質(zhì)子和中子結(jié)合成氘核方程式（質(zhì)子和中子）

關(guān)于質(zhì)子和中子結(jié)合成氘核方程式，質(zhì)子和中子這個(gè)問(wèn)題很多朋友還不知道，今天小六來(lái)為大家解答以上的問(wèn)題，現(xiàn)在讓我們一起來(lái)看看吧！

1、一、 質(zhì)子、中子不是點(diǎn)狀粒子 　　對(duì)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索是科學(xué)的重要任務(wù)，自從有人類出現(xiàn)， 這種探索從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)。

2、在19 世紀(jì)，人們逐漸弄清楚物質(zhì)是 由分子原子構(gòu)成的。

3、1932年查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，人們認(rèn)識(shí)到原 子核應(yīng)由質(zhì)子和中子構(gòu)成。

4、人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究就如剝筍一樣 層層盤(pán)剝下去，每一個(gè)層次的發(fā)現(xiàn)，都是對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的深化。

5、 在原子核層次下面，質(zhì)子和中子是否還有其內(nèi)部結(jié)構(gòu)呢？ 　　質(zhì)子和中子不是點(diǎn)粒子，它們都具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

6、在30年代， 理論物理學(xué)家認(rèn)為作為核子的質(zhì)子和中子是基本粒子，應(yīng)該象點(diǎn) 粒子，根據(jù)狄拉克的相對(duì)論性波動(dòng)方程，質(zhì)子的磁矩是一個(gè)單位 核磁子，中子由于不帶電，因而磁矩是零。

7、但出乎意料的是，實(shí) 驗(yàn)家斯特恩測(cè)得的質(zhì)子磁矩卻為5.6個(gè)單位核磁子，中子磁矩也不 是零，而是-3.82個(gè)單位核磁子，與點(diǎn)粒子理論相悖。

8、這些都清楚地 說(shuō)明質(zhì)子、中子并不是我們想象的那樣簡(jiǎn)單，它們可能是具有內(nèi) 部結(jié)構(gòu)的。

9、60年代，霍夫斯塔特等人用高能電子轟擊核子，證明 核子電荷呈彌散分布，核子的確具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)[1]。

10、既然核子并 不是點(diǎn)粒子，那么其內(nèi)部的物質(zhì)是怎樣分布的呢？也許有三種情 形：或者核子內(nèi)有一個(gè)硬核，核子象一枚桃子；或有許多顆粒， 象石榴一樣有許多子；或沒(méi)有顆粒，疏松如棉絮狀。

11、具體屬哪一 種情形，要靠深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)來(lái)作進(jìn)一步?jīng)Q定。

12、 　　深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)指用極高能電子去撞擊質(zhì)子或中子，使 后者激發(fā)到一個(gè)個(gè)分立的能級(jí)即共振態(tài)，甚至達(dá)到使π介子離化 出來(lái)的連續(xù)激發(fā)態(tài)。

13、非彈性散射實(shí)驗(yàn)會(huì)改變質(zhì)子、中子的靜止質(zhì) 量。

14、實(shí)驗(yàn)表明，質(zhì)子、中子內(nèi)部有一個(gè)個(gè)點(diǎn)狀的準(zhǔn)自由的粒子， 它們攜帶有一定動(dòng)量和角動(dòng)量。

15、那么質(zhì)子、中子內(nèi)的這些點(diǎn)狀粒 子是什么呢？具有些什么性質(zhì)？ 　　二、 夸克模型 　　1964年，美國(guó)科學(xué)家蓋爾曼（見(jiàn)右上圖）提出了關(guān)于強(qiáng)子結(jié) 構(gòu)的夸克模型。

16、強(qiáng)子是粒子分類系統(tǒng)的一個(gè)概念，質(zhì)子、中子都 屬于強(qiáng)子這一類。

17、“夸克”一詞原指一種德國(guó)奶酪或海鷗的叫聲。

18、 蓋爾曼當(dāng)初提出這個(gè)模型時(shí)，并不企求能被物理學(xué)家承認(rèn)，因而 它就用了這個(gè)幽默的詞 。

19、夸克也是一種費(fèi)米子，即有自旋1/2 。

20、 因?yàn)橘|(zhì)子中子的自旋為1/2，那么三個(gè)夸克，如果兩個(gè)自旋向上， 一個(gè)自旋向下，就可以組成自旋為1/2的質(zhì)子、中子。

21、兩個(gè)正反 夸克可以組成自旋為整數(shù)的粒子，它們稱為介子，如π介子、 J/ψ子，后者由丁肇中等人于1974年發(fā)現(xiàn)，它實(shí)際上是由粲夸克 和反粲夸克組成的夸克對(duì)。

22、凡是由三個(gè)夸克組成的粒子稱為重子， 重子和介子統(tǒng)稱強(qiáng)子，因?yàn)樗鼈兌紖⑴c強(qiáng)相互作用，故有此名。

23、 原子核中質(zhì)子間的電斥力十分強(qiáng)，可是原子核照樣能夠穩(wěn)定存在， 就是由于強(qiáng)相互作用力（核力）將核子們束縛住的。

24、由夸克模型， 夸克是帶分?jǐn)?shù)電荷的，每個(gè)夸克帶+2/3e或-1/3e電荷（e為質(zhì)子 電荷單位）。

25、現(xiàn)代粒子物理學(xué)認(rèn)為，夸克共有6種（味道），分 別稱為上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、頂夸克、底夸克，它 們組成了所有的強(qiáng)子，如一個(gè)質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組 成，一個(gè)中子由兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克組成，則上夸克帶 +2/3e電荷，下夸克帶-1/3e電荷。

26、上、下夸克的質(zhì)量略微不同。

27、 中子的質(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量略大一點(diǎn)點(diǎn)，過(guò)去認(rèn)為可能是由于中子、 質(zhì)子的帶電量不同造成的，現(xiàn)在看來(lái)，這應(yīng)歸于下夸克質(zhì)量比上 夸克質(zhì)量略大一點(diǎn)點(diǎn)。

28、 　　　　　　　　 　 質(zhì)子和中子的組成：一個(gè)質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克 組成，一個(gè)中子由兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克組成 　　雖然夸克模型當(dāng)時(shí)取得了許多成功，但也遇到了一些麻煩， 如重子的夸克結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為，象Ω-和Δ++這樣的重子可以由三個(gè) 相同夸克組成，且都處于基態(tài)，自旋方向相同，這種在同一能級(jí) 上存在有三個(gè)全同粒子的現(xiàn)象是違反泡利不相容原理的。

29、泡利不 相容原理說(shuō)的是兩個(gè)費(fèi)米子是不能處于相同的狀態(tài)中的。

30、夸克的 自旋為半整數(shù)，是費(fèi)米子，當(dāng)然是不能違反泡利原理的。

31、但物理 學(xué)家自有辦法，你不是說(shuō)三個(gè)夸克全同嗎？那我給它們來(lái)個(gè)編號(hào) 或著上“顏色”（紅、黃、藍(lán)），那三個(gè)夸克不就不全同了，從 而不再違反泡利原理了。

32、的確，在1964年，格林伯格引入了夸克 的這一種自由度——“顏色”的概念。

33、當(dāng)然這里的“顏色”并不 是視覺(jué)感受到的顏色，它是一種新引入的自由度的代名詞，與電 子帶電荷相類似，夸克帶顏色荷。

34、這樣一來(lái)，每味夸克就有三種 顏色，夸克的種類一下子由原來(lái)的6種擴(kuò)展到18種，再加上它們 的反粒子，那么自然界一共有36種夸克，它們和輕子（如電子、 μ子、τ子及其相應(yīng)的中微子）、規(guī)范粒子（如光子、三個(gè)傳遞控 制夸克輕子衰變的弱相互作用的中間玻色子、八個(gè)傳遞強(qiáng)（色） 相互作用的膠子）一起組成了大千世界。

35、夸克具有顏色自由度的 理論得到了不少實(shí)驗(yàn)的支持，在70年代發(fā)展成為強(qiáng)相互作用的重 要理論——量子色動(dòng)力學(xué)。

36、 　　三、量子色動(dòng)力學(xué)及其特點(diǎn) 　　“量子色動(dòng)力學(xué)”這一名稱聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)可怕，念起來(lái)有點(diǎn)拗 口，應(yīng)該這樣念：量子/色/動(dòng)力學(xué)。

37、這個(gè)理論認(rèn)為，夸克是帶有 色荷的，膠子場(chǎng)是夸克間發(fā)生相互作用的媒介。

38、這不禁讓我們想 起電子是帶有電荷的，傳遞電子間相互作用的媒介是電磁場(chǎng)（光 子場(chǎng)）。

39、的確，關(guān)于電荷的動(dòng)力學(xué)我們?cè)缫延辛?，它叫“量子?動(dòng)力學(xué)”，發(fā)展于三四十年代。

40、一般讀者對(duì)電磁相互作用都有點(diǎn) 熟悉，因此就以它為例來(lái)理解質(zhì)子中子內(nèi)的色相互作用。

41、電磁場(chǎng) 的麥克斯韋方程的量子化就是量子電動(dòng)力學(xué)，具體地說(shuō)，量子電 動(dòng)力學(xué)就是研究電子和光子的量子碰撞（即散射）的，自然，量 子色動(dòng)力學(xué)是研究夸克和膠子的量子碰撞的。

42、 　　 膠子是色場(chǎng)的量子，就象光子是電磁場(chǎng)的量子一樣。

43、膠子 和光子都是質(zhì)量為0、自旋為傳遞相互作用的媒介粒子，都屬 于規(guī)范粒子。

44、兩個(gè)電子發(fā)生相互作用是靠傳遞一個(gè)虛光子而發(fā)生 的（虛光子只在相互作用中間過(guò)程產(chǎn)生，其能量和動(dòng)量不成正比， 不能獨(dú)立存在，在產(chǎn)生后瞬時(shí)就湮滅。

45、由相對(duì)論知道，自由運(yùn)動(dòng) 的電子不能發(fā)射實(shí)光子，但可以發(fā)射虛光子。

46、給予我們光明和熱 能的是實(shí)光子，它的能量和動(dòng)量成正比，脫離源后，能獨(dú)立存 在），自然，兩個(gè)夸克發(fā)生相互作用是靠傳遞一個(gè)虛膠子而發(fā)生 的。

47、虛膠子攜帶著一個(gè)夸克的部分能量和動(dòng)量，交給另一個(gè)夸克， 于是兩個(gè)夸克就以膠子為紐帶發(fā)生了相互作用。

48、看到這里，我們 會(huì)說(shuō)，不是重復(fù)了一下嗎？量子色動(dòng)力學(xué)可以由量子電動(dòng)力學(xué)依 葫蘆畫(huà)瓢建立起來(lái)，真是太容易了！不過(guò)實(shí)際上沒(méi)有這么簡(jiǎn)單。

49、 按群論的語(yǔ)言講，電磁場(chǎng)是U（1）規(guī)范場(chǎng)，是一種阿貝爾規(guī)范場(chǎng)， 群元可以交換，而膠子場(chǎng)是SU(3)規(guī)范場(chǎng)，是一種非阿貝爾規(guī)范 場(chǎng)，群元不可以交換。

50、一般來(lái)說(shuō)，“非”總比“不非”要麻煩得 多。

51、電荷只有一種，而色荷卻有三種（紅、黃、藍(lán)）；U(1)群的 生成元只有一個(gè)，就是1，所以光子只有一種，而SU(3)群有八個(gè) 生成元，一個(gè)生成元對(duì)應(yīng)一種膠子，所以膠子共有八種；光子不 帶電荷，而膠子場(chǎng)由于是非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)，場(chǎng)方程具有非線性項(xiàng)， 體現(xiàn)了膠子的自相互作用，因而膠子也帶色荷，夸克發(fā)射帶色的 膠子，自身改變顏色。

52、所以膠子場(chǎng)比電磁場(chǎng)復(fù)雜，因而出現(xiàn)了許 多不同尋常的現(xiàn)象和性質(zhì)，其中最重要的恐怕要數(shù)“漸近自由” [2-3]和“夸克幽禁”[4-6]了。

53、 　　“漸近自由”說(shuō)的是兩個(gè)夸克之間距離很小時(shí)，耦合常數(shù)也 會(huì)變得很小，以致夸克可以看成是近自由的。

54、耦合常數(shù)變小是由 于真空的反色屏蔽效應(yīng)引起的。

55、真空中的夸克會(huì)使真空極化（即 它使真空帶上顏色），夸克與周圍真空的相互作用導(dǎo)致由真空極 化產(chǎn)生的虛膠子和正反虛夸克的極化分布，最終效果使夸克色荷 變大，這稱為色的反屏蔽效應(yīng)（對(duì)于電荷，剛好相反，由于真空 極化導(dǎo)致電荷吸引反號(hào)電荷的虛粒子，所以總電荷減少，這稱為 電的屏蔽效應(yīng)。

56、與它作比較，色的反屏蔽效應(yīng)這一術(shù)語(yǔ)由此而 來(lái)）。

57、由于這一效應(yīng)，在離夸克較小距離上看來(lái)，大距離的夸克 比它帶的色荷多，所以小距離上強(qiáng)作用相對(duì)而言變?nèi)趿?，這就是 所謂“漸近自由”。

58、漸近自由是量子色動(dòng)力學(xué)的一項(xiàng)重要成果， 它使得高能色動(dòng)力學(xué)可以用微擾理論計(jì)算。

59、但是在低能情形或者 說(shuō)大距離情形，由于耦合常數(shù)變強(qiáng)及存在幽禁力，計(jì)算變得困難。

60、 　　量子色動(dòng)力學(xué)可以預(yù)言小距離的“漸近自由”，但是對(duì)大距 離的“夸克幽禁”，量子色動(dòng)力學(xué)就無(wú)法預(yù)言了，這是量子色動(dòng) 力學(xué)的困難。

61、 　　“夸克幽禁”說(shuō)的是夸克無(wú)法從質(zhì)子中逃逸出去。

62、紅黃藍(lán)三 色夸克組成無(wú)色態(tài)，強(qiáng)子都是無(wú)色的。

63、一旦夸克可以從質(zhì)子或強(qiáng) 子中跑出來(lái)，自然界就會(huì)存在帶色的粒子;帶色的粒子引起真空 的進(jìn)一步極化，色荷之間的幽禁勢(shì)是很大的，整個(gè)真空都帶上了 顏色，能量很高，導(dǎo)致真空爆炸。

64、實(shí)際這些都沒(méi)有發(fā)生，暗示自 然界不存在游離的夸克，那么我們會(huì)問(wèn)：夸克倒底是一個(gè)數(shù)學(xué)技 巧還是一個(gè)物理實(shí)在？研究這一問(wèn)題，是對(duì)夸克模型的考驗(yàn)。

65、不 過(guò)，現(xiàn)在因?yàn)橐延辛丝淇舜嬖诘拈g接證據(jù)，物理學(xué)家相信夸克是 應(yīng)該的確存在的。

66、夸克為什么要被幽禁起來(lái)，物理學(xué)家已提出了 幾個(gè)理論。

67、有人提出口袋模型，如認(rèn)為質(zhì)子是一只受真空擠壓的 口袋，可將夸克束縛住而逃不出來(lái)[7-9]；有人提出了弦理論， 認(rèn)為夸克綁在弦的兩端，而這條弦卻難以斷裂，即使一旦斷裂， 斷裂處生成一對(duì)正反夸克，原來(lái)的強(qiáng)子碎裂為兩個(gè)新的強(qiáng)子，從 而自由的夸克從來(lái)不可能出現(xiàn)[10]；也有人說(shuō)，既然膠子帶色荷， 膠子之間也會(huì)有色磁吸引力，從而色力線被拉緊呈平行狀，就如 一個(gè)帶電電容器兩板因?yàn)橛衅叫械碾娏€因而彼此有吸引一樣， 夸克之間也有類似這種吸引力；格點(diǎn)規(guī)范理論的面積定律證明夸 克之間有線性禁閉勢(shì)存在[11]；90年代中期塞伯和威滕用他們發(fā) 展的四維空間量子場(chǎng)論證明磁單極凝聚也會(huì)導(dǎo)致夸克幽禁[11]。

68、 關(guān)于夸克幽禁的理論有許多，正好說(shuō)明了我們對(duì)強(qiáng)力的了解還不 夠充分。

69、 　　四、 核子結(jié)構(gòu)圖象與核子衰變 　　對(duì)介子譜的研究表明，夸克之間除了由于單膠子交換引起的 色庫(kù)侖力外，還有色禁閉力，其勢(shì)是隨距離線性增長(zhǎng)的，正如上 面所說(shuō)，雖然不清楚線性禁閉勢(shì)的來(lái)源，但可以認(rèn)為正是這個(gè)勢(shì) 導(dǎo)致了夸克幽禁。

70、但是這一觀點(diǎn)也許要受到挑戰(zhàn)。

71、因?yàn)橛孟鄬?duì)論 性波動(dòng)方程解介子能譜，發(fā)現(xiàn)在無(wú)窮遠(yuǎn)處波函數(shù)并不收斂至零， 而是一個(gè)散射解。

72、這意味著我們應(yīng)探測(cè)到游離的夸克，但實(shí)際并 不如此。

73、那這些散射解是怎么產(chǎn)生的呢？原來(lái)禁閉勢(shì)在無(wú)窮遠(yuǎn)處 十分巨大，以致擾動(dòng)真空導(dǎo)致正反夸克產(chǎn)生。

74、實(shí)際沒(méi)有測(cè)到這些 產(chǎn)生的夸克，一個(gè)原因可能是大距離時(shí)夸克的質(zhì)量也會(huì)變得十分 巨大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了線性勢(shì)，抑制了真空擾動(dòng)產(chǎn)生正反夸克的能力。

75、 夸克質(zhì)量會(huì)隨距離增大而增大，可能可以用真空色電極化（導(dǎo)致 真空帶上顏色）來(lái)解釋。

76、真空色電極化使得色荷象滾雪球一樣越 來(lái)越大，夸克能量和質(zhì)量也相應(yīng)越來(lái)越大，浸在真空中的單一夸 克質(zhì)量巨大，真空沒(méi)有足夠的能量產(chǎn)生這些夸克，也許這最終導(dǎo) 致了夸克幽禁。

77、 　　對(duì)于強(qiáng)子結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在對(duì)不同的能態(tài)用不同的理論模型來(lái)描述。

78、 基態(tài)質(zhì)子和中子，可以用量子力學(xué)的薛定諤方程求解，強(qiáng)子質(zhì)量 主要由夸克承擔(dān)；對(duì)于處于激發(fā)態(tài)的共振粒子，弦模型比較成功， 該模型認(rèn)為重子和介子的質(zhì)量和自旋主要由弦（色力線管）提供 [10]；對(duì)于更高能的強(qiáng)子激發(fā)態(tài)，由于真空色電極化十分強(qiáng)大， 因而強(qiáng)子質(zhì)量主要就是色電極化質(zhì)量，夸克的質(zhì)量和弦的質(zhì)量十 分微小。

79、現(xiàn)在對(duì)處于不同能態(tài)的質(zhì)子、中子結(jié)構(gòu)還無(wú)法用一個(gè)統(tǒng) 一的理論來(lái)描述。

80、 　　上面討論的是質(zhì)子中子及其共振態(tài)的靜態(tài)性質(zhì)，下面談一下 它們的衰變問(wèn)題。

81、原子核內(nèi)的質(zhì)子中子是穩(wěn)定的，但自由的中子 是不穩(wěn)定的，壽命約為11分鐘。

82、中子的質(zhì)量比質(zhì)子略大一些，因 而可以有足夠的能量衰變?yōu)橘|(zhì)子，并放出一個(gè)電子和一個(gè)電子型 反中微子。

83、在夸克水平上解釋這一過(guò)程，實(shí)際上就是：中子內(nèi)的 一個(gè)下夸克（帶-1/3e電荷）放出一個(gè)傳遞弱相互作用的中間玻色 子W- ，自身變成上夸克（帶+2/3e電荷），W-又衰變?yōu)橐粋€(gè)電子 和一個(gè)電子型反中微子。

84、由于質(zhì)子中子的重子數(shù)都為+1，輕子數(shù) 為0，電子和電子型中微子的重子數(shù)為0，輕子數(shù)分別為+1和-1， 所以這一過(guò)程重子數(shù)、輕子數(shù)都守恒。

85、現(xiàn)在的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型 （量子電動(dòng)力學(xué)、弱電統(tǒng)一理論[12]、量子色動(dòng)力學(xué)）認(rèn)為重子 數(shù)是守恒的，質(zhì)子已是最輕的重子，所以它不能再衰變?yōu)槠渌?子，它是永恒的。

86、由于人們面遇的物質(zhì)世界主要就是由重子組成 的，所以很容易相信質(zhì)子是永恒的。

87、但是有一種理論卻預(yù)言這種 觀念是不對(duì)的，質(zhì)子會(huì)衰變成正電子和中性π介子，重子數(shù)和輕 子數(shù)并不絕對(duì)守恒。

88、這種理論是大統(tǒng)一理論[13-17]，它企圖把 強(qiáng)、弱、電相互作用統(tǒng)一起來(lái)，用一個(gè)耦合常數(shù)來(lái)描寫(xiě)。

89、大統(tǒng)一 理論包含著標(biāo)準(zhǔn)模型，但比標(biāo)準(zhǔn)模型來(lái)得更大，因而有更多的傳 遞相互作用的規(guī)范玻色子。

90、雖然這些規(guī)范玻色子是一種超弱場(chǎng)的 量子，但質(zhì)子中的下夸克卻會(huì)釋放這種規(guī)范玻色子，自身變成正 電子，而質(zhì)子內(nèi)的一個(gè)上夸克吸收這個(gè)規(guī)范玻色子，變成上夸克 的反粒子（反上夸克），這個(gè)反上夸克與質(zhì)子內(nèi)的另一個(gè)上夸克 結(jié)合成中性π介子。

91、由于引起這種夸克—輕子轉(zhuǎn)化的場(chǎng)十分弱， 所以質(zhì)子雖然要衰變，但衰變壽命是很長(zhǎng)的，大約為一千萬(wàn)億億 億年，而我們的宇宙壽命也只有幾百億年，所以質(zhì)子平均壽命比 宇宙壽命長(zhǎng)十萬(wàn)億億倍。

92、在你一生當(dāng)中，你體內(nèi)的質(zhì)子只能衰變 零點(diǎn)幾個(gè)，不必?fù)?dān)心質(zhì)子衰變會(huì)給我們的生活帶來(lái)什么不便。

93、質(zhì) 子衰變還只是一個(gè)理論預(yù)言，實(shí)驗(yàn)的證明還沒(méi)有完全結(jié)束[16]。

94、 　　前面提到，質(zhì)子中的點(diǎn)粒子是夸克，實(shí)際上它們還包括膠子 和不斷產(chǎn)生、湮滅的?？淇?。

95、過(guò)去認(rèn)為質(zhì)子自旋為1/2，是由三個(gè) 夸克提供的，而如今的研究卻不能支持這一觀點(diǎn)，質(zhì)子中的三個(gè) 夸克的總角動(dòng)量只占質(zhì)子自旋的15%，而大部分自旋也許由膠子 和?？淇顺袚?dān)。

96、這被稱為“質(zhì)子自旋危機(jī)”，是個(gè)熱門(mén)課題。

本文分享完畢，希望對(duì)大家有所幫助。

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