核子

(重定向自核子数

化学物理学里,核子(nucleon)是组成原子核的粒子,即质子中子。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”。

原子核是由一个或多个核子密集组成,这些核子又分为质子(红色)及中子(蓝色)两种。图中的质子和中子像粘在一起的小球体,但根据现代核物理学,实际的原子核却非如此。要准确描述真实的原子核,必需要用到量子力学。例如,在真实原子核里,每个核子都同时处于多个位置,分布于整个原子核。

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 = 12),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

编辑

属性

编辑
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-11H)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+23 e,而每个d夸克的电荷为−13 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1.6726×10−27 kg938.27 MeV/c2,而中子的则为1.6749×10−27 kg939.57 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d夸克的质量差来解释。[1]:135-136

质子和中子的自旋12。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μp,是2.79 核磁子(μN,而中子的磁矩则为μn = −1.91 μN。这些参数在核磁共振成像中也是十分重要的。

稳定性

编辑

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

编辑

两种核子都有其对应的反粒子反质子反中子。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

编辑

核子

编辑
核子(I = 12S = C = B = 0)
粒子名 符号 含夸克 不变质量MeV/c2 不变质量(u)[a] I3 JP Qe 磁矩 平均寿命s 一般衰变为
质子[PDG 1]
p
/
p+
/
N+

u

u

d
938.272013±0.000023 1.00727646677±0.00000000010 +12 12+ +1 2.792847356±0.000000023 稳定[b] 尚未观察到
中子[PDG 2]
n
/
n0
/
N0

u

d

d
939.565346±0.000023 1.00866491597±0.00000000043 -12 12+ 0 −1.91304273±0.00000045 (8.857±0.008)×10+2[c]
p
+
e
+
ν
e
反质子
p
/
p
/
N

u

u

d
938.272013±0.000023 1.00727646677±0.00000000010 -12 12+ −1 −2.793±0.006 稳定[b] 尚未观察到
反中子
n
/
n0
/
N0

u

d

d
939.485±0.051 1.00866491597±0.00000000043 +12 12+ 0 ? (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 = 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2×10−9 MeV/c2[PDG 1]而正反中子的质量差异则小于(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   < 2×10−9
质荷比   0.99999999991±0.00000000009
质荷比偏差率   (−9±9)×10−11
电荷   < 2×10−9
电子电荷   <1×10−21
磁矩   (−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

编辑

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) L2I2J,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总角动量。由于核子的同位旋被定义为12,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:L2I2J (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

u

d

d
。由于不含有s夸克粲夸克b夸克t夸克,这些粒子不具备奇异数魅数底数顶数。下表只列出同位旋为12的共振态,具32同位旋的共振态请参看Δ粒子条目。

核子共振态(I = 12
符号 JP 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
(Γi /Γ > 50%)
N(939) P11
[PDG 3]
12+ 939
N(1440) P11
[PDG 4]
亦称罗佩尔共振态
12+ 1440
(1420–1470)
300
(200–450)
1365
(1350–1380)
190
(160–220)

N

+
π

N(1520) D13
[PDG 5]
32- 1520
(1515–1525)
115
(100–125)
1510
(1505–1515)
110
(105–120)

N

+
π

N(1535) S11
[PDG 6]
12- 1535
(1525–1545)
150
(125–175)
1510
1490 — 1530)
170
(90–250)

N

+
π
or

N
+
η

N(1650) S11
[PDG 7]
12- 1650
(1645–1670)
165
(145–185)
1665
(1640–1670)
165
(150–180)

N

+
π

N(1675) D15
[PDG 8]
52- 1675
(1670–1680)
150
(135–165)
1660
(1655–1665)
135
(125–150)

N

+
π
+
π
or

Δ
+
π

N(1680) F15
[PDG 9]
52+ 1685
(1680–1690)
130
(120–140)
1675
(1665–1680)
120
(110–135)

N

+
π

N(1700) D13
[PDG 10]
32- 1700
(1650–1750)
100
(50–150)
1680
(1630–1730)
100
(50–150)

N

+
π
+
π

N(1710) P11
[PDG 11]
12+ 1710
(1680–1740)
100
(50–250)
1720
(1670–1770)
230
(80–380)

N

+
π
+
π

N(1720) P13
[PDG 12]
32+ 1720
(1700–1750)
200
(150–300)
1675
(1660–1690)
115–275
N

+
π
+
π
or

N
+
ρ

N(2190) G17
[PDG 13]
72- 2190
(2100–2200)
500
(300–700)
2075
(2050–2100)
450
(400–520)

N

+
π
(10—20%)

N(2220) H19
[PDG 14]
92+ 2250
(2200–2300)
400
(350–500)
2170
(2130–2200)
480
(400–560)

N

+
π
(10—20%)

N(2250) G19
[PDG 15]
92- 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-6。

夸克模型分类

编辑

在具有SU(2)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12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b夸克)的模型中,可以延伸至基态56重态。

参见

编辑

延伸阅读

编辑

参考资料

编辑
  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. 

粒子列表

编辑
  1. ^ 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. ^ 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
    ]
  3. ^ Particle listings — Note on N and Delta Resonances (PDF). [2013-01-23]. (原始内容存档 (PDF)于2021-03-27). 
  4. ^ Particle listings — N(1440) (PDF). [2013-01-23]. (原始内容存档 (PDF)于2021-03-30). 
  5. ^ Particle listings — N(1520) (PDF). [2013-01-23]. (原始内容存档 (PDF)于2021-03-29). 
  6. ^ Particle listings — N(1535) (PDF). [2013-01-23]. (原始内容存档 (PDF)于2021-03-29). 
  7. ^ Particle listings — N(1650) (PDF). [2013-01-23]. (原始内容存档 (PDF)于2021-03-30). 
  8. ^ Particle listings — N(1675) (PDF). [2013-01-23]. (原始内容存档 (PDF)于2021-03-28). 
  9. ^ Particle listings — N(1680) (PDF). [2013-01-23]. (原始内容存档 (PDF)于2021-03-29). 
  10. ^ Particle listings — N(1700) (PDF). [2013-01-23]. (原始内容存档 (PDF)于2021-03-28). 
  11. ^ Particle listings — N(1710) (PDF). [2013-01-23]. (原始内容存档 (PDF)于2021-03-28). 
  12. ^ Particle listings — N(1720) (PDF). [2013-01-23]. (原始内容存档 (PDF)于2021-03-30). 
  13. ^ Particle listings — N(2190) (PDF). [2013-01-23]. (原始内容存档 (PDF)于2021-03-29). 
  14. ^ Particle listings — N(2220) (PDF). [2013-01-23]. (原始内容存档 (PDF)于2021-03-29). 
  15. ^ Particle listings — N(2250) (PDF). [2013-01-23]. (原始内容存档 (PDF)于2021-03-29).