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)子和中子這個問題很多朋友還不知道，今天小六來為大家解答以上的問題，現(xiàn)在讓我們一起來看看吧！

1、一、 質(zhì)子、中子不是點狀粒子 　　對于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索是科學的重要任務(wù)，自從有人類出現(xiàn)， 這種探索從來沒有停止過。

2、在19 世紀，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，人們認識到原 子核應(yīng)由質(zhì)子和中子構(gòu)成。

4、人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究就如剝筍一樣 層層盤剝下去，每一個層次的發(fā)現(xiàn)，都是對物質(zhì)結(jié)構(gòu)認識的深化。

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)子和中子不是點粒子，它們都具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

6、在30年代， 理論物理學家認為作為核子的質(zhì)子和中子是基本粒子，應(yīng)該象點 粒子，根據(jù)狄拉克的相對論性波動方程，質(zhì)子的磁矩是一個單位 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 驗家斯特恩測得的質(zhì)子磁矩卻為5.6個單位核磁子，中子磁矩也不 是零，而是-3.82個單位核磁子，與點粒子理論相悖。

8、這些都清楚地 說明質(zhì)子、中子并不是我們想象的那樣簡單，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驗來作進一步?jīng)Q定。

12、 　　深度非彈性散射實驗指用極高能電子去撞擊質(zhì)子或中子，使 后者激發(fā)到一個個分立的能級即共振態(tài)，甚至達到使π介子離化 出來的連續(xù)激發(fā)態(tài)。

13、非彈性散射實驗會改變質(zhì)子、中子的靜止質(zhì) 量。

14、實驗表明，質(zhì)子、中子內(nèi)部有一個個點狀的準自由的粒子， 它們攜帶有一定動量和角動量。

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

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

17、“夸克”一詞原指一種德國奶酪或海鷗的叫聲。

18、 蓋爾曼當初提出這個模型時，并不企求能被物理學家承認，因而 它就用了這個幽默的詞 。

19、夸克也是一種費米子，即有自旋1/2 。

20、 因為質(zhì)子中子的自旋為1/2，那么三個夸克，如果兩個自旋向上， 一個自旋向下，就可以組成自旋為1/2的質(zhì)子、中子。

21、兩個正反 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)，它實際上是由粲夸克 和反粲夸克組成的夸克對。

22、凡是由三個夸克組成的粒子稱為重子， 重子和介子統(tǒng)稱強子，因為它們都參與強相互作用，故有此名。

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

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

25、現(xiàn)代粒子物理學認為，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 們組成了所有的強子，如一個質(zhì)子由兩個上夸克和一個下夸克組 成，一個中子由兩個下夸克和一個上夸克組成，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)量略大一點點，過去認為可能是由于中子、 質(zhì)子的帶電量不同造成的，現(xiàn)在看來，這應(yīng)歸于下夸克質(zhì)量比上 夸克質(zhì)量略大一點點。

28、 　　　　　　　　 　 質(zhì)子和中子的組成：一個質(zhì)子由兩個上夸克和一個下夸克 組成，一個中子由兩個下夸克和一個上夸克組成 　　雖然夸克模型當時取得了許多成功，但也遇到了一些麻煩， 如重子的夸克結(jié)構(gòu)理論認為，象Ω-和Δ++這樣的重子可以由三個 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 上存在有三個全同粒子的現(xiàn)象是違反泡利不相容原理的。

29、泡利不 相容原理說的是兩個費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)，是費米子，當然是不能違反泡利原理的。

31、但物理 學家自有辦法，你不是說三個夸克全同嗎？那我給它們來個編號 或著上“顏色”（紅、黃、藍），那三個夸克不就不全同了，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、當然這里的“顏色”并不 是視覺感受到的顏色，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，每味夸克就有三種 顏色，夸克的種類一下子由原來的6種擴展到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、三個傳遞控 制夸克輕子衰變的弱相互作用的中間玻色子、八個傳遞強（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 理論得到了不少實驗的支持，在70年代發(fā)展成為強相互作用的重 要理論——量子色動力學。

36、 　　三、量子色動力學及其特點 　　“量子色動力學”這一名稱聽起來有點可怕，念起來有點拗 口，應(yīng)該這樣念：量子/色/動力學。

37、這個理論認為，夸克是帶有 色荷的，膠子場是夸克間發(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（光 子場）。

39、的確，關(guān)于電荷的動力學我們早已有了，它叫“量子電 動力學”，發(fā)展于三四十年代。

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

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

42、 　　 膠子是色場的量子，就象光子是電磁場的量子一樣。

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

45、由相對論知道，自由運動 的電子不能發(fā)射實光子，但可以發(fā)射虛光子。

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

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

48、看到這里，我們 會說，不是重復了一下嗎？量子色動力學可以由量子電動力學依 葫蘆畫瓢建立起來，真是太容易了！不過實際上沒有這么簡單。

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

50、一般來說，“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）；U(1)群的 生成元只有一個，就是1，所以光子只有一種，而SU(3)群有八個 生成元，一個生成元對應(yīng)一種膠子，所以膠子共有八種；光子不 帶電荷，而膠子場由于是非阿貝爾規(guī)范場，場方程具有非線性項， 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、所以膠子場比電磁場復雜，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”說的是兩個夸克之間距離很小時，耦合常數(shù)也 會變得很小，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)（對于電荷，剛好相反，由于真空 極化導致電荷吸引反號電荷的虛粒子，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)語由此而 來）。

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

58、漸近自由是量子色動力學的一項重要成果， 它使得高能色動力學可以用微擾理論計算。

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

60、 　　量子色動力學可以預言小距離的“漸近自由”，但是對大距 離的“夸克幽禁”，量子色動力學就無法預言了，這是量子色動 力學的困難。

61、 　　“夸克幽禁”說的是夸克無法從質(zhì)子中逃逸出去。

62、紅黃藍三 色夸克組成無色態(tài)，強子都是無色的。

63、一旦夸克可以從質(zhì)子或強 子中跑出來，自然界就會存在帶色的粒子;帶色的粒子引起真空 的進一步極化，色荷之間的幽禁勢是很大的，整個真空都帶上了 顏色，能量很高，導致真空爆炸。

64、實際這些都沒有發(fā)生，暗示自 然界不存在游離的夸克，那么我們會問：夸克倒底是一個數(shù)學技 巧還是一個物理實在？研究這一問題，是對夸克模型的考驗。

65、不 過，現(xiàn)在因為已有了夸克存在的間接證據(jù)，物理學家相信夸克是 應(yīng)該的確存在的。

66、夸克為什么要被幽禁起來，物理學家已提出了 幾個理論。

67、有人提出口袋模型，如認為質(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[7-9]；有人提出了弦理論， 認為夸克綁在弦的兩端，而這條弦卻難以斷裂，即使一旦斷裂， 斷裂處生成一對正反夸克，原來的強子碎裂為兩個新的強子，從 而自由的夸克從來不可能出現(xiàn)[10]；也有人說，既然膠子帶色荷， 膠子之間也會有色磁吸引力，從而色力線被拉緊呈平行狀，就如 一個帶電電容器兩板因為有平行的電力線因而彼此有吸引一樣， 夸克之間也有類似這種吸引力；格點規(guī)范理論的面積定律證明夸 克之間有線性禁閉勢存在[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論證明磁單極凝聚也會導致夸克幽禁[11]。

68、 關(guān)于夸克幽禁的理論有許多，正好說明了我們對強力的了解還不 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 色庫侖力外，還有色禁閉力，其勢是隨距離線性增長的，正如上 面所說，雖然不清楚線性禁閉勢的來源，但可以認為正是這個勢 導致了夸克幽禁。

70、但是這一觀點也許要受到挑戰(zhàn)。

71、因為用相對論 性波動方程解介子能譜，發(fā)現(xiàn)在無窮遠處波函數(shù)并不收斂至零， 而是一個散射解。

72、這意味著我們應(yīng)探測到游離的夸克，但實際并 不如此。

73、那這些散射解是怎么產(chǎn)生的呢？原來禁閉勢在無窮遠處 十分巨大，以致擾動真空導致正反夸克產(chǎn)生。

74、實際沒有測到這些 產(chǎn)生的夸克，一個原因可能是大距離時夸克的質(zhì)量也會變得十分 巨大，遠遠超過了線性勢，抑制了真空擾動產(chǎn)生正反夸克的能力。

75、 夸克質(zhì)量會隨距離增大而增大，可能可以用真空色電極化（導致 真空帶上顏色）來解釋。

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

77、 　　對于強子結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在對不同的能態(tài)用不同的理論模型來描述。

78、 基態(tài)質(zhì)子和中子，可以用量子力學的薛定諤方程求解，強子質(zhì)量 主要由夸克承擔；對于處于激發(fā)態(tài)的共振粒子，弦模型比較成功， 該模型認為重子和介子的質(zhì)量和自旋主要由弦（色力線管）提供 [10]；對于更高能的強子激發(fā)態(tài)，由于真空色電極化十分強大， 因而強子質(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)在對處于不同能態(tài)的質(zhì)子、中子結(jié)構(gòu)還無法用一個統(tǒng) 一的理論來描述。

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，并放出一個電子和一個電子型 反中微子。

83、在夸克水平上解釋這一過程，實際上就是：中子內(nèi)的 一個下夸克（帶-1/3e電荷）放出一個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€電子 和一個電子型反中微子。

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， 所以這一過程重子數(shù)、輕子數(shù)都守恒。

85、現(xiàn)在的粒子物理標準模型 （量子電動力學、弱電統(tǒng)一理論[12]、量子色動力學）認為重子 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言這種 觀念是不對的，質(zhì)子會衰變成正電子和中性π介子，重子數(shù)和輕 子數(shù)并不絕對守恒。

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

89、大統(tǒng)一 理論包含著標準模型，但比標準模型來得更大，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的 量子，但質(zhì)子中的下夸克卻會釋放這種規(guī)范玻色子，自身變成正 電子，而質(zhì)子內(nèi)的一個上夸克吸收這個規(guī)范玻色子，變成上夸克 的反粒子（反上夸克），這個反上夸克與質(zhì)子內(nèi)的另一個上夸克 結(jié)合成中性π介子。

91、由于引起這種夸克—輕子轉(zhuǎn)化的場十分弱， 所以質(zhì)子雖然要衰變，但衰變壽命是很長的，大約為一千萬億億 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 宇宙壽命長十萬億億倍。

92、在你一生當中，你體內(nèi)的質(zhì)子只能衰變 零點幾個，不必擔心質(zhì)子衰變會給我們的生活帶來什么不便。

93、質(zhì) 子衰變還只是一個理論預言，實驗的證明還沒有完全結(jié)束[16]。

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

95、過去認為質(zhì)子自旋為1/2，是由三個 夸克提供的，而如今的研究卻不能支持這一觀點，質(zhì)子中的三個 夸克的總角動量只占質(zhì)子自旋的15%，而大部分自旋也許由膠子 和海夸克承擔。

96、這被稱為“質(zhì)子自旋危機”，是個熱門課題。

本文分享完畢，希望對大家有所幫助。

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