带发生了相互作用。看到这里，我们 会说，不是重复了一下吗？量子色动力学可以由量子电动力学依 葫芦画瓢建立起来，真是太容易了！不过实际上没有这么简单。 按群论的语言讲，电磁场是U（1）规范场，是一种阿贝尔规范场， 群元可以交换，而胶子场是SU(3)规范场，是一种非阿贝尔规范 场，群元不可以交换。一般来说，“非”总比“不非”要麻烦得 多。电荷只有一种，而色荷却有三种（红、黄、蓝）；U(1)群的 生成元只有一个，就是1，所以光子只有一种，而SU(3)群有八个 生成元，一个生成元对应一种胶子，所以胶子共有八种；光子不 带电荷，而胶子场由于是非阿贝尔规范场，场方程具有非线性项， 体现了胶子的自相互作用，因而胶子也带色荷，夸克发射带色的 胶子，自身改变颜色。所以胶子场比电磁场复杂，因而出现了许 多不同寻常的现象和性质，其中最重要的恐怕要数“渐近自由” [2-3]和“夸克幽禁”[4-6]了。
“渐近自由”说的是两个夸克之间距离很小时，耦合常数也 会变得很小，以致夸克可以看成是近自由的。耦合常数变小是由 于真空的反色屏蔽效应引起的。真空中的夸克会使真空极化（即 它使真空带上颜色），夸克与周围真空的相互作用导致由真空极 化产生的虚胶子和正反虚夸克的极化分布，最终效果使夸克色荷 变大，这称为色的反屏蔽效应（对于电荷，刚好相反，由于真空 极化导致电荷吸引反号电荷的虚粒子，所以总电荷减少，这称为 电的屏蔽效应。与它作比较，色的反屏蔽效应这一术语由此而 来）。由于这一效应，在离夸克较小距离上看来，大距离的夸克 比它带的色荷多，所以小距离上强作用相对而言变弱了，这就是 所谓“渐近自由”。渐近自由是量子色动力学的一项重要成果， 它使得高能色动力学可以用微扰理论计算。但是在低能情形或者 说大距离情形，由于耦合常数变强及存在幽禁力，计算变得困难。
量子色动力学可以预言小距离的“渐近自由”，但是对大距 离的“夸克幽禁”，量子色动力学就无法预言了，这是量子色动 力学的困难。
“夸克幽禁”说的是夸克无法从质子中逃逸出去。红黄蓝三 色夸克组成无色态，强子都是无色的。一旦夸克可以从质子或强 子中跑出来，自然界就会存在带色的粒子;带色的粒子引起真空 的进一步极化，色荷之间的幽禁势是很大的，整个真空都带上了 颜色，能量很高，导致真空爆炸。实际这些都没有发生，暗示自 然界不存在游离的夸克，那么我们会问：夸克倒底是一个数学技 巧还是一个物理实在？研究这一问题，是对夸克模型的考验。不 过，现在因为已有了夸克存在的间接证据，物理学家相信夸克是 应该的确存在的。夸克为什么要被幽禁起来，物理学家已提出了 几个理论。有人提出口袋模型，如认为质子是一只受真空挤压的 口袋，可将夸克束缚住而逃不出来[7-9]；有人提出了弦理论， 认为夸克绑在弦的两端，而这条弦却难以断裂，即使一旦断裂， 断裂处生成一对正反夸克，原来的强子碎裂为两个新的强子，从 而自由的夸克从来不可能出现[10]；也有人说，既然胶子带色荷， 胶子之间也会有色磁吸引力，从而色力线被拉紧呈平行状，就如 一个带电电容器两板因为有平行的电力线因而彼此有吸引一样， 夸克之间也有类似这种吸引力；格点规范理论的面积定律证明夸 克之间有线性禁闭势存在[11]；90年代中期塞伯和威滕用他们发 展的四维空间量子场论证明磁单极凝聚也会导致夸克幽禁[11]。 关于夸克幽禁的理论有许多，正好说明了我们对强力的了解还不 够充分。
四、 核子结构图象与核子衰变
对介子谱的研究表明，夸克之间除了由于单胶子交换引起的 色库仑力外，还有色禁闭力，其势是随距离线性增长的，正如上 面所说，虽然不清楚线性禁闭势的来源，但可以认为正是这个势 导致了夸克幽禁。但是这一观点也许要受到挑战。因为用相对论 性波动方程解介子能谱，发现在无穷远处波函数并不收敛至零， 而是一个散射解。这意味着我们应探测到游离的夸克，但实际并 不如此。那这些散射解是怎么产生的呢？原来禁闭势在无穷远处 十分巨大，以致扰动真空导致正反夸克产生。实际没有测到这些 产生的夸克，一个原因可能是大距离时夸克的质量也会变得十分 巨大，远远超过了线性势，抑制了真空扰动产生正反夸克的能力。 夸克质量会随距离增大而增大，可能可以用真空色电极化（导致 真空带上颜色）来解释。真空色电极化使得色荷象滚雪球一样越 来越大，夸克能量和质量也相应越来越大，浸在真空中的单一夸 克质量巨大，真空没有足够的能量产生这些夸克，也许这最终导 致了夸克幽禁。
对于强子结构，现在对不同的能态用不同的理论模型来描述。 基态质子和中子，可以用量子力学的薛定谔方程求解，强子质量 主要由夸克承担；对于处于激发态的共振粒子，弦模型比较成功， 该模型认为重子和介子的质量和自旋主要由弦（色力线管）提供 [10]；对于更高能的强子激发态，由于真空色电极化十分强大， 因而强子质量主要就是色电极化质量，夸克的质量和弦的质量十 分微小。现在对处于不同能态的质子、中子结构还无法用一个统 一的理论来描述。
上面讨论的是质子中子及其共振态的静态性质，下面谈一下 它们的衰变问题。原子核内的质子中子是稳定的，但自由的中子 是不稳定的，寿命约为11分钟。中子的质量比质子略大一些，因 而可以有足够的能量衰变为质子，并放出一个电子和一个电子型 反中微子。在夸克水平上解释这一过程，实际上就是：中子内的 一个下夸克（带-1/3e电荷）放出一个传递弱相互作用的中间玻色 子W- ，自身变成上夸克（带+2/3e电荷），W-又衰变为一个电子 和一个电子型反中微子。由于质子中子的重子数都为+1，轻子数 为0，电子和电子型中微子的重子数为0，轻子数分别为+1和-1， 所以这一过程重子数、轻子数都守恒。现在的粒子物理标准模型 （量子电动力学、弱电统一理论[12]、量子色动力学）认为重子 数是守恒的，质子已是最轻的重子，所以它不能再衰变为其他重 子，它是永恒的。由于人们面遇的物质世界主要就是由重子组成 的，所以很容易相信质子是永恒的。但是有一种理论却预言这种 观念是不对的，质子会衰变成正电子和中性π介子，重子数和轻 子数并不绝对守恒。这种理论是大统一理论[13-17]，它企图把 强、弱、电相互作用统一起来，用一个耦合常数来描写。大统一 理论包含着标准模型，但比标准模型来得更大，因而有更多的传 递相互作用的规范玻色子。虽然这些规范玻色子是一种超弱场的 量子，但质子中的下夸克却会释放这种规范玻色子，自身变成正 电子，而质子内的一个上夸克吸收这个规范玻色子，变成上夸克 的反粒子（反上夸克），这个反上夸克与质子内的另一个上夸克 结合成中性π介子。由于引起这种夸克—轻子转化的场十分弱， 所以质子虽然要衰变，但衰变寿命是很长的，大约为一千万亿亿 亿年，而我们的宇宙寿命也只有几百亿年，所以质子平均寿命比 宇宙寿命长十万亿亿倍。在你一生当中，你体内的质子只能衰变 零点几个，不必担心质子衰变会给我们的生活带来什么不便。质 子衰变还只是一个理论预言，实验的证明还没有完全结束[16]。
前面提到，质子中的点粒子是夸克，实际上它们还包括胶子 和不断产生、湮灭的海夸克。过去认为质子自旋为1/2，是由三个 夸克提供的，而如今的研究却不能支持这一观点，质子中的三个 夸克的总角动量只占质子自旋的15%，而大部分自旋也许由胶子 和海夸克承担。这被称为“质子自旋危机”，是个热门课题。
五、 简短总结
虽然胶子的存在证据也有了，顶夸克存在的证据也在1995年 找到了，但是对于强子结构的研究和自由夸克的探索还需走更长 远的路。夸克幽禁的根本原因倒底是线性禁闭势的存在还是色电 极化所致，夸克幽禁是暂时的还是永久的，值得继续研究。如果 夸克是永久性禁闭的，强子永远是无色的，正应了一句话：“色 即空，空即色。”孰是孰非，有待高能物理及其理论的继续发展

Answer 2

中子是构成原子核的物质。
原子由原子核和核外电子组成的，原子核由中子和质子组成的。
中子不带电，质子带正电，其电量的大小与电子电量大小相等。电子带负电。
原子是构成物质的基本单位。而中子，电子和质子是构成原子的粒子。