核子

在化学和物理学里，核子（nucleon）是组成原子核的粒子，即质子或中子。每个原子核都拥有至少一个核子，每个原子又是由原子核与围绕原子核的一个或多个电子所组成。任意原子核素的质量数就是其核子数。因此有时人们也会称这个数字为“核子数”。

在1960年代之前，核子被认为是基本粒子，不是由更小的部分组成的。今天我们知道核子是复合粒子，由三个夸克经强相互作用捆绑在一起组成。两个或多个核子之间的相互作用称为核力，最终这也是强相互作用引起的。（在发现夸克之前，“强相互作用”一词只用于核子间的相互作用。）

核子研究属于粒子物理学和原子核物理学的交叉领域。粒子物理学，特别是量子色动力学，提供了解释夸克及强相互作用属性的公式。这些公式用定量方法解释夸克是如何结合成为中子和质子（以及所有其他的强子）。然而，当多个核子组合为一个原子核（核素）时，这些基础方程变得非常难直接求解，必须使用核物理学的方法。核物理学利用近似法和模型来研究多个核子之间的相互作用，例如用核壳层模型。这些模型能够准确解释核素的属性，比如哪些核素会进行核衰变等。

质子和中子都是重子和费米子。质子和中子特别相似，除了中子不带有电荷以外，中子的质量比质子仅仅高0.1%，它们的质量非常相近，因此它们可以视为同样核子的两种状态，共同组成了一个同位旋二重态（I = 1⁄2），在抽象的同位旋空间做旋转变换，就可以从中子变换为质子，或从质子变换为中子。这两个几乎相同的核子都感受到相等的强相互作用，这意味着强相互作用对于同位旋空间旋转变换具有不变性。按照诺特定理，对于强相互作用，同位旋守恒。^[1]^:129-130

概述

属性

组成核子的夸克

质子（
p
）：
u

u

d

中子（
n
）：
u

d

d

反质子（
p
）：
u

u

d

反中子（
n
）：
u

d

d

质子和中子是原子核的组成部分，也能够在不组成原子的情况下单独存在。独立存在的质子就是氢-1（¹H）的原子核。单独的中子是不稳定的（见下），但可以在核反应中出现，并在科学分析范畴派上用场。

质子和中子均由三个夸克组成。质子由2个u夸克和1个d夸克组成，而中子则由1个u夸克和2个d夸克组成。强相互作用将这些夸克捆绑在一起。另一说法是，夸克是受胶子捆绑的，但实际上两种说法是等同的（胶子传递强相互作用）。

每个u夸克的电荷为+2⁄3 e，而每个d夸克的电荷为−1⁄3 e，所以质子和中子的总电荷分别为+e和0。“中子”一词便源自其电“中性”的属性。

质子和中子的质量相当：质子的为6973167260000000000♠1.6726×10⁻²⁷ kg或7002938270000000000♠938.27 MeV/c²，而中子的则为6973167490000000000♠1.6749×10⁻²⁷ kg或7002939570000000000♠939.57 MeV/c²。中子相对较重大约0.1%。两者质量的相近能够通过粒子物理学中的u夸克和d夸克的质量差来解释。^[1]^:135-136

质子和中子的自旋为1⁄2。这意味着它们是费米子而非玻色子，因此与电子一样，它们也遵守包利不相容原理。这在核物理学中是非常：一个原子核中的中子和质子不能同时占据相同的量子态，而是会分散开来形成核壳层，这和在化学里电子形成电子壳层的原理相似。质子和中子自旋的重要性也在于，它是大原子核的核自旋的来源。核自旋的其一重要应用在于化学和生化分析中的核磁共振成像。

质子的磁矩，写作μ_p，是7000279000000000000♠2.79 核磁子（μ_N），而中子的磁矩则为μ_n = 2999809000000000000♠−1.91 μ_N。这些参数在核磁共振成像中也是十分重要的。

稳定性

单独存在的中子是不稳定的：它会进行β衰变（一种放射性衰变），变为质子、电子和一个反电中微子，半衰期约为10分钟（见中子）。质子单独存在时是基本稳定的，或者其衰变率过于慢，无法探测得出。（这是粒子物理学中重要的课题，见质子衰变。）

在一个原子核里，依不同的核素而定，质子和中子可以是稳定或不稳定的。在某些核素里，中子能够转变为质子（加上其他粒子）；在另一些核素里，反过程亦可发生，质子会通过β+衰变或电子捕获变为中子（加上其他粒子）；又在其它核素中的质子和中子均为稳定的，不会进行转变。

反核子

两种核子都有其对应的反粒子：反质子和反中子。这些反物质粒子的质量和其正粒子的相同，但电荷正负相反，它们的相互作用与正粒子之间的无异。（一般而言，物理学者相信这结果“完全”正确，原因是CPT对称。如果确实存在差异，则差异必定太小，以致实验至今仍未能探测得出。）而且，反核子能够结合形成“反原子核”。到目前为止，科学家已经制成反氘^[2]^[3]以及反氚^[4]原子核。

详细属性表

核子

核子（*I = 1⁄2，S = C = B = 0*)
粒子名	符号	含夸克	不变质量（MeV/c²）	不变质量（u)^{^[a]}	I₃	J^P	Q（e）	磁矩	平均寿命（s）	一般衰变为
质子^{[PDG 1]}	p / p+ / N+	u u d	0938.272013 !7002938272013000000♠938.272013±0.000023	1.00727646688 !7000100727646677000♠1.00727646677±0.00000000010	0.5 !+1⁄2	0.5 !1⁄2⁺	1 !+1	2.7 !7000279284735599999♠2.792847356±0.000000023	+10 !稳定^{^[b]}	尚未观察到
中子^{[PDG 2]}	n / n0 / N0	u d d	0939.565346 !7002939565346000000♠939.565346±0.000023	1.00866491560 !7000100866491597000♠1.00866491597±0.00000000043	-0.5 !-1⁄2	0.5 !1⁄2⁺	5000000000000000000♠0	-1.9 !2999808695726999999♠−1.91304273±0.00000045	+2 !7002885699999999999♠(8.857±0.008)×10⁺²^{^[c]}	p + e− + ν e
反质子	p / p− / N−	u u d	0938.272013 !7002938272013000000♠938.272013±0.000023	1.00727646688 !7000100727646677000♠1.00727646677±0.00000000010	-0.5 !-1⁄2	0.5 !1⁄2⁺	-1 !−1	-2.7 !2999720700000000000♠−2.793±0.006	+10 !稳定^{^[b]}	尚未观察到
反中子	n / n0 / N0	u d d	0939.565346 !7002939485000000000♠939.485±0.051	1.00866491560 !7000100866491597000♠1.00866491597±0.00000000043	0.5 !+1⁄2	0.5 !1⁄2⁺	5000000000000000000♠0	?	+2 !7002885699999999999♠(8.857±0.008)×10⁺²^{^[c]}	p + e+ + ν e

^a 质子和中子质量的准确度在用原子质量单位（u）时比用MeV/c²时准确得多，因为基本电荷的准确度相对较低。此处用的对换关系为1 u = 7002931494028000000♠931.494028±0.000023 MeV/c²。正反粒子的质量是假设相同的，至今没有实验能够驳斥这一点。目前的实验显示，如果正反质子之间有质量上的差异的话，其出入小于6991200000000000000♠2×10⁻⁹ MeV/c²，^{[PDG 1]}而正反中子的质量差异则小于6995900000000000000♠(9±6)×10⁻⁵ MeV/c²。^{[PDG 2]}

正反质子CPT不变性试验
试验	公式	结果^{[PDG 1]}
质量	${\frac {\|m_{p}-m_{\bar {p}}\|}{m_{p}}}$	< 6991200000000000000♠2×10⁻⁹
质荷比	${\frac {\|{\frac {q_{\bar {p}}}{m_{\bar {p}}}}\|}{({\frac {q_{p}}{m_{p}}})}}$	6999999999999910000♠0.99999999991±0.00000000009
质荷比偏差率	${\frac {\|{\frac {q_{\bar {p}}}{m_{\bar {p}}}}\|-{\frac {q_{p}}{m_{p}}}}{\frac {q_{p}}{m_{p}}}}$	3010100000000000000♠(−9±9)×10⁻¹¹
电荷	${\frac {\|q_{p}+q_{\bar {p}}\|}{e}}$	< 6991200000000000000♠2×10⁻⁹
电子电荷	${\frac {\|q_{p}+q_{e}\|}{e}}$	<6979099999999999999♠1×10⁻²¹
磁矩	${\frac {\|\mu _{p}+\mu _{\bar {p}}\|}{\mu _{p}}}$	3003900000000000000♠(−0.1±2.1)×10⁻³

^b 至少10³⁵年。见质子衰变。

^c 假设为自由中子；多数原子核中的中子都是稳定的。

核子共振

核子共振态指的是核子的激发态，一般对应于核子中某个夸克拥有反转了的自旋态，或对应于该粒子衰变时的轨道角动量。下表只列出粒子数据组（PDG）评级为3或4星的共振态。由于半衰期极短，以下许多粒子的属性仍在研究当中。

符号的格式为N(M) L_2I2J，其中M为粒子质量的近似值，L为核子-介子对衰变时产生的轨道角动量，而I和J分别为粒子的同位旋及总角动量。由于核子的同位旋被定义为1⁄2，因此第一个数字必然为1，而第二个数字则永远是奇数。在谈到核子共振态的时候，有时会省略N，而且表达式顺序会颠倒：L_2I2J (M)。例如，质子的符号可以写成"N(939) S₁₁"或者"S₁₁ (939)"。

下表只列出基共振态，每一栏代表4个重子：2个核子共振粒子，和2个它们的反粒子。每个共振态的存在形态可以是带正电荷（Q）的，并含夸克
u

u

d
，就像质子一样；或者是电中性的，含夸克
u

d

d
，就像中子一样；又或者是两种反粒子，分别含反夸克
u

u

d
和
u

d

d
。由于不含有s夸克、粲夸克、b夸克和t夸克，这些粒子不具备奇异数、魅数、底数及顶数。下表只列出同位旋为1⁄2的共振态，具3⁄2同位旋的共振态请参看Δ粒子条目。

核子共振态（I = 1⁄2）
符号	J^P	质量平均数（MeV/c²)	总宽度（MeV/c²）	极位置（实数部分）	极位置（−2 × 虚数部分）	通常衰变为（Γ_i /Γ > 50%）
N(939) P₁₁ ^{[PDG 3]}†	0.5 !1⁄2⁺	939	†	†	†	†
N(1440) P₁₁ ^{[PDG 4]} 亦称罗佩尔共振态	0.5 !1⁄2⁺	1440 (1420–1470)	300 (200–450)	1365 (1350–1380)	190 (160–220)	N + π
N(1520) D₁₃ ^{[PDG 5]}	1.5 !3⁄2^-	1520 (1515–1525)	115 (100–125)	1510 (1505–1515)	110 (105–120)	N + π
N(1535) S₁₁ ^{[PDG 6]}	0.5 !1⁄2^-	1535 (1525–1545)	150 (125–175)	1510 1490 — 1530)	170 (90–250)	N + π or N + η
N(1650) S₁₁ ^{[PDG 7]}	0.5 !1⁄2^-	1650 (1645–1670)	165 (145–185)	1665 (1640–1670)	165 (150–180)	N + π
N(1675) D₁₅ ^{[PDG 8]}	2.5 !5⁄2^-	1675 (1670–1680)	150 (135–165)	1660 (1655–1665)	135 (125–150)	N + π + π or Δ + π
N(1680) F₁₅ ^{[PDG 9]}	2.5 !5⁄2⁺	1685 (1680–1690)	130 (120–140)	1675 (1665–1680)	120 (110–135)	N + π
N(1700) D₁₃ ^{[PDG 10]}	1.5 !3⁄2^-	1700 (1650–1750)	100 (50–150)	1680 (1630–1730)	100 (50–150)	N + π + π
N(1710) P₁₁ ^{[PDG 11]}	0.5 !1⁄2⁺	1710 (1680–1740)	100 (50–250)	1720 (1670–1770)	230 (80–380)	N + π + π
N(1720) P₁₃ ^{[PDG 12]}	1.5 !3⁄2⁺	1720 (1700–1750)	200 (150–300)	1675 (1660–1690)	115–275	N + π + π or N + ρ
N(2190) G₁₇ ^{[PDG 13]}	3.5 !7⁄2^-	2190 (2100–2200)	500 (300–700)	2075 (2050–2100)	450 (400–520)	N + π (10—20%)
N(2220) H₁₉ ^{[PDG 14]}	4.5 !9⁄2⁺	2250 (2200–2300)	400 (350–500)	2170 (2130–2200)	480 (400–560)	N + π (10—20%)
N(2250) G₁₉ ^{[PDG 15]}	4.5 !9⁄2^-	2250 (2200–2350)	500 (230–800)	2200 (2150–2250)	450 (350–550)	N + π (5—15%)

† P₁₁(939)核子是普通质子或中子的激发态，如位于原子核里的核子。这些粒子在原子核里基本稳定，如锂-6。

夸克模型分类

在具有SU(2)味的夸克模型里，两种核子是基态二重态的成员。质子的夸克组合为uud，而中子的夸克组合则为udd。在具有SU(3)味的模型中，它们是自旋为1⁄2重子形成的基态八重态的成员，称为八重道。除了中子与质子以外，此八重态的其它成员都是超子。这包括奇异同位旋三重态
Σ+
,
Σ0
,
Σ−
、
Λ
以及奇异同位旋二重态
Ξ0
,
Ξ−
。在具有SU(4)味（添入粲夸克）的模型中，这多重态还可以延伸至基态20重态。在具有SU(6)味（添入t夸克和b夸克）的模型中，可以延伸至基态56重态。

参见

延伸阅读

A.W. Thomas and W.Weise, The Structure of the Nucleon, (2001) Wiley-WCH, Berlin, ISBN 3-527-40297-7/ ISBN 978-3-527-40297-7
Brown, G. E.; Jackson, A. D. The Nucleon–Nucleon Interaction. North-Holland Publishing. 1976. ISBN 0-7204-0335-9.
Vepstas, L.; Jackson, A.D.; Goldhaber, A.S. Two-phase models of baryons and the chiral Casimir effect. Physics Letters B. 1984, 140 (5–6): 280–284. Bibcode:1984PhLB..140..280V. doi:10.1016/0370-2693(84)90753-6.
Vepstas, L.; Jackson, A. D. Justifying the chiral bag. Physics Reports. 1990, 187 (3): 109–143. Bibcode:1990PhR...187..109V. doi:10.1016/0370-1573(90)90056-8.
Nakamura, N.; et al. (Particle Data Group). Review of Particle Physics. Journal of Physics G. 2011, 37 (7): 075021. Bibcode:2010JPhG...37g5021N. doi:10.1088/0954-3899/37/7A/075021.

参考资料

^ ^1.0 ^1.1 Griffiths, David J., Introduction to Elementary Particles 2nd revised, WILEY-VCH, 2008, ISBN 978-3-527-40601-2
^ Massam, T; Muller, Th.; Righini, B.; Schneegans, M.; Zichichi, A. Experimental observation of antideuteron production. Il Nuovo Cimento. 1965, 39: 10–14. Bibcode:1965NCimS..39...10M. doi:10.1007/BF02814251.
^ Dorfan, D. E; Eades, J.; Lederman, L. M.; Lee, W.; Ting, C. C. Observation of Antideuterons. Phys. Rev. Lett. June 1965, 14 (24): 1003–1006. Bibcode:1965PhRvL..14.1003D. doi:10.1103/PhysRevLett.14.1003.
^ R. Arsenescu; et al. Antihelium-3 production in lead-lead collisions at 158 A GeV/c. New Journal of Physics. 2003, 5: 1. Bibcode:2003NJPh....5....1A. doi:10.1088/1367-2630/5/1/301.

粒子列表

^ ^1.0 ^1.1 ^1.2 [Particle listings –
p
(PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2017-01-27）. Particle listings –
p
]
^ ^2.0 ^2.1 [Particle listings –
n
(PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2018-10-03）. Particle listings –
n
]
^ Particle listings — Note on N and Delta Resonances (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-27）.
^ Particle listings — N(1440) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-30）.
^ Particle listings — N(1520) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-29）.
^ Particle listings — N(1535) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-29）.
^ Particle listings — N(1650) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-30）.
^ Particle listings — N(1675) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-28）.
^ Particle listings — N(1680) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-29）.
^ Particle listings — N(1700) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-28）.
^ Particle listings — N(1710) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-28）.
^ Particle listings — N(1720) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-30）.
^ Particle listings — N(2190) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-29）.
^ Particle listings — N(2220) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-29）.
^ Particle listings — N(2250) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-29）.

[Griffiths2008-1] 1.0 ^1.1 Griffiths, David J., Introduction to Elementary Particles 2nd revised, WILEY-VCH, 2008, ISBN 978-3-527-40601-2

[2] Massam, T; Muller, Th.; Righini, B.; Schneegans, M.; Zichichi, A. Experimental observation of antideuteron production. Il Nuovo Cimento. 1965, 39: 10–14. Bibcode:1965NCimS..39...10M. doi:10.1007/BF02814251.

[3] Dorfan, D. E; Eades, J.; Lederman, L. M.; Lee, W.; Ting, C. C. Observation of Antideuterons. Phys. Rev. Lett. June 1965, 14 (24): 1003–1006. Bibcode:1965PhRvL..14.1003D. doi:10.1103/PhysRevLett.14.1003.

[4] R. Arsenescu; et al. Antihelium-3 production in lead-lead collisions at 158 A GeV/c. New Journal of Physics. 2003, 5: 1. Bibcode:2003NJPh....5....1A. doi:10.1088/1367-2630/5/1/301.

[PDGProton-5] 1.0 ^1.1 ^1.2 [Particle listings –
p
(PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2017-01-27）. Particle listings –
p
]

[PDGNeutron-6] 2.0 ^2.1 [Particle listings –
n
(PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2018-10-03）. Particle listings –
n
]

[PDGN939-7] Particle listings — Note on N and Delta Resonances (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-27）.

[PDGN1440-8] Particle listings — N(1440) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-30）.

[PDGN1520-9] Particle listings — N(1520) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-29）.

[PDGN1535-10] Particle listings — N(1535) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-29）.

[PDGN1650-11] Particle listings — N(1650) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-30）.

[PDGN1675-12] Particle listings — N(1675) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-28）.

[PDGN1680-13] Particle listings — N(1680) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-29）.

[PDGN1700-14] Particle listings — N(1700) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-28）.

[PDGN1710-15] Particle listings — N(1710) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-28）.

[PDGN1720-16] Particle listings — N(1720) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-30）.

[PDGN2190-17] Particle listings — N(2190) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-29）.

[PDGN2220-18] Particle listings — N(2220) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-29）.

[PDGN2250-19] Particle listings — N(2250) (PDF). [2013-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-29）.

[1]

[2]

[3]

[4]

[PDG 1]

[PDG 2]

[PDG 3]

[PDG 4]

[PDG 5]

[PDG 6]

[PDG 7]

[PDG 8]

[PDG 9]

[PDG 10]

[PDG 11]

[PDG 12]

[PDG 13]

[PDG 14]

[PDG 15]