我们都知道物质多由原子构成 , 原子有原子核与核外电子 , 而原子核里通常又有质子和中子 。照理说大家各司其职、相安无事 , 但实际上物质世界却不总是这么简单 。万物有其寿命 , 有时候也会发生一些变化 , 当条件合适时 , 中子会摇身一变成为质子 , 质子也能变为中子 , 这个时候物质的本身就会产生变化 , 成了完全不同的东西 。
质子与中子的结构最早 , 科学家告诉我们原子是这世界上最小的东西 , 它是组成一切物体的最小单位 , 不能再分 。但现代物理学告诉我们 , 不仅原子可以分成质子中子与电子 , 连质子和中子都可以分成夸克这样更小的粒子 。这样分来分去 , 使得量子世界变得丰富多彩起来 。
质子与中子都是由夸克组成的 , 每个质子和中子里都有三个夸克 , 夸克的不同决定了重子(质子和中子都属于重子)的性质 , 它到底是质子呢 , 还是中子?
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夸克的分类
质子由两个上夸克和一个下夸克构成 , 中子由一个上夸克和两个下夸克构成 , 在一个重子中单个夸克的颜色分配是任意的 , 但必须存在所有红绿蓝三种颜色 。夸克之间的力量是由胶子介导 , 也就是说重子中的胶子负责传递力 , 将夸克们粘合在一起 。
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质子与中子的结构
由此我们可以看出 , 质子与中子的区别只在于一个夸克 , 如果其中一个上夸克变成了下夸克 , 质子就变成了中子 , 反之亦然 。
夸克的味道与颜色细心的你一定从前一节发现了些什么:夸克分了六种不同的类型 , 并且夸克还有不同的颜色!
夸克的六种不同类型通常称为六种不同的“味道”(风味) , 这是粒子物理学标准模型对基本粒子分类的称呼 。六种味道的夸克质量各不相同 , 但大体上呈两两对应的关系:上对下 , 粲对奇 , 顶对底 , 而上、粲和顶夸克之间的质量相差巨大 。
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夸克质量对比 , 左下角灰色球代表质子 , 红点代表电子
上、下夸克是所有夸克中质量最小的 。上夸克与下夸克的质量差别不大 , 其中上夸克质量约为1.7~3.3(MeV/c2) , 下夸克为4.1~5.8(MeV/c2) , 下夸克比上夸克重 。中子有两个下夸克 , 质子只有一个下夸克 , 所以中子要比质子重一点点 。
从上图你可能发现 , 上下夸克的质量与质子的质量似乎也不成比例 , 事实的确如此:质子的质量大约是938(MeV/c2) , 但其中三个夸克加起来的质量却只有9.4(MeV/c2) , 多出来的那么多质量从哪里来的?答案是胶子 , 无论是质子还是中子 , 它们中的三个夸克都是泡在“胶子汤”里 , 重子的质量主要来自于那一大锅“汤” 。这锅“汤”其实是粒子间强相互作用力形成的粒子场 , 它主要由胶子提供 。在量子物理中 , 胶子是矢量玻色子 , 与光子一样属于规范玻色子 , 它自身的质量为0 。我们可以说胶子是无形的 , 它不是粒子 , 它是场 。
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质子就像是一锅汤 , 里边只有三颗夸克汤圆
根据量子色动力学 , 夸克具有一种称为“
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