基本粒子关系.pdf

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基本粒子关系强子就是参与强相互作用的粒子，可以分为介子和重子，目前粒子物理的夸克模型认为介子是由夸克和反夸克组成，重子则有三个夸克（或者反夸克）组成，重子可以再分为核子（包括质子和中子）和超子（因为质量超过核子的质量而得名）。电子和中微子等属于轻子，不参与强相互作用。目前粒子物理认为轻子，夸克等没有结构，是点粒子。电子质子等粒子带有电荷，带电粒子之间可以发生电磁相互作用，而电磁作用场的量子是光子，即带电粒子之间通过交换光子而发生相互作用。夸克带有颜色（或者色荷），夸克之间，夸克和胶子之间，胶子之间，可以发生色相互作用，而色相互作用场的量子是胶子。光子和胶子都是传递相互作用的媒介粒子，目前认为它们也没有结构，是个点粒子。第一类：纯单个粒子，中微子，电子，大统一粒子，夸克。第二类：由两个基本粒子合成的粒子，如π介子，W、Z玻色子。第三类：由三个基本粒子合成的粒子，如：中子，质子及其它强子。第一类粒子中的大统一粒子不能游离态存在，它们必须二个并存，构成了π介子，和W玻色子。（特别注意的是，这一点与传统理论完全不同，为什么要这样猜想呢？你如果接着往下看就明白了。）第一类中的夸克也不能单独存在，它们必须三个并存在，构成了质子与中子等强子0|评论1.强子和轻子是构成世界万物的两个基本类别①强子：由夸克组成的粒子。两个夸克组成的强子叫介子；三个夸克组成的强子叫重子。所以，不管是介子还是重子，都是强子。与之对应的是轻子。②轻子：目前已知的的轻子有三代，包括电子及电子中微子、缪子及缪子中微子、tau子及tau子中微子。轻子之所以叫轻子，主要是因为轻子一直到现在都没有发现其有内部结构，认为轻子是点粒子。2.胶子是传递强相互作用的传播子。强相互作用的粒子，即强子是有夸克组成，夸克和夸克之间形成的介子或者重子就是靠夸克间的胶子相互传递从而耦合在一起的。3.根据色禁闭理论，单独的夸克是不存在的，而胶子是传播子，严格意义上将，比较两者的大小根本没有任何意义，因为单独的夸克不存在，存在的夸克都以介子或强子而存在。没法和胶子进行定量的比较。胶子没有固定的尺寸，胶子和光子一样，都是传播子，只不过胶子传播强相互作用力，而光子传播电磁相互作用力。发给我自己..强子，重子，介子，中微子，轻子2008-07-1323:55强子提供强相互作用的介子质子、中子里有些什么质子、中子里有些什么对强子结构和标准模型研究的一再成功已表明夸克和色场是强子世界的最基本组成部分．尽管如此，强子物理还存在一些悬而未决的困难，如夸克幽禁、质子自旋危机、质子衰变等． 一、质子、中子不是点状粒子对于物质结构的探索是科学的重要任务，自从有人类出现，这种探索从来没有停止过．在19世纪，人们逐渐弄清楚物质是由分子原子构成的．1932年查德威克发现了中子，人们认识到原子核应由质子和中子构成．人们对物质结构的研究就如剥笋一样层层盘剥下去，每一个层次的发现，都是对物质结构认识的深化．在原子核层次下面，质子和中子是否还有其内部结构呢？质子和中子不是点粒子，它们都具有内部结构．在30年代，理论物理学家认为作为核子的质子和中子是基本粒子，应该象点粒子，根据狄拉克的相对论性波动方程，质子的磁矩是一个单位核磁子，中子由于不带电，因而磁矩是零．但出乎意料的是，实验家斯特恩测得的质子磁矩却为5.6个单位核磁子，中子磁矩也不是零，而是-3.82个单位核磁子，与点粒子理论相悖．这些都清楚地说明质子、中子并不是我们想象的那样简单，它们可能是具有内部结构的．60年代，霍夫斯塔特等人用高能电子轰击核子，证明核子电荷呈弥散分布，核子的确具有内部结构[1]．既然核子并不是点粒子，那么其内部的物质是怎样分布的呢？也许有三种情形：或者核子内有一个硬核，核子象一枚桃子；或有许多颗粒，象石榴一样有许多子；或没有颗粒，疏松如棉絮状．具体属哪一种情形，要靠深度非弹性散射实验来作进一步决定．深度非弹性散射实验指用极高能电子去撞击质子或中子，使后者激发到一个个分立的能级即共振态，甚至达到使π介子离化出来的连续激发态．非弹性散射实验会改变质子、中子的静止质量．实验表明，质子、中子内部有一个个点状的准自由的粒子，它们携带有一定动量和角动量．那么质子、中子内的这些点状粒子是什么呢？具有些什么性质？二、夸克模型1964年，美国科学家盖尔曼.提出了关于强子结构的夸克模型．强子是粒子分类系统的一个概念，质子、中子都属于强子这一类．“夸克”一词原指一种德国奶酪或海鸥的叫声．盖尔曼当初提出这个模型时，并不企求能被物理学家承认，因而它就用了这个幽默的词．夸克也是一种费米子，即有自旋1/2．因为质子中子的自旋为1/2，那么三个夸克，如果两个自旋向上，一个自旋向下，就可以组成自旋为1/2的质子、中子．两个正反夸克可以组成自旋为整数的粒子，它们称为介子，如π介子、J/ψ子，后者由丁肇中等人于1974年发现，它实际上是由粲夸克和反粲夸克组成的夸克对．凡是由三个夸克组成的粒子称为重子，重子和介子统称强子，因为它们都参与强相互作用，故有此名．原子核中质子间的电斥力十分强，可是原子核照样能够稳定存在，就是由于强相互作用力（核力）将核子们束缚住的．由夸克模型，夸克是带分数电荷的，每个夸克带+2/3e或-1/3e电荷（e为质子电荷单位）．现代粒子物理学认为，夸克共有6种（味道），分别称为上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克、底夸克，它们组成了所有的强子，如一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成，则上夸克带+2/3e电荷，下夸克带-1/3e电荷．上、下夸克的质量略微不同．中子的质量比质子的质量略大一点点，过去认为可能是由于中子、质子的带电量不同造成的，现在看来，这应归于下夸克质量比上夸克质量略大一点点． 质子和中子的组成：一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成．虽然夸克模型当时取得了许多成功，但也遇到了一些麻烦，如重子的夸克结构理论认为，象Ω-和Δ++这样的重子可以由三个相同夸克组成，且都处于基态，自旋方向相同，这种在同一能级上存在有三个全同粒子的现象是违反泡利不相容原理的．泡利不相容原理说的是两个费米子是不能处于相同的状态中的．夸克的自旋为半整数，是费米子，当然是不能违反泡利原理的．但物理学家自有办法，你不是说三个夸克全同吗？那我给它们来个编号或着上“颜色”（红、黄、蓝），那三个夸克不就不全同了，从而不再违反泡利原理了．的确，在1964年，格林伯格引入了夸克的这一种自由度——“颜色”的概念．当然这里的“颜色”并不是视觉感受到的颜色，它是一种新引入的自由度的代名词，与电子带电荷相类似，夸克带颜色荷．这样一来，每味夸克就有三种颜色，夸克的种类一下子由原来的6种扩展到18种，再加上它们的反粒子，那么自然界一共有36种夸克，它们和轻子（如电子、μ子、τ子及其相应的中微子）、规范粒子（如光子、三个传递控制夸克轻子衰变的弱相互作用的中间玻色子、八个传递强（色）相互作用的胶子）一起组成了大千世界．夸克具有颜色自由度的理论得到了不少实验的支持，在70年代发展成为强相互作用的重要理论——量子色动力学．三、量子色动力学及其特点“量子色动力学”这一名称听起来有点可怕，念起来有点拗口，应该这样念：量子/色/动力学．这个理论认为，夸克是带有色荷的，胶子场是夸克间发生相互作用的媒介．这不禁让我们想起电子是带有电荷的，传递电子间相互作用的媒介是电磁场（光子场）．的确，关于电荷的动力学我们早已有了，它叫“量子电动力学”，发展于三四十年代．一般读者对电磁相互作用都有点熟悉，因此就以它为例来理解质子中子内的色相互作用．电磁场的麦克斯韦方程的量子化就是量子电动力学，具体地说，量子电动力学就是研究电子和光子的量子碰撞（即散射）的，自然，量子色动力学是研究夸克和胶子的量子碰撞的．胶子是色场的量子，就象光子是电磁场的量子一样．胶子和光子都是质量为0、自旋为1、传递相互作用的媒介粒子，都属于规范粒子．两个电子发生相互作用是靠传递一个虚光子而发生的（虚光子只在相互作用中间过程产生，其能量和动量不成正比，不能独立存在，在产生后瞬时就湮灭．由相对论知道，自由运动的电子不能发射实光子，但可以发射虚光子．给予我们光明和热能的是实光子，它的能量和动量成正比，脱离源后，能独立存在），自然，两个夸克发生相互作用是靠传递一个虚胶子而发生的．虚胶子携带着一个夸克的部分能量和动量，交给另一个夸克，于是两个夸克就以胶子为纽带发生了相互作用．看到这里，我们会说，不是重复了一下吗？量子色动力学可以由量子电动力学依葫芦画瓢建立起来，真是太容易了！不过实际上没有这么简单．按群论的语言讲，电磁场是U（1）规范场，是一种阿贝尔规范场，群元可以交换，而胶子场是SU(3)规范场，是一种非阿贝尔规范场，群元不可以交换．一般来说，“非”总比“不非”要麻烦得多．电荷只有一种，而色荷却有三种（红、黄、蓝）；U(1)群的生成元只有一个，就是1，所以光子只有一种，而SU(3)群有八个生成元，一个生成元对应一种胶子，所以胶子共有八种；光子不带电荷，而胶子场由于是非阿贝尔规范场，场方程具有非线性项，体现了胶子的自相互作用，因而胶子也带色荷，夸克发射带色的胶子，自身改变颜色．所以胶子场比电磁场复杂，因而出现了许多不同寻常的 现象和性质，其中最重要的恐怕要数“渐近自由”和“夸克幽禁”了．“渐近自由”说的是两个夸克之间距离很小时，耦合常数也会变得很小，以致夸克可以看成是近自由的．耦合常数变小是由于真空的反色屏蔽效应引起的．真空中的夸克会使真空极化（即它使真空带上颜色），夸克与周围真空的相互作用导致由真空极化产生的虚胶子和正反虚夸克的极化分布，最终效果使夸克色荷变大，这称为色的反屏蔽效应（对于电荷，刚好相反，由于真空极化导致电荷吸引反号电荷的虚粒子，所以总电荷减少，这称为电的屏蔽效应．与它作比较，色的反屏蔽效应这一术语由此而来）．由于这一效应，在离夸克较小距离上看来，大距离的夸克比它带的色荷多，所以小距离上强作用相对而言变弱了，这就是所谓“渐近自由”．渐近自由是量子色动力学的一项重要成果，它使得高能色动力学可以用微扰理论计算．但是在低能情形或者说大距离情形，由于耦合常数变强及存在幽禁力，计算变得困难．量子色动力学可以预言小距离的“渐近自由”，但是对大距离的“夸克幽禁”，量子色动力学就无法预言了，这是量子色动力学的困难．“夸克幽禁”说的是夸克无法从质子中逃逸出去．红黄蓝三色夸克组成无色态，强子都是无色的．一旦夸克可以从质子或强子中跑出来，自然界就会存在带色的粒子;带色的粒子引起真空的进一步极化，色荷之间的幽禁势是很大的，整个真空都带上了颜色，能量很高，导致真空爆炸．实际这些都没有发生，暗示自然界不存在游离的夸克，那么我们会问：夸克倒底是一个数学技巧还是一个物理实在？研究这一问题，是对夸克模型的考验．不过，现在因为已有了夸克存在的间接证据，物理学家相信夸克是应该的确存在的．夸克为什么要被幽禁起来，物理学家已提出了几个理论．有人提出口袋模型，如认为质子是一只受真空挤压的口袋，可将夸克束缚住而逃不出来；有人提出了弦理论，认为夸克绑在弦的两端，而这条弦却难以断裂，即使一旦断裂，断裂处生成一对正反夸克，原来的强子碎裂为两个新的强子，从而自由的夸克从来不可能出现；也有人说，既然胶子带色荷，胶子之间也会有色磁吸引力，从而色力线被拉紧呈平行状，就如一个带电电容器两板因为有平行的电力线因而彼此有吸引一样，夸克之间也有类似这种吸引力；格点规范理论的面积定律证明夸克之间有线性禁闭势存在；90年代中期塞伯和威滕用他们发展的四维空间量子场论证明磁单极凝聚也会导致夸克幽禁．关于夸克幽禁的理论有许多，正好说明了我们对强力的了解还不够充分．四、核子结构图象与核子衰变对介子谱的研究表明，夸克之间除了由于单胶子交换引起的色库仑力外，还有色禁闭力，其势是随距离线性增长的，正如上面所说，虽然不清楚线性禁闭势的来源，但可以认为正是这个势导致了夸克幽禁．但是这一观点也许要受到挑战．因为用相对论性波动方程解介子能谱，发现在无穷远处波函数并不收敛至零，而是一个散射解．这意味着我们应探测到游离的夸克，但实际并不如此．那这些散射解是怎么产生的呢？原来禁闭势在无穷远处十分巨大，以致扰动真空导致正反夸克产生．实际没有测到这些产生的夸克，一个原因可能是大距离时夸克的质量也会变得十分巨大，远远超过了线性势，抑制了真空扰动产生正反夸克的能力．夸克质量会随距离增大而增大，可能可以用真空色电极化（导致真空带上颜色）来解释．真空色电极化使得色荷象滚雪球一样越来越大，夸克能量和质量也相应越来越大，浸在真空中的单一夸克质量巨大，真空没有足够的能量产生这些夸克，也许这最终导致了夸克幽禁．对于强子结构，现在对不同的能态用不同的理论模型来描述．基态质子和中子， 可以用量子力学的薛定谔方程求解，强子质量主要由夸克承担；对于处于激发态的共振粒子，弦模型比较成功，该模型认为重子和介子的质量和自旋主要由弦（色力线管）提供[10]；对于更高能的强子激发态，由于真空色电极化十分强大，因而强子质量主要就是色电极化质量，夸克的质量和弦的质量十分微小．现在对处于不同能态的质子、中子结构还无法用一个统一的理论来描述．上面讨论的是质子中子及其共振态的静态性质，下面谈一下它们的衰变问题．原子核内的质子中子是稳定的，但自由的中子是不稳定的，寿命约为11分钟．中子的质量比质子略大一些，因而可以有足够的能量衰变为质子，并放出一个电子和一个电子型反中微子．在夸克水平上解释这一过程，实际上就是：中子内的一个下夸克（带-1/3e电荷）放出一个传递弱相互作用的中间玻色子W-，自身变成上夸克（带+2/3e电荷），W-又衰变为一个电子和一个电子型反中微子．由于质子中子的重子数都为+1，轻子数为0，电子和电子型中微子的重子数为0，轻子数分别为+1和-1，所以这一过程重子数、轻子数都守恒．现在的粒子物理标准模型（量子电动力学、弱电统一理论、量子色动力学）认为重子数是守恒的，质子已是最轻的重子，所以它不能再衰变为其他重子，它是永恒的．由于人们面遇的物质世界主要就是由重子组成的，所以很容易相信质子是永恒的．但是有一种理论却预言这种观念是不对的，质子会衰变成正电子和中性π介子，重子数和轻子数并不绝对守恒．这种理论是大统一理论，它企图把强、弱、电相互作用统一起来，用一个耦合常数来描写．大统一理论包含着标准模型，但比标准模型来得更大，因而有更多的传递相互作用的规范玻色子．虽然这些规范玻色子是一种超弱场的量子，但质子中的下夸克却会释放这种规范玻色子，自身变成正电子，而质子内的一个上夸克吸收这个规范玻色子，变成上夸克的反粒子（反上夸克），这个反上夸克与质子内的另一个上夸克结合成中性π介子．由于引起这种夸克—轻子转化场十分弱，所以质子虽然要衰变，但衰变寿命是很长的，大约为一千万亿亿亿年，而我们的宇宙寿命也只有几百亿年，所以质子平均寿命比宇宙寿命长十万亿亿倍．在你一生当中，你体内的质子只能衰变零点几个，不必担心质子衰变会给我们的生活带来什么不便．质子衰变还只是一个理论预言，实验的证明还没有完全结束．前面提到，质子中的点粒子是夸克，实际上它们还包括胶子和不断产生、湮灭的海夸克．过去认为质子自旋为1/2，是由三个夸克提供的，而如今的研究却不能支持这一观点，质子中的三个夸克的总角动量只占质子自旋的15%，而大部分自旋也许由胶子和海夸克承担．这被称为“质子自旋危机”，是个热门课题．五、简短总结虽然胶子的存在证据也有了，顶夸克存在的证据也在1995年找到了，但是对于强子结构的研究和自由夸克的探索还需走更长远的路．夸克幽禁的根本原因倒底是线性禁闭势的存在还是色电极化所致，夸克幽禁是暂时的还是永久的，值得继续研究．如果夸克是永久性禁闭的，强子永远是无色的，正应了一句话：“色即空，空即色．”孰是孰非，有待高能物理及其理论的继续发展．强子(Hadron)是一种亚原子粒子，所有受到强相互作用影响的亚原子粒子都被称为强子。强子包括重子和介子。按现代的粒子物理学中的 标准模型理论而言，强子是由夸克、反夸克和胶子组成的。胶子是量子色动力学中的力子，它将夸克连在一起，强子是这些连接的产物。强子-分类强子按其组成夸克的不同，强子还可以分为：1重子(質子,中子,超子).2介子-結構圖 1、重子(Baryon)：重子由三个夸克或三个反夸克组成，它们的自旋总是半数的，也就是说，它们是费米子。它们包括人们比较熟悉的组成原子核的质子和中子和一般鲜为人知的超子（Hyperon,比如Δ、Λ、Σ、Ξ和Ω），这些超子一般比核子重，而且寿命非常短。2、介子(Meson)：介子由一个夸克和一个反夸克组成，它们的自旋是整数的，也就是说，它们是玻色子。介子有许多种。在高空射线与地球空气相互作用时会产生介子。其它很稀有和奇怪的强子。由多于三个但单数的夸克或反夸克组成类似重子的强子。由多于一对夸克-反夸克对组成的类似介子的强子。完全由胶子组成的粒子。介子的自旋（粒子的固有角动量）量子数为整数（也称玻色子）重子的自旋量子数为半整数。(也属于费米子）质子的自旋量子数为半整数1/2，并且参与强相互作用。所以质子属于强子的一种。目前发现的所有强子都满足盖尔曼-西岛关系，即：Ｓ＝２（Ｑ-Ｉ３）-Ｂ，Ｓ是奇异数，Ｑ是电荷，Ｉ３是同位旋，Ｂ为重子数。 重子及介子-八正道圖强子-构成强子的构成是粒子物理的基本问题之一。在朴素夸克模型中，强子具有$barqq$(介子)和$qqq$(重子)构成。但是这种简单的构成正受到来自实验的严峻挑战。无论是越来越多的无法归类的强子态，还是具有无法为朴素夸克模型所容许量子数的介子的发现，都暗示有超越朴素夸克模型构成的新强子存在。胶球、多夸克态和混杂子是三种可能的新强子构造，它们分别是胶子、多夸克以及夸克与胶子的束缚态。本文将研究这些新强子的性质。首先是所采用的研究方法的介绍，由于我们采用QCD求和规则作为我们的主要理论框架，因此对于瞬子物理我们主要采用一种易于使用到QCD求和规则框架内的半唯象方法，即单瞬子近似。对于某些特定新强子性质的研究。在考虑了直接的瞬子效应后，我们在QCD求和规则的框架内研究了$0^{++}$胶球的质量问题。结果 显示在考虑了瞬子效应后，胶球的质量被大大降低。之后我们考虑瞬子效应在标量胶球衰变中的作用。我们发现由于非微扰效应，标量胶球衰变过程中$SU(3)_f$对称性是被很好保持的。我们也考虑了标量胶球的四夸克衰变与两夸克衰变宽度之比。与普通介子衰变相比，我们预言标量胶球衰变会有较大的多强子末态分支比。首先构造了两个典型的$1^{-+}$分子四夸克态，利用考虑瞬子效应修正后的QCD求和规则研究它们的质量问题。我们发现我们的模型可以在1.4GeV附近容纳两个不同的$1^{-+}$四夸克介子。接着构造具有Diquark结构和分子态结构的四夸克态，并研究了它们的衰变方式。在已有的$1^{-+}$和$0^{++}$混杂子质量的求和规则中考虑直接的瞬子效应，研究瞬子在其中所起的作用，并给出较稳定的$0^{++}$胶球的质量预言。夸克(層子)與輕子間的對稱性-結構圖1964年，美国科学家盖尔曼等人提出“夸克模型”。他们认为，所有的强子都是由若干种叫做“夸克”的更深层次的粒子组成。西方人将这 些粒子称为“夸克”，中国人则常常又称它们为“层子”。顾名思义，层子是相对电子、质子、中子这些基本粒子来说的，它属于“下一层次的粒子”。盖尔曼等人认为夸克带“分数电荷”，它们被禁闭在强子内部，不能脱离强子自由运动。夸克模型出现之后，又有人提出夸克是物质分割的极限。因为夸克被禁闭在强子内部，本身也无法直接观察。然而，对大自然的好奇心，促使人们对夸克是否还有“内部结构”这个问题产生浓厚的兴趣。目前的迹象表明，夸克和轻子可能是由某些更为基本的粒子所组成，夸克和轻子之间具有极大的对称性。根据目前的理论，夸克可分为三代，每代有两种（不计反夸克），它们分别是（u,d）、（c,s）和（t,b）。轻子也有三代，每代也有两种。如此多的粒子表明，即便夸克和轻子，也不可能是物质分割的“最小单元”。三代夸克圖但是从1964年至今，人们还没有“看到”过夸克的真实面目。在盖尔曼提出的夸克理论中，他假设存在三种夸克。他用这三种夸克及它们的反粒子来说明微观粒子构成的模型，取得了很大的成功。但是，由 于物理学家至今还不能使夸克脱离其他微观粒子而独立存在，它只能像犯了错误而被关禁闭的士兵那样，被幽禁在微观粒子中。所以，“夸克禁闭”成了当今粒子物理学的难题之一，这对哲学中关于物质无限可分的观点，也是一次严峻的挑战。近半个世纪以来，物理学家为了寻找自由夸克，绞尽了脑汁。每当一台新的高能加速器建成以后，首要的任务之一就是试图找到夸克。有的物理学家把微观粒子想成一只口袋，夸克永远被裹在这只口袋里——在这口袋的小范围内，它可以自由飞翔，但决不许脱离这个口袋。就是这个神秘的口袋，似乎要把夸克同外界永远隔离开来。也有的物理学家把微观设想成一口半径很小又很深的“井”，夸克过的就是这种“坐‘井’观天”的生活。在“井”里它们都相当自由，运动速度也不快，可就是跑不出去。人们必须提供极大的能量，才能把它从“井”底拉出来。但是目前人们还没有办法产生这么大的能量，使夸克获得“解放”。既然不能直接找到自由夸克，一些物理学家就改变了策略，企图间接地搜寻它。因为根据理论推测，夸克带有所谓的“分数电荷”，这使物理学家看到了一线希望。他们认为只要找到了“分数电荷”的携带者，那也许它就是夸克的化身了。因此物理学家在粒子加速器、陨石、月球、地下深井和海底等许多地方“张罗织网”，到处寻找具有“分数电荷”的粒子。目前探测夸克结构和轻子结构的实验都在进行中，但未取得进展。考虑到原子和原子核的线度相差10万倍，因而可以预言夸克的结构最 多只能在10-20米的尺度上显示出来；但目前的实验只能探测到10[1]-17米的线度，因而夸克究竟是否有“内部结构”，至今还是一个谜。强子-结构的层子模型强子强子结构的层子模型(以下简称“层子模型”)是在1965年9月到1966年6月之间完成的。当时的研究背景是这样的：在电子、质子、中子发现之后，人们普遍认为它们是构成物质的终极单元，称之为“基本粒子”。随着介子和超子在20世纪40到50年代的陆续发现，基本粒子的家族迅速扩大，这些粒子绝大部分是强作用粒子，简称强子。很难想像这么多的强子都是基本粒子。1955年日本物理学家坂田提出了一个结构模型：强子中只有质子、中子和超子三种是基础的粒子，由它们构成其他所有的强子。坂田模型存在一系列困难，但是所提出的强子具有内部结构的思想是正确的。1964年美国物理学家盖尔曼 改造了坂田模型，提出了“夸克模型”，认为强子是由三种具有SU(3)对称性的组分构成的，他把这些组分称为夸克。到了1965年，基本粒子表中粒子的数目已经可以与周期表中元素的数目相比，其中重子的自旋可以高达11/2，并且实验上关于核子的电磁形状因子的测量说明以前被认为是基本粒子的核子具有一定的大小和空间结构。这些事实说明了两点，一是“基本粒子”并不基本，二是强子有着内部结构。坂田模型和夸克模型都是关于强子结构的科学设想，有待于进一步发展为强子结构的科学理论。但是在当时发展强子结构的理论有困难，因为不知道在强子内部是否有新的力学规律在起作用，不知道强相互作用的具体形式，不知道处理强相互作用的数学方法，所以在结构模型中还只限于讨论由对称性能够得出的强子分类、新粒子预言和诸如质量、自旋、电荷、磁矩等静态性质。进一步的发展必须超出对称性的范畴，引入动力学起作用的因素。在当时已知的最高能量下，物理实验结果表明量子数、本征值、几率波这些概念仍然有效，也就是说在强子内部的小尺度范围中，用波函数描述状态、用算符描述物理量的基本概念和方法仍然有效。于是他提出引入强子内部的结构波函数来描述强子内部结构的状态，至于决定波函数的力学规律和运动方程等则留待以后去讨论，一些严格的物理要求如相对论洛伦兹协变性和内部对称性等已经大大限制了波函数可能具有的形式。强子的组成及遵从的对称性是否取夸克模型或坂 田模型的其他变种，所以后来按钱三强的建议把强子的组分粒子称为“层子”，表示物质结构许多层次中的一个层次的意思。在引入波函数以描述运动着的强子时，他认为应当区分描述内部运动和整体运动的两个概念。通过对已知实验数据的分析，他提出层子在强子内部的运动速度远小于光速，是非相对论性的，虽然强子的整体运动可以是相对论性的。夸克及輕子互相衰變-結構圖这样，可以在强子的静止坐标系中定出非相对论性的结构波函数，然后通过洛伦兹变换得到作自由运动的强子的波函数。在讨论强子发生转化的过程时，朱洪元引入始态和终态强子结构波函数的重叠积分的概念和具有特定的对称性的强子构成组分(层子)之间的相互作用来计算跃迁矩阵元，用以统一地描述一系列强子的转化过程。在这些概念和方法的基础上，由钱三强大力支持，朱洪元领导的粒子理论研究集体系统地研究了强子的力学、电磁及几何等静态性质，以及强子的电磁衰变、弱衰变、强衰变等动态过程。在九个月里，他们发表了4 6篇科学论文，得到了一系列理论结果，其中许多和实验结果相符合。有一些当时没有实验数据，在后来才得到实验的证实。也有一些理论结果与实验不合，有待后来的实验和理论工作的新进展来解决。“层子模型”是强子结构研究的一个重要开拓，它是在层子之间的动力学理论提出来之前的一个方向性的系统工作。这个理论中提出的强子内部结构波函数和波函数的重叠积分的概念沿用至今，随着层子间强相互作用的动力学理论的建立，它们越来越细致地被确定下来。在1966年北京亚太科学讨论会上，巴基斯坦诺贝尔物理学得主萨拉姆高度评价了这项工作。很可惜，朱洪元和中国粒子物理学家在理论上一个很好的开头被随后十年的大破坏所打断。强子-多重数分布的质量效应强子多重数分布的研究，从KNO标度算起，已有30多年的历史。动量分布的Feynman杨标度被破坏后由平均标度代替。重整化群方程能够证明KNO标度,而且可得到多重数与非弹性度服从Kendall标度分布。KNO标度的理论基础是重整化群，是［C‖O］类半群对称性。强子动量·多重数关联(S1/2=22～900GeV)的研究表明：粒子·粒子碰撞产生3个发射源，a+b→NJ0+NJ1+NJ2强子；由此确定了基本强子发射源的物理性质(UAl数据,TASSO数据)。在这些研究的基础上，就可以讨论多重数分布对强子质量的依赖了。多重数N 被定义为末态强子的总和，其阈能(末态总质量)EN=mπNπ+mкNк+2mрNр+⋯，显然是重要的。多重数分布同强子质量产生有关。目前，强子动量·多重数关联(ｓ＝22～900ＧｅＶ)的研究表明：粒子·粒子碰撞产生3个强子发射源，ａ＋ｂ→ＮＪ0＋ＮＪ１＋ＮＪ2，强子多重数Ｎ＝ＮＪ0＋ＮＪ１＋ＮＪ2，并由此确定了基本强子发射源的物理性质(UAI数据，TASSO数据)，对NA22的π介子海鸥效应(Seagulleffects)的详细分析，揭示出3个发射源的运动学与动力学结构，确定了J1与J2的相对论多普勒(Doppler)效应。近年来的CERN(NA22)实验研究又指出，不用质量与电荷证认数据，而得出的动力学结论是不完全的。为此，在这些研究的基础上，才能讨论多重数分布对强子质量的依赖性。现在用质量与电荷证认数据来改进多重数分布的研究，从而得出动力学结论。1、Bose强子的倒易统计起伏电荷强子多重数Ｎ＝Ｎπ＋Ｎｋ＋Ｎｐ＋Ｎ＋⋯，在质心能量ｓ＝4～1800ＧｅＶ的区域，π±介子与Ｋ±介子占85%～95%的比率。因此，可近似考虑Bose强子数NB=Nπ+NK.Bose强子平均多重数〈NB〉满足重整化群方程，即Ｄ<ＮＢ>＝2γＢ（ｇＲ）Ｄ2ＮＢ（1）倒易统计起伏αＢ＝<ＮＢ>2／Ｄ2ＮＢ，结合(1)式我们有－Ｄ1<ＮＢ>＝1αＢ2γＢ（ｇＲ）（2） 利用CERN-ISR数据(1978)，UA5数据(Ｐｓ=540GeV，1982)等资料，我们得到强子·强子碰撞经验公式为<ｍ>＝ｍπ±·ｅｘｐ［0.052／αｓ］（3）这里αs是QCD(味数nf=4)跑动耦合常数，αｓ＝0.48／ｌｎ（ｓ／ΛＱＣＤ），ΛＱＣＤ＝2ｍπ±。对于e+e-碰撞(３)式变为<ｍ>＝ｍπ±·（14ｅｘｐ［0.052／αｓ］）(4)这就是说，e+e-碰撞比Ｐ碰撞多产生ｍπ±/4的质量(ｓs=3～10GeV)。Bose强子平均质量<ｍＢ>＝ｍπ±·ｅｘｐ［0.045／αｓ］（ｓ=3GeV～20TeV)。只考虑π±与Ｋ±介子，Bose强子倒易统计起伏为αＢ＝<ＮＢ>2<Ｎ2Ｂ>－<ＮＢ>2（5）则αＫ＝απ<ｍＢ>－ｍπＭＫ－<ｍＢ>（6） αＢ＝απ（ＭＫ－ｍπＭＫ－<ｍＢ>）2（7）这里απ与αＫ分别是π±介子与Ｋ±介子的倒易统计起伏。α０π＝(1.27±0.09)２是比较精确的实验值，其Ｎ±π的基本强子发射源中的分布为<Ｎπ>σＴｄσπｄＮπ＝24γＢ－１／２Γ（3／2－4γＢ）（βπＮπ<Ｎπ>）1＋νＫν（βπＮπ<Ｎπ>）(8)这里βπ≈2［1－2γＢ－（ｇＲ）］，ν＝1／2－4γＢ（ｇＲ），由Hankel积分公式<Ｎ2π><Ｎπ>＝3／2Γ（2－4γＢ）·［Γ（3／2－4γＢ）Γ（3／2）］2·Γ（5／2－4γＢ）Γ（5／2）（9）再利用黎曼ζ(q，x)函数与Γ(x)函数的关系，可算出αＪ±π≈2［1－5／2γＢ（ｇＲ）］(10) 式(10)是基本强子发射源的倒易统计起伏。对于3个源(J0，J1，J2），Ｎπ＝ＮＪ０＋ＮＪ１＋ＮＪ2，若J1与J2相同，则有α±π≈αｊ±π［1－（<ＮＪ><Ｎ±π>）］2(11)再由(7)式，我们最后得αＢ≈α±π（1＋δ<ｍＢ>ＭＫ）2(12)这里δ<ｍＢ>＝<ｍＢ>－ｍπ，于是我们可得到：量子场反常维度－γＢ（ｇＲ）＝0.045，δmp=119MeV，2<ＮＪ１>=0.96±0.02。2、高阶积分关联的质量效应赵树松教授曾证明απ满足兰道(Landau)不等式，指出αｍａｘπ＝4，这对积分关联是很强的限制。积分关联ｆ2（ｇＲ，<ｍＢ>）＝Ｄ2ＮＢ－<ＮＢ>＝（1αＢ<ＮＢ>－1）·<ＮＢ>(13) 表达式(13)的结果与NA22数据、NA9数据（μｐ）及W21数据（ｐ，ｖｐ）相符合。π+P与K+P碰撞产生Ｋ±的介子平均数分别为(HEN-316/1988)<ＮＫ±>＝0.420±0.015（Ｋ＋Ｐ），<ＮＫ±>＝0.252±0.007（π＋Ｐ）。由(12)式我们有αＢ（Ｋ＋Ｐ）αＢ（πＰ）≈1＋1ＭＫ［（δ<ｍＢ（Ｋ＋）>－（δ<ｍＢ（π＋）>）］(14)其平均质量差（δ<ｍＢ（Ｋ＋）>）－（δ<ｍＢ（π＋）>）＝ＭＫ<ＮＢ>δ<ＮＫ±>(15)这里δ<ＮＫ±>＝0.168±0.022(Ｋ＋Ｐ碰撞与π＋Ｐ碰撞的Ｋ±介子平均数之差）。具体值为：αＢ（Ｋ＋Ｐ）／αＢ（π＋Ｐ）＝1.020±0.004，这样Ｋ＋Ｐ数据ｆ2（ｇＫ，<Ｎ>Ｂ）＝0，ｓ＝7.75ＧｅＶ，π＋Ｐ数据ｆ2（ｇＫ，<Ｎ>Ｂ）＝0，ｓ＝7.07ＧｅＶ，由此实验质量效应得到说明。 奇斜度(skewness)的定义为γ１（ｇＲ，<ｍＢ>）＝<(ＮＢ－<ＮＢ>）3>（<Ｎ2Ｂ>－<ＮＢ>2）3／2(16)这里，<(ＮＢ－<ＮＢ>）3>＝<Ｎ3Ｂ>－3<Ｎ2Ｂ>／，<ＮＢ>2＋2<ＮＢ>3，于是我们有γ1（ｇＲ<ｍＢ>）＝α3／2Β［<Ν３Β><ΝΒ>3－3αΒ－1］(17)由ＮＢ＝ＮＪＢ＋ＮＪ，将式(17)中的<Ｎ3Ｂ>展开，考虑到(7)与(11)式，再令αＪＢ＝（<(ＮＪＢ）2>－<ＮＪＢ>）／Ｄ2ＮＪＢ，经整理可得<Ｎ3Ｂ><ＮＢ>3＝<（ＮＪＢ）3><ＮＢ>3［1－3<ＮＪ><ＮＢ>（1－3<ＮＪ><ＮＢ>）＋3<ＮＪ><ＮＢ>（1－<ＮＪ><ＮＢ>）×（1＋1αＪＢ）］(18)这里的αＪＢ＝αＪπ±／（１－δ<ｍＢ>／ＭＫ，是基本强子发射源的Bose强子的倒易统计起伏。因此<（ＮＪＢ）3><ＮＢ>3＝（ＭＫ－<ｍＢ>ＭＫ－ｍπ）3［<Ｎ３π><Ｎπ>3＋3<Ｎ2π><Ｎπ>2（<ＮＫ><Ｎπ>）＋3<Ｎ2Ｋ><ＮＫ>2（<ＮＫ><Ｎπ>）2＋<Ｎ3Ｋ><ＮＫ>3（<ＮＫ><Ｎπ>）3］（19） <Ｎ2π><Ｎπ>3＝23／β3π〖〗Γ（3／2－4γＢ）·32·Γ（3／2）·（2－4γＢ）·Γ（2－4γＢ）(20)则<（ＮＪＢ）3><ＮＪＢ>3≈（１－δ<ｍＢ>ＭＫ）3［3（2＋2γＢ）＋３（<ＮＫ><Ｎπ>）（1＋1απ±）］(21)比较(13)式与(17)～(21)式得知：三阶积分关联比二阶积分关联具有更强的质量效应。为此，将作者的结果与NA22实验数据进行以下比较：将(17)式中的αB用实验值代替(因为(13)式与NA22实验值相符合)，得到实验值<Ｎ3Ｂ>／<ＮＢ>３＝2.298(1±0.14)；将(21)式代入(18)式，得到3（１＋２γＢ）（１－δ<ｍＢ>ＭＫ）3×（１＋0.06）＝2.298(1±0.014)(22)若－２γＢ（ｇＫ）＝0.09，我们有δ<ｍＢ>／ＭＫ＝0.074±0.012。按四阶积分关联峭度(Kurtosis)的定义为γ2（ｇＲ，<ｍＢ>）＝<(ＮＢ－<ＮＢ>）4><<Ｎ2Ｂ>－<ＮＢ>2>4(23) 显然γ2（ｇＲ，<ｍＢ>）＝α2Ｂ［<Ｎ4Ｂ><ＮＢ>4－4<Ｎ３Ｂ><ＮＢ>3＋６αＢ＋３］(24)这里<Ｎ3Ｂ>／<ＮＢ>3与(18)式中相同<Ｎ3Ｂ>／<ＮＢ>3＝2.298(1±0.14)(NA22实验值)，αB的表达式(12)的质量效应与实验精确符合，因此集中研究<Ｎ４Ｂ>／<ＮＢ>４并与NA22数据进行比较。令ＮＢ＝ＮＪＢ＋ＮＪ，ＮＪＢ为J0源的Bose强子数。再令ＮＪＢ＝Ｎπ(J0源π±介子数)，我们有<Ｎ4Ｂ><ＮＢ>4＝（１－δ<ｍＢ>ＭＫ）4［<Ｎ4π><Ｎπ>4＋4（<ＮＪ><Ｎπ>）<Ｎ3π><Ｎπ>3＋6<Ｎ２π><Ｎπ>２×（<ＮＪ><Ｎπ>）2<Ｎ2Ｊ><ＮＪ>２＋４（<Ｎ２Ｊ><Ｎπ>）3（<Ｎ3Ｊ><Ｎπ>3）＋<Ｎ4J><ＮJ>4(<ＮＪ><Ｎπ>）4］(25)这里，<Ｎ2π>／<Ｎπ>2＝1＋1／απ，<Ｎ2Ｊ>／<ＮＪ>2＝1＋1／αＪ，αＪ≈απ，<ＮＪ>／<Ｎπ>＝0.12(NA22数据)，<Ｎ3π>／<Ｎπ>3≈3（１＋２γＢ），得<Ｎ4π><Ｎπ>4＝24／β2π〖〗Γ（3／2－4γＢ）·Γ（3）·Γˉ7／24γＢ）(26) 其数值结果为：<Ｎ4π>／<Ｎπ>４＝15(1＋5.7γＢ）／2，可得质量效应的数值方程为（１－δ<ｍＢ>ＭＫ）4×15〖〗2（1＋5.7γＢ）＝3.246(1±0.16)(27)由此得出：δ<ｍＢ>／ＭＫ＝0.0298±0.0025，比γ1（ｇＲ，<ｍＢ>)的(22)式所得值略小。3、结论关于KNO标度的争论问题。认为多重数分布、能量、动量分布及其动力学关联中存在量子场反常维度的效应(AD效应)，由多重数分布的NA22数据及UA5数据所确定的4γＢ（ｇＲ）＝－(0.214±0.042)，AD效应对KNO标度仅有微弱破坏。根据短距离量子场(aqN)νKν(aqN)广函分布对多重数分布的研究(包括上述研究结果)，目前可能得出的结论如下。1、AD效应对q阶积分关联的影响较小，而质量效应与［（ＭＫ－ｍπ）／（ＭＫ－<ＭＢ>）］ｑ成正比。2、KNO标度对基本强子发射源仍然成立，质量效应与AD效应破坏了KNO标度，必须扣除。 3、由半群对称性得到的兰道不等式成立：αB＜αmas=4，KNO标度的理论基础是量子场论的重整化群方程，KNO标度是半群对称性的表现。4、短距离量子场的π±介子数Nπ的分布(14)式符合有关全部数据，特别是是NA22数据，(８)式与动量、多重数关联中的有关性质完全相同。5、三阶积分关联比二阶积分关联具有更强的质量效应。由重整化群方程证明，KNO标度是严格的。但是，这个方程是从微扰论得到的，而它对量子场论非微扰(解析)性质，如QCD渐进自由、QED(量子电动力学)红外稳定的研究结果已得到实验的肯定。用半群算子(SeimigroupOperator)与偏微分方程的数学理论来研究Ｇ（Ｎ）ａ（ｇＲ，ｍＲ，Ｐ）的对称性，可得出非微扰重整化群方程。[2]强子-相关的观点 核子（强子）是夸克、胶子的束缚态，由量子色动力学ＱＣＤ描述。由于ＱＣＤ的基本特性（高能标度下的渐近自由、低能标度下色禁闭及动力学手征对称性破缺），对核子（强子）结构和性质的ＱＣＤ图象是标度相关的，在高能标度下描述强子的是与探测强子结构的硬过程相联系的ＱＣＤ部分子模型，强子的夸克、胶子结构信息通过ＱＣＤ部分求和规则得到，ＱＣＤ微扰论是适用的理论，在低能标度时，必须发展ＱＣＤ非微扰途径来描述核子（强子）。虽然夸克模型当时取得了许多成功，但也遇到了一些麻烦，如重子的夸克结构理论认为，象Ω-和Δ++这样的重子可以由三个相同夸克组成，且都处于基态，自旋方向相同，这种在同一能级上存在有三个全同粒子的现象是违反泡利不相容原理的。泡利不相容原理说的是两个费米子是不能处于相同的状态中的。夸克的自旋为半整数，是费米子，当然是不能违反泡利原理的。但物理学家自有办法，你不是说三个夸克全同吗？那我给它们来个编号或着上“颜色”（红、三代輕子圖 黄、蓝），那三个夸克不就不全同了，从而不再违反泡利原理了。的确，在1964年，格林伯格引入了夸克的这一种自由度——“颜色”的概念。当然这里的“颜色”并不是视觉感受到的颜色，它是一种新引入的自由度的代名词，与电子带电荷相类似，夸克带颜色荷。这样一来，每味夸克就有三种颜色，夸克的种类一下子由原来的6种扩展到18种，再加上它们的反粒子，那么自然界一共有36种夸克，它们和轻子（如电子、μ子、τ子及其相应的中微子）、规范粒子（如光子、三个传递控制夸克轻子衰变的弱相互作用的中间玻色子、八个传递强（色）相互作用的胶子）一起组成了大千世界。夸克具有颜色自由度的理论得到了不少实验的支持，在70年代发展成为强相互作用的重要理论——量子色动力学。1964年，美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——Quark组成的。它们具有分数电荷，是基本电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。夸克一词是盖尔曼取自詹姆斯·乔埃斯的小说《芬尼根彻夜祭》的词句“为马克检阅者王，三声夸克（ThreequarksforMusterMark）”。夸克在该书中具有多种含义，其中之一是一种海鸟的叫声。他认为，这适合他最初认为“基本粒子不基本、基本电荷非整数”的奇特想法，同时他也指出这只是一个笑话，这是对矫饰的科学语言的反抗。另外，也可能是出于他对鸟类的喜爱。其他答案(2)亚原子粒子，按照参与基本相互作用的性质可以分为： 强子-直接参与强相互作用的粒子，按照自旋量子数和重子数又可分为：介子-自旋量子数为整数（0，1，2⋯⋯）、重子数为0的强子重子-自旋量子数为半奇数（1/2，3/2，5/2⋯⋯）、重子数为+1或者-1的强子轻子-不直接参与强相互作用的粒子规范玻色子-传递基本相互作用的媒介粒子以及：一个不属于规范玻色子的玻色子——希格斯粒子强子由夸克组成。规范玻色子这是一类在粒子之间起媒介作用、传递相互作用的粒子.粒子也可以分为费米子，玻色子。很多玻色子负责传递各种作用力。费米子是依隨费米-狄拉克统计、角动量的自旋量子数为半奇数的粒子。费米子遵从泡利不相容原理。例如：夸克轻子：包括电子、渺子、陶子及对应的反粒子、三种中微子及对应的三种反中微子。中子、质子：都是由三种夸克组成，自旋为1/2。奇数个核子组成的原子核。因为中子、质子都是费米子，故奇数个核子组成的原子核自旋是半整数。玻色子包括：胶子-强相互作用的媒介粒子，自旋为1，有8种光子-电磁相互作用的媒介粒子，自旋为1，只有1种W及Z玻色子-弱相互作用的媒介粒子，自旋为1，有3种引力子-引力相互作用的媒介粒子，自旋为2，只有1种，尚未被发现希格斯玻色子-尚未被发现介子-由两个费米子——夸克组成的强子。由偶数个核子组成的原子核。因为质子和中子都是费米子，故含偶数个核子的原子核是自旋为整数的玻色子。稳态至今为止质子被认为是一种稳定的、不衰变的粒子。但也有理论认为质子可能衰变，只不过其寿命非常长。到今天为止物理学家没有能够获得任何可能理解为质子衰变的实验数据。水中的氢离子绝大多数都是水合质子。质子在化学和生物化学中起非常大的作用。根据酸碱质子理论，可以在水溶液中提供质子的物质一般被称为酸，可以在水溶液中吸收质子的物质一般被称为碱。然而，质子是通过中子的过程中电子捕获。这一过程不会自发发生，但只有当能源供应。其计算公式：于此p是一个质子，e是一个电子， n是一个中子，而且νe是一个电子中微子这个过程是可逆的：中子可转换回质子通过β-衰变，共同形成放射性衰变。事实上，在一个自由中子衰变这样一个平均寿命约15分钟。中子转换回质子所通过的-衰变图(右图片绘制:张嘉年)历史卢瑟福被公认为质子的发现人。1918年他任卡文迪许实验室主任时，用α粒子轰击氮原子核，注意到在使用α粒子轰击氮气时他的闪光探测器纪录到氢核的迹象。卢瑟福认识到这些氢核唯一可能的来源是氮原子，因此氮原子必须含有氢核。他因此建议原子序数为1的氢原子核是一个基本粒子。在此之质子前尤金·戈尔德斯坦（EugeneGoldstein）就已经注意到阳极射线是由正离子组成的。但他没有能够分析这些离子的成分。卢瑟福发现质子以后，又预言了不带电的中子存在。今时今日，以粒子物理学的标准模型理论为基础而论，因为质子是复合粒子，所以不再被编入基本粒子的家族中。应用物理中质子常被用来在加速器中加速到近光速后用来与其它粒子碰撞。这样的试验为研究原子核结构提供了极其重要的数据。慢速的质子也可能被原子核吸收用来制造人造同位素 或人造元素。核磁共振技术使用质子的自旋来测试分子的结构。反质子质子的反粒子是反质子，反质子是1955年埃米利奥·塞格雷（EmilioGinoSegrè）和欧文·张伯伦（OwenChamberlain）发现的，两人为此获得了1959年的诺贝尔物理学奖。(右下图片绘制:张嘉年)反质子,正电子.等反粒子的内部结构图反质子-内部结构模型图反质子的发现：正电子的发现证实了狄拉克反粒子理论，一些理论物理学家开始认真对待这一理论。1934年泡利与克拉夫证明，即使不能形成稳定的负能粒子海，也会有相应的反粒子存在。于是人们就开始寻找其他粒子的反粒子。早在1928年，狄拉克便预言了反质子的存在，但证实它的存在却花了20多年的时间。根据狄拉克的理论，反质子的质量与质子相同，所带电荷相反，质子与反质子成对出现或湮没，用两个普通的质子碰撞便可获得反质子，但反质子的产生阈能为6.8GeV。1954年，在加利福尼亚大学的劳伦斯辐射实验室，建成了64亿电子伏的质子同步稳相加速器，这为寻找反粒子提供了条件。1955年，张伯伦和塞格雷用上述加速器证实了前一质子磁力仪 年人们所观测的反质子的存在。由于反质子出现的机会极少，大约每1000亿高能质子的碰撞，才能产生数量很少的反质子，因而证实反质子的存在极为困难。1955年他们这个实验小组测到60个反质子。由于偶然符合本底不大，记数系统虽不算好，但较为可信。不久他们又发现反中子。尽管高能粒子打靶时也能产生反中子，但是由于反中子不带电，更难从其他粒子中鉴别出来。他们是利用反质子与原子核碰撞，反质子把自己的负电荷交给质子，或由质子处取得正电荷，这样，质子变成了中子，而反质子则变成了反中子。鲁比亚，C.在正反质子对撞机上进行几百吉电子伏的对撞实验，发现了现代弱电统一理论所预言的传力子，因而获得1984年度诺贝尔奖金物理学奖。首先说明的是，电子，质子，中子，都是基本粒子，都是客观存在。这些粒子所带的电荷，是它的一个属性，电荷不是基本粒子。那么粒子是否带有电荷，带什么性质的电荷，主要看这些粒子在电场中是否移动，向哪极移动。因为电子在电场中向正极移动，所以我们可以断定它带有负电荷，同理，我们判定质子带有正电荷而中子不带电荷。那么它们带有多少电荷呢，我们现在还不能确定它们所带电荷的绝对电量是多少，只是人为的规定一个质子所带的电量为一个单位的电量（简称一个单位的电荷），恰好一个电子所带的电量与一个质子所带的电量相等，只是电性相反。这也就是我们通常所说的电子带有一个负电荷（准确的说应该是：一个单位的负电荷）而质子带有一个正电荷（应该是一个单位的正电荷）。需要明确的是，电荷不是一个个的，而是电量的一种简单描述方法。物理中的电子转移是在电流的作用下，由高端向低端移动，是外力的作用，与元素原子本身的性质无关。而化学中的电子转移，是不同原子之间自发的进行的，是元素原子本身性质所决定的。现在科学的发展，使人们发现了很多新的物质存在形式，正电子是确实存在的，它的质量以及许多性质都和电子无异，但所带电荷为正电荷，且轻子数为-1；同样，人们还在探索反质子，我们称正电子、反质子之类的物质叫反物质。正负电子一旦相遇，则发生湮灭，化为乌有，同时放出巨大能量，并产生光子。核武器原子弹〖符号〗p，H+〖发现时间〗1919年〖发现者〗欧内斯特·卢瑟福基本性质〖相对质量〗1.007〖电荷〗+1元电荷（+1.60217733×10^-19库仑）〖粒子自旋〗1/2 质子直线加速器〖粒子磁矩〗2.7928单位核磁子〖作用力〗引力、电磁力、弱核力、强核力〖半衰期〗最短为1035年（可视为稳定）〖组成〗两个上夸克、一个下夸克质子各国的读法英文：proton；日文：阳子；朝鲜文：???；泰文：??????；希伯来语：??????；俄语："Протон；"克罗地亚语：Proton。关于中子态的形成在巨大的气压下，处于超固态的物质，使原来已经拥挤得紧紧的原子核和电子不能再紧了，这时候原子核只好被迫解散，从里面释放出质子与中子。从原子核里放出的质子，在极大压力下会与电子结合为中子。这样，物质的构造就发生了根本性的变化，原来由原子核和电子构造的物质，现在都变成了中子。这样的状态，就叫做“中子态”。(图片绘制:张嘉年)质子的发现质子是1919年卢瑟福任卡文迪许实验室主任时，用α粒子轰击氮原子核后射出的粒子，命名为proton，这个单词是由希腊文中的“第一”演化而来的。欧内斯特·卢瑟福被公认为质子的发现人。1918年他注意到在使用α粒子轰击氮气时他的闪烁探测器纪录到氢核的迹象。卢瑟福认识到这些氢 质子核唯一可能的来源是氮原子，因此氮原子必须含有氢核。他因此建议原子序数为1的氢原子核是一个基本粒子。在此之前尤金·戈尔德斯坦（EugeneGoldstein）就已经注意到阳极射线是由正离子组成的，但他没有能够分析这些离子的成分。原子核中所含质子数等于该元素的原子序数。氢原子最常见的同位素的原子核由一个质子构成。其它原子的原子核则由质子和中子在强相互作用下构成。在水中被溶解的氢离子实际上就是质子。质子在化学和生物化学中起非常大的作用。可以在水溶液中提供质子的物质一般被称为酸，可以在水溶液中吸收质子的物质一般被称为碱。质子静止质量938MeV，是电子的1836倍。带有+1元电荷（约1.60×10^-19C），量值与电子电荷绝对值相同。质子是最稳定的粒子，实验已测得的质子寿命大于10的33次方年。高能电子、μ子或中微子轰击质子的散射实验表明质子的电荷和磁矩有一定的空间分布，因此质子不是点粒子，而具有一定的结构。目前认为质子是由所谓夸克的基本粒子构成，由两个+2/3电荷的上夸克和一个-1/3电荷的下夸克通过胶子在强相互作用下构成。质子与质子间，除了有电磁相互作用之外，还有强得多的强相互作用。这种强相互作用与质子中子间以及中子中子间的强相互作用完全相同，是构成结合为原子核的核力。核力与电荷的无关性说明质子与中子可以看成是同一种粒子的两种不同电荷状态，这一性质导致用同位旋概念来描述：质子和中子是同位旋I相同、同位旋第三分量I3不同的两种状态，原子核的同位旋可由质子和中子的同位旋“合成”得到。质子是核物理和粒子物理实验研究中用以产生反应的很重要的轰击粒子，在核物理中质子常被用来在粒子加速器中加速到近光速后用来与其它粒子碰撞，这样的试验为研究原子核结构提供了极其重要的数据。慢速的质子也可能被原子核吸收用来制造人造同位素或人造元素。核磁共振技术使用质子的自旋来测试分子的结构。质子也是宇宙射线中的主要成分。质子的反质子磁力仪粒子是反质子，反质子是1955年埃米利奥·塞格雷和欧文·张伯伦发现的，两人为此获得了 1959年的诺贝尔物理学奖。2008年9月10日，欧洲核子研究中心的科学家在瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机控制中心忙碌。经过十几年的建造，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机当日正式启动，将第一束质子束流注入对撞机。原子相对质量约==质子质量+中子质量核电荷数=核内质子数=核外电子数质子理论酸碱离子理论是阿累尼乌其斯（Arrhenius）根据他的电离学说提出来的。他认为在水中能电离出氢离子并且不产生其它阳离子的物质叫酸。在水中能电离出氢氧根离子并且不产生其它阴离子的物质叫碱。酸碱中和反应的实质是氢离子和氢氧根离子结合成水。这个理论取得了很大成功，但它的局限性也早就暴露出来。倒台，气态氨与氯脂氢反应迅速生成氯化铵，这个酸碱中和反应并墙角水的生成；又如氨的水溶液显碱性，曾错误地认为NH3和H2O形成弱电解质NH4OH分子，然后离解出OH-+等。由于阿累尼乌斯的酸碱离子理论不能解一些非水溶液中进行地酸碱反应等问题，1923年布朗特（Bronsted）提出了酸碱质子理论，把酸碱概念加以推广。酸碱质子理论认为凡是能给出质子的物质都是酸，凡是能与质子结合的物质都是碱。即酸是质子的给予体，碱是质子的接受体。这样，一个酸给出质子后余下的部分自然就是碱，因为它本身就是与质子结合的。这种关系叫做酸碱的共轭关系，式中略去了HB和B可能出现的电荷。右边的碱是左边酸的共轭碱，左边的酸是右边碱的共轭酸，两者组成一个共轭酸碱对，它们只直差一个质子。从以上例子可以看出，酸和碱可以是分子，也可以是阳离子和阴离子。还可以看出，像HPO2-4这样的物质，既表现酸，也质子磁力仪表现为碱，所以它是两性物质。同理，H2O，HCO-3等也是两性物质。二、共轭酸碱的强弱共轭酸碱对的离解常数Ka和Kb之间有确定的关系。以HOAc为例推导如下：由于溶剂水的浓度不常数，所以它不出现在平衡常数式中。用KW表示[H3O+][OH-]，KW称为水的离子积。这说明在一定温度下，水中的[H3O+]与[OH-]的乘积为一常数。所以Ka·Kb=KW（2-7）24℃时KW值为1.0×10-14.这个关系说明,只知道了酸的离解常数Ka,就可以计算出它的共轭碱的Kb，反之亦然。Ka和Kb是成反比的，而Ka和Kb正是反映酸和碱的强度，所以，在共轭酸碱对中，酸的强度愈大，其共轭碱的强度愈小；碱的强度愈大，其共轭酸的强度愈小。表2-6列出了一些共轭厔碱对的强度次序。共轭酸碱的强度次序酸性增强共轭酸（HB）Ka（在水中）pKa（在水中）共轭碱（B）碱性增强H3O+H2OH2C2O45.4×10-21.27HC2O-4H2SO31.54101.81HSO-3HSO-41.20×10-21.92SO2-4H3PO47.51×10-32.12×H2PO-4HNO24.6×10-43.37NO-2HF3.53×10-43.45F-HCOOH1.77×10-43.75HCOO-HC2O-45.4×10-54.27C2O2-4CH3COOH1.7610-54.75CH3COO-H2CO34.30×10-76.37×HCO-3HSO-31.02×10-76.91SO2-3H2S9.110-87.04HS-H2PO-46.23×10-87.21HPO2-4×NH+45.68×10-109.25NH3HCN4.9310-109.31CH-HCO-35.61×101110.25CO2-3H2O2×2.4×10-1211.62HO-2HS-1.110-1211.96S2-HPO2-42.2×10-1312.67PO3-4H2OOH-×根据酸碱质子理论，酸碱在溶液中所表现出来的强度，不仅与酸碱的本性有关，也与溶 剂的本性有关。我们所能测定的是酸碱在一定溶剂中表现出来的相对强度。同一种酸或碱，如果溶于不同的溶剂，它们所表现的相对强度就不同。例如HOAc在水中表现为弱酸，但在液氨中表现为强酸，这是因为液氨夺取质子的能力（即碱性）比水要强得多。这种现象进一步说明了酸碱强度的相对性。三、酸碱反应酸碱质子理论中的酸碱反应是酸碱之间的质子传递。例如：这个反应无论在水溶液中、苯或气相中，它的实质都是一样的。HCL是酸，放出质子给NH3，然后转变成共轭碱CL-，NH3是碱，接受质子后转变成共轭酸NH4+。强碱夺取了强酸放出的质子，转化为较弱的共轭酸和共轭碱。酸碱质子理论不仅扩大了酸碱的范围，还可以把酸碱离解作用、中和反应、水解反应等，都看作是质子传递的酸碱反应。由此可见，酸碱质子理论更好地解释了酸碱反应，摆脱了酸碱必须在水中才能发生反应的局限性，解决了一些非水溶剂或气体间的酸碱反应，并把水溶液中进行的某些离子反应系统地归纳为质子传递的酸碱反应，加深了人们对酸碱和酸碱反应的认识。但是酸碱质子理论不能解释那些不交换质子而又具有酸碱性的物质，因此它还存在着一定的局限性。路易斯提出的酸碱电子理论是目前概括最广的酸碱理论。该理论认为，凡是能给出电子对的物质叫做碱；凡是能接受电子对的物质叫做酸。即酸是电子对的接受体，碱是电子对的给予体。因此，碱中给出电子的原子至少有一对孤对电子（未成键的电子对），而酸中接受电子的原子至少有一个空轨道（外层未填充电子的轨道），以便接受碱给予的电子对，这种由路易斯定义的酸和碱叫做路易斯酸和路易斯碱。例如，三氟化硼（BF3）是路易斯酸，因为BF3中的B原子有一个空轨道是电子的接受体。NH3中N原子有一对孤对电子，是电子对的给予体，为路易斯碱。但是，由于酸碱电子理论概括的酸碱范围太宽，使其实用价值受到一定的限制。质子守恒质子守恒就是酸失去的质子和碱得到的质子数目相同，质子守恒和物料守恒，电荷守恒一样同为溶液中的三大守恒关系，质子守恒也可以由电荷守恒和物料守恒关系联立得到NaHCO3溶液中，存在下列等式C(H+)+C(Na+)=C(HCO3-)+2C(CO32-)+C(OH-)这个式子叫电荷守恒C(Na+)=C(HCO3-)+C(CO32-)+C(H2CO3)这个式子叫物料守恒质子磁力仪方法一：两式相减得C（H+）+C（H2CO3）=C（CO32-）+C(OH-)这个式子叫质子守恒。方法二：由酸碱质子理论原始物种：HCO3-，H2O消耗质子产物H2CO3，产生质子产物CO32-，OH-C（H+）=C（CO32-）+C(OH-)-C（H2CO3）即C（H+）+C（H2CO3）=C（CO32-）+C(OH-)关系：剩余的质子数目等于产生质子的产物数目-消耗质子的产物数目直接用酸碱质子理论求质子平衡关系比较简单，但要细心；如果用电荷守恒和物料守恒关系联立得到则比较麻烦，但比较保险，又如NaH2PO4溶液，原始物种：H2PO4-，H2O，消耗质子产物：H3PO4,产生质子产物：HPO42-（产生一个质子），PO43-（产生二个质子），OH-，所以：c（H+）=c(HPO42-)+2c(PO43-)+c(OH-)-c（H3PO4）你可以用电荷守恒和物料守恒联立验证下。编辑本段文学含义解释 秦始皇古代派往敌方或他国去的人质。多为王子或世子等出身贵族的人。秦始皇的父亲，战国燕太子丹都曾经做过质子。秦始皇，名政。他是中国的第一个皇帝，是中国历史上一位极富传奇色彩的划时代的人物。他的父亲异人是秦国的王孙，异人虽然生在帝王之家，但从小就被派往和秦国敌对的赵国，当了一名“质子”。而始皇帝赵政就是在父亲做质子这段期间出生在赵国的，出生后在赵国过了9年孤独的生活。而燕国的太子丹则是因为在战国末期，燕国为了讨好秦国，而将太子丹送往秦国当质子。但太子丹不满在秦国受到的待遇，逃回了自己的国家。后在秦国攻打燕国之时，派荆轲刺秦王，失败后不久，即被燕王杀害。历史典籍中的记录《谷梁传·隐公八年》：“盟诅不及三王，交质子不及二伯。”《魏书·蛮传》：“泰常八年，蛮王梅安率渠帅数千朝京师，求留质子以表忠款。”宋王谠《唐语林·政事下》：“大中初，云南朝贡，及西川质子，人数渐多。”清吴殳《秦》诗：“质子妖姬货可居，六王未毕已邱墟。”章炳麟《訄书·弭兵难》：“说者曰：吾岂徒乞盟，将假贷於彼，而要之相率以衞我，则是以彼之金币为质子也。”词条图册更多图册质子(5张) 词条图片(15张)粒子基本粒子?上夸克?反上夸克?下夸克?反下夸克?粲夸克?反粲夸克?奇夸克?反奇夸克?顶夸克?反顶夸克夸克?底夸克?反底夸克?电子?正电子?μ子?反μ子?τ子费米子?电子中微?反电子中?反μ子中?反τ子?μ子中微子子微子微子轻子?反τ子中?τ子中微子微子?光子?胶子?W玻色子?Z玻色子玻色子规范玻色子复合粒子?质子?反质子?中子?反中子?Δ粒子重子/核子/超子?Λ粒子?Σ粒子?Ξ粒子?Ω粒子强子?π介子?K介子?ρ介子?D介子?J/ψ介子介子/夸克偶素?Υ介子?电子偶?渺子偶?介子原?超子原?反氢素素子子原子核/原子/奇异原其他?重味超子?介子核?超核?分子核准粒子?声子?激子?等离子子?电磁极化子?极子?磁振子第二章基础自然科学的主要成果一．微观世界的若干探索 1．微观物质层次的探索不断深入⑴原子的认识电子的发现与原子结构理论的建立使人类终于打开了原子世界的大门。从1897年英国的Ｊ．汤姆逊确认电子从而提出原子结构问题，到1912年Ｎ．玻尔用普朗克的量子论重新诠释卢瑟福原子绕核式模型为止，关于原子的认识基本上告一段落。气体分子运动和其他方面的证据表明：普通物质的-8分子和原子的直径就在10厘米之间，通常都把亿分之一厘米作为原子的典型尺度。原子是从宏观自然界到微观自然界的第一个层次，是一个重要的中间环节。研究原子的结构、运动规律及N．Bohr相互作用的物理学分支就叫“原子物理学”。原子结构模型示意图 ⑵原子核的认识对原子核的研究始于1896年Ａ．贝克勒尔关于天然放射性的实验，这是人类首次发现原子核内部的变化。到1911年，卢瑟福在原子结构研究中确认中心物质的存在，并正式提出“原子核”概念。原子核在整个原子中的质量很大，但在整个原子系统中的体积却很－12小，其典型尺度只有10厘米。1919年，卢瑟福等人在实验中发现了带正电荷的质子之后不久，便作出了“原子核是由质子和另一种质量同质子相近的中性粒子组成的复合体”的论断。1932年，Ｊ．查德威克通过实验确认了这种“中性粒子”的存在，并把它定名为“中子”。1935年，日本的汤川秀澍发现了中子与质子结合的媒介－－介子，指出：原子核是由中子、质子与介子构成的复合体。而后人们就把组成原子核的中子、质子与介子统称为“核子”。元素周期表上的原子序数就是原子核的电荷数，也即原子核的质子数，原子核的质量数则是质子数与中子数之和。原子核与其中的质子和中子结构示意图⑶粒子的认识在中子发现后不久，又有人提出：各种原子都是由电子、质子和中子构成的，它们和场的量子──光子都属于宇宙中的“基本粒子”。随着实验技术的提高、特别是大型高能加速器的出现，人们很快发现：“基本粒子”不止上述四种，而是三百多种。它们按质量的不同及粒子之间相互作用的性质，大体上可分为光子、轻子（如电子、反电子）、介子（如π介子、Ｋ介子）和重子（如质子、中子）四种类型，也有时把介子和重子统称为强子。质子(proton)：符号11H核子重子中子(neutron)：符号01n0+-0强(由夸克超子Λ、Ω、ΣΣΣ、有反构成)子共振态粒-0+++*+*-*0*-*0粒子ΔΔΔΔ、ΣΣΣ、ΞΞ、Ω子+-0+-00介子πππ介子、KKKK介子 电子（ｅ）μ子τ子轻子电子中微μ子中微子νμτ子中微子ντ子νｅ强力：弱力：引力：+电磁力：传播子胶子和介中间玻色子W、引力-0光子子W、Z子各种基本粒子在相互作用的条件下，遵循一定的对称性和守恒定律，可以相互转化。这些基本粒子的发现，把人们对物质微观结构的认识由原子、原子核水－14平，推进到第三阶段，即粒子阶段。通常认为，粒子的典型尺度为10厘米。然而，由于大量新粒子的发现，却使基本粒子的“基本性”受到猛烈的冲击。⑷层子或夸克的认识1949年，美国的E．费米和杨振宁首先指出提出：有一部分基本粒子不是“点粒子”，例如，重子中的π介子就有内部结构（费米－杨振宁模型）。日本的坂田昌一于1956年提出强相互作用粒子的复合模型（坂田模型）。1964年，美国的Ｍ．盖尔-曼为了描写强子的对称性，提出三种夸克（Quark）与三种反夸克为基础的“夸克模型”。紧接着，中国的基本粒子课题组提出了“层子(Straton)模型”。至此，“基本粒子不基本，强子（重子和介子）有内部结构”的观念便使人们对微观物质结构的认识，进入了第四个阶段──层子阶段。70年代，描述强相互作用的量子色动力学提出了一种“胶子理论”：有八种不同色荷的胶子，它们把夸克牢牢地粘合在一起；正夸克与反夸克的颜色互相抵消，红、绿、蓝三原色夸克组成的强子和介子便无色等等。－16MurrayGell-Mann目前，公认的层子（夸克）空间尺度的上限为10厘米。粒子－层子结构示意图20世纪的人类对微观物质结构的认识跨越了四大步：原子－原子核－粒子－层子。从认识尺度上整整提高了一亿倍。质子、中子里有些什么盖尔曼 沈建其(浙江近代物理中心及浙江大学物理系，杭州310027)对强子结构和标准模型研究的一再成功已表明夸克和色场是强子世界的最基本组成部分。尽管如此，强子物理还存在一些悬而未决的困难，如夸克幽禁、质子自旋危机、质子衰变等。一、质子、中子不是点状粒子对于物质结构的探索是科学的重要任务，自从有人类出现，这种探索从来没有停止过。在19世纪，人们逐渐弄清楚物质是由分子原子构成的。1932年查德威克发现了中子，人们认识到原子核应由质子和中子构成。人们对物质结构的研究就如剥笋一样层层盘剥下去，每一个层次的发现，都是对物质结构认识的深化。在原子核层次下面，质子和中子是否还有其内部结构呢？质子和中子不是点粒子，它们都具有内部结构。在30年代，理论物理学家认为作为核子的质子和中子是基本粒子，应该象点粒子，根据狄拉克的相对论性波动方程，质子的磁矩是一个单位核磁子，中子由于不带电，因而磁矩是零。但出乎意料的是，实验家斯特恩测得的质子磁矩却为5.6个单位核磁子，中子磁矩也不是零，而是-3.82个单位核磁子，与点粒子理论相悖。这些都清楚地说明质子、中子并不是我们想象的那样简单，它们可能是具有内部结构的。60年代，霍夫斯塔特等人用高能电子轰击核子，证明核子电荷呈弥散分布，核子的确具有内部结构[1]。既然核子并不是点粒子，那么其内部的物质是怎样分布的呢？也许有三种情形：或者核子内有一个硬核，核子象一枚桃子；或有许多颗粒，象石榴一样有许多子；或没有颗粒，疏松如棉絮状。具体属哪一种情形，要靠深度非弹性散射实验来作进一步决定。深度非弹性散射实验指用极高能电子去撞击质子或中子，使后者激发到一个个分立的能级即共振态，甚至达到使π介子离化出来的连续激发态。非弹性散射实验会改变质子、中子的静止质量。实验表明，质子、中子内部有一个个点状的准自由的粒子，它们携带有一定动量和角动量。那么质子、中子内的这些点状粒子是什么呢？具有些什么性质？二、夸克模型1964年，美国科学家盖尔曼（见右上图）提出了关于强子结 构的夸克模型。强子是粒子分类系统的一个概念，质子、中子都属于强子这一类。“夸克”一词原指一种德国奶酪或海鸥的叫声。盖尔曼当初提出这个模型时，并不企求能被物理学家承认，因而它就用了这个幽默的词。夸克也是一种费米子，即有自旋1/2。因为质子中子的自旋为1/2，那么三个夸克，如果两个自旋向上，一个自旋向下，就可以组成自旋为1/2的质子、中子。两个正反夸克可以组成自旋为整数的粒子，它们称为介子，如π介子、J/ψ子，后者由丁肇中等人于1974年发现，它实际上是由粲夸克和反粲夸克组成的夸克对。凡是由三个夸克组成的粒子称为重子，重子和介子统称强子，因为它们都参与强相互作用，故有此名。原子核中质子间的电斥力十分强，可是原子核照样能够稳定存在，就是由于强相互作用力（核力）将核子们束缚住的。由夸克模型，夸克是带分数电荷的，每个夸克带+2/3e或-1/3e电荷（e为质子电荷单位）。现代粒子物理学认为，夸克共有6种（味道），分别称为上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克、底夸克，它们组成了所有的强子，如一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成，则上夸克带+2/3e电荷，下夸克带-1/3e电荷。上、下夸克的质量略微不同。中子的质量比质子的质量略大一点点，过去认为可能是由于中子、质子的带电量不同造成的，现在看来，这应归于下夸克质量比上夸克质量略大一点点。质子和中子的组成：一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成虽然夸克模型当时取得了许多成功，但也遇到了一些麻烦，-++如重子的夸克结构理论认为，象Ω和Δ这样的重子可以由三个相同夸克组成，且都处于基态，自旋方向相同，这种在同一能级上存在有三个全同粒子的现象是违反泡利不相容原理的。泡利不相容原理说的是两个费米子是不能处于相同的状态中的。夸克的自旋为半整数，是费米子，当然是不能违反泡利原理的。但物理学家自有办法，你不是说三个夸克全同吗？那我给它们来个编号或着上“颜色”（红、黄、蓝），那三个夸克不就不全同了，从而不再违反泡利原理了。的确，在1964年，格林伯格引入了夸克的这一种自由度——“颜色”的概念。当然这里的“颜色”并不是视觉感受到的颜色，它是一种新引入的自由度的代名词，与电子带电荷相类似，夸克带颜色荷。这样一来，每味夸克就有三种颜色，夸克的种类一下子由原来的6种扩展到18种，再加上它们的反粒子，那么自然界一共有36种夸克，它们和轻子（如电子、μ子、τ子及其相应的中微子）、规范粒子（如光子、三个传递控制夸克轻子衰变的弱相互作用的中间玻色子、八个传递强（色） 相互作用的胶子）一起组成了大千世界。夸克具有颜色自由度的理论得到了不少实验的支持，在70年代发展成为强相互作用的重要理论——量子色动力学。三、量子色动力学及其特点“量子色动力学”这一名称听起来有点可怕，念起来有点拗口，应该这样念：量子/色/动力学。这个理论认为，夸克是带有色荷的，胶子场是夸克间发生相互作用的媒介。这不禁让我们想起电子是带有电荷的，传递电子间相互作用的媒介是电磁场（光子场）。的确，关于电荷的动力学我们早已有了，它叫“量子电动力学”，发展于三四十年代。一般读者对电磁相互作用都有点熟悉，因此就以它为例来理解质子中子内的色相互作用。电磁场的麦克斯韦方程的量子化就是量子电动力学，具体地说，量子电动力学就是研究电子和光子的量子碰撞（即散射）的，自然，量子色动力学是研究夸克和胶子的量子碰撞的。胶子是色场的量子，就象光子是电磁场的量子一样。胶子和光子都是质量为0、自旋为1、传递相互作用的媒介粒子，都属于规范粒子。两个电子发生相互作用是靠传递一个虚光子而发生的（虚光子只在相互作用中间过程产生，其能量和动量不成正比，不能独立存在，在产生后瞬时就湮灭。由相对论知道，自由运动的电子不能发射实光子，但可以发射虚光子。给予我们光明和热能的是实光子，它的能量和动量成正比，脱离源后，能独立存在），自然，两个夸克发生相互作用是靠传递一个虚胶子而发生的。虚胶子携带着一个夸克的部分能量和动量，交给另一个夸克，于是两个夸克就以胶子为纽带发生了相互作用。看到这里，我们会说，不是重复了一下吗？量子色动力学可以由量子电动力学依葫芦画瓢建立起来，真是太容易了！不过实际上没有这么简单。按群论的语言讲，电磁场是U（1）规范场，是一种阿贝尔规范场，群元可以交换，而胶子场是SU(3)规范场，是一种非阿贝尔规范场，群元不可以交换。一般来说，“非”总比“不非”要麻烦得多。电荷只有一种，而色荷却有三种（红、黄、蓝）；U(1)群的生成元只有一个，就是1，所以光子只有一种，而SU(3)群有八个生成元，一个生成元对应一种胶子，所以胶子共有八种；光子不带电荷，而胶子场由于是非阿贝尔规范场，场方程具有非线性项，体现了胶子的自相互作用，因而胶子也带色荷，夸克发射带色的胶子，自身改变颜色。所以胶子场比电磁场复杂，因而出现了许多不同寻常的现象和性质，其中最重要的恐怕要数“渐近自由”[2-3]和“夸克幽禁”[4-6]了。“渐近自由”说的是两个夸克之间距离很小时，耦合常数也会变得很小，以致夸克可以看成是近自由的。耦合常数变小是由 于真空的反色屏蔽效应引起的。真空中的夸克会使真空极化（即它使真空带上颜色），夸克与周围真空的相互作用导致由真空极化产生的虚胶子和正反虚夸克的极化分布，最终效果使夸克色荷变大，这称为色的反屏蔽效应（对于电荷，刚好相反，由于真空极化导致电荷吸引反号电荷的虚粒子，所以总电荷减少，这称为电的屏蔽效应。与它作比较，色的反屏蔽效应这一术语由此而来）。由于这一效应，在离夸克较小距离上看来，大距离的夸克比它带的色荷多，所以小距离上强作用相对而言变弱了，这就是所谓“渐近自由”。渐近自由是量子色动力学的一项重要成果，它使得高能色动力学可以用微扰理论计算。但是在低能情形或者说大距离情形，由于耦合常数变强及存在幽禁力，计算变得困难。量子色动力学可以预言小距离的“渐近自由”，但是对大距离的“夸克幽禁”，量子色动力学就无法预言了，这是量子色动力学的困难。“夸克幽禁”说的是夸克无法从质子中逃逸出去。红黄蓝三色夸克组成无色态，强子都是无色的。一旦夸克可以从质子或强子中跑出来，自然界就会存在带色的粒子;带色的粒子引起真空的进一步极化，色荷之间的幽禁势是很大的，整个真空都带上了颜色，能量很高，导致真空爆炸。实际这些都没有发生，暗示自然界不存在游离的夸克，那么我们会问：夸克倒底是一个数学技巧还是一个物理实在？研究这一问题，是对夸克模型的考验。不过，现在因为已有了夸克存在的间接证据，物理学家相信夸克是应该的确存在的。夸克为什么要被幽禁起来，物理学家已提出了几个理论。有人提出口袋模型，如认为质子是一只受真空挤压的口袋，可将夸克束缚住而逃不出来[7-9]；有人提出了弦理论，认为夸克绑在弦的两端，而这条弦却难以断裂，即使一旦断裂，断裂处生成一对正反夸克，原来的强子碎裂为两个新的强子，从而自由的夸克从来不可能出现[10]；也有人说，既然胶子带色荷，胶子之间也会有色磁吸引力，从而色力线被拉紧呈平行状，就如一个带电电容器两板因为有平行的电力线因而彼此有吸引一样，夸克之间也有类似这种吸引力；格点规范理论的面积定律证明夸克之间有线性禁闭势存在[11]；90年代中期塞伯和威滕用他们发展的四维空间量子场论证明磁单极凝聚也会导致夸克幽禁[11]。关于夸克幽禁的理论有许多，正好说明了我们对强力的了解还不够充分。四、核子结构图象与核子衰变对介子谱的研究表明，夸克之间除了由于单胶子交换引起的色库仑力外，还有色禁闭力，其势是随距离线性增长的，正如上 面所说，虽然不清楚线性禁闭势的来源，但可以认为正是这个势导致了夸克幽禁。但是这一观点也许要受到挑战。因为用相对论性波动方程解介子能谱，发现在无穷远处波函数并不收敛至零，而是一个散射解。这意味着我们应探测到游离的夸克，但实际并不如此。那这些散射解是怎么产生的呢？原来禁闭势在无穷远处十分巨大，以致扰动真空导致正反夸克产生。实际没有测到这些产生的夸克，一个原因可能是大距离时夸克的质量也会变得十分巨大，远远超过了线性势，抑制了真空扰动产生正反夸克的能力。夸克质量会随距离增大而增大，可能可以用真空色电极化（导致真空带上颜色）来解释。真空色电极化使得色荷象滚雪球一样越来越大，夸克能量和质量也相应越来越大，浸在真空中的单一夸克质量巨大，真空没有足够的能量产生这些夸克，也许这最终导致了夸克幽禁。对于强子结构，现在对不同的能态用不同的理论模型来描述。基态质子和中子，可以用量子力学的薛定谔方程求解，强子质量主要由夸克承担；对于处于激发态的共振粒子，弦模型比较成功，该模型认为重子和介子的质量和自旋主要由弦（色力线管）提供[10]；对于更高能的强子激发态，由于真空色电极化十分强大，因而强子质量主要就是色电极化质量，夸克的质量和弦的质量十分微小。现在对处于不同能态的质子、中子结构还无法用一个统一的理论来描述。上面讨论的是质子中子及其共振态的静态性质，下面谈一下它们的衰变问题。原子核内的质子中子是稳定的，但自由的中子是不稳定的，寿命约为11分钟。中子的质量比质子略大一些，因而可以有足够的能量衰变为质子，并放出一个电子和一个电子型反中微子。在夸克水平上解释这一过程，实际上就是：中子内的一个下夸克（带-1/3e电荷）放出一个传递弱相互作用的中间玻色--子W，自身变成上夸克（带+2/3e电荷），W又衰变为一个电子和一个电子型反中微子。由于质子中子的重子数都为+1，轻子数为0，电子和电子型中微子的重子数为0，轻子数分别为+1和-1，所以这一过程重子数、轻子数都守恒。现在的粒子物理标准模型（量子电动力学、弱电统一理论[12]、量子色动力学）认为重子数是守恒的，质子已是最轻的重子，所以它不能再衰变为其他重子，它是永恒的。由于人们面遇的物质世界主要就是由重子组成的，所以很容易相信质子是永恒的。但是有一种理论却预言这种观念是不对的，质子会衰变成正电子和中性π介子，重子数和轻子数并不绝对守恒。这种理论是大统一理论[13-17]，它企图把强、弱、电相互作用统一起来，用一个耦合常数来描写。大统一理论包含着标准模型，但比标准模型来得更大，因而有更多的传递相互作用的规范玻色子。虽然这些规范玻色子是一种超弱场的量子，但质子中的下夸克却会释放这种规范玻色子，自身变成正电子，而质子内的一个上夸克吸收这个规范玻色子，变成上夸克 的反粒子（反上夸克），这个反上夸克与质子内的另一个上夸克结合成中性π介子。由于引起这种夸克—轻子转化的场十分弱，所以质子虽然要衰变，但衰变寿命是很长的，大约为一千万亿亿亿年，而我们的宇宙寿命也只有几百亿年，所以质子平均寿命比宇宙寿命长十万亿亿倍。在你一生当中，你体内的质子只能衰变零点几个，不必担心质子衰变会给我们的生活带来什么不便。质子衰变还只是一个理论预言，实验的证明还没有完全结束[16]。前面提到，质子中的点粒子是夸克，实际上它们还包括胶子和不断产生、湮灭的海夸克。过去认为质子自旋为1/2，是由三个夸克提供的，而如今的研究却不能支持这一观点，质子中的三个夸克的总角动量只占质子自旋的15%，而大部分自旋也许由胶子和海夸克承担。这被称为“质子自旋危机”，是个热门课题。五、简短总结虽然胶子的存在证据也有了，顶夸克存在的证据也在1995年找到了，但是对于强子结构的研究和自由夸克的探索还需走更长远的路。夸克幽禁的根本原因倒底是线性禁闭势的存在还是色电极化所致，夸克幽禁是暂时的还是永久的，值得继续研究。如果夸克是永久性禁闭的，强子永远是无色的，正应了一句话：“色即空，空即色。”孰是孰非，有待高能物理及其理论的继续发展。关于重子一介子族的质量差问题分享到：收藏推荐早在1932年,海森堡(Heisenberg)就曾提出〔1〕:质子和中子本是同一乖},粒子,只是它们的带电状态不同罢了。这一观点并为大家所公认。但从实质上讲,这一点是不正确的,因为,它在解释重子一介子族的质量差问题上遇到了困难。大家知道,重子族的同族粒子有一个质量差规律,这就是中性粒子的质量大于带正电粒子的质量,带负电粒子