核子
在化學和物理學裏,核子(nucleon)是組成原子核的粒子。每個原子核都擁有至少一個核子,每個原子又是由原子核與圍繞原子核的一個或多個電子所組成。核子共有兩種:中子和質子。任意原子同位素的質量數就是其核子的總數。因此有時人們也會稱這個數字為「核子數」。
在1960年代之前,核子被認為是基本粒子,不是由更小的部份組成的。今天我們知道核子是複合粒子,由三個夸克經強相互作用綑綁在一起組成。兩個或多個核子之間的交互作用稱為核力,最終這也是強交互作用引起的。(在發現夸克之前,「強交互作用」一詞只用於核子間的交互作用。)
核子研究屬於粒子物理學和核物理學的交叉領域。粒子物理學,特別是量子色動力學,提供了解釋夸克及強交互作用屬性的公式。這些公式用定量方法解釋夸克是如何結合成為中子和質子(以及所有其他的強子)。然而,當多個核子組合為一個原子核(核素)時,這些基礎方程式變得非常難直接求解,必須使用核物理學的方法。核物理學利用近似法和模型來研究多個核子之間的交互作用,例如用核殼層模型。這些模型能夠準確解釋核素的屬性,比如哪些核素會進行核衰變等。
質子和中子都是重子和費米子。質子和中子特別相似,除了中子不帶有電荷以外,中子的質量比質子僅僅高0.1%,它們的質量非常相近,因此它們可以視為同樣核子的兩種狀態,共同組成了一個同位旋二重態(I = 1⁄2),在抽象的同位旋空間做旋轉變換,就可以從中子變換為質子,或從質子變換為中子。這兩個幾乎相同的核子都感受到相等的強相互作用,這意味著強相互作用對於同位旋空間旋轉變換具有不變性。按照諾特定理,對於強相互作用,同位旋守恆。[1]:129-130
概述
屬性
質子和中子是原子核的組成部份,也能夠在不組成原子的情況下單獨存在。獨立存在的質子就是氫-1(1H)的原子核。單獨的中子是不穩定的(見下),但可以在核反應中出現,並在科學分析範疇派上用場。
質子和中子均由三個夸克組成。質子由2個上夸克和1個下夸克組成,而中子則由1個上夸克和2個下夸克組成。強相互作用將這些夸克綑綁在一起。另一說法是,夸克是受膠子捆綁的,但實際上兩種說法是等同的(膠子傳遞強相互作用)。
每個上夸克的電荷為+2⁄3 e,而每個下夸克的電荷為−1⁄3 e,所以質子和中子的總電荷分別為+e和0。「中子」一詞便源自其電「中性」的屬性。
質子和中子的質量相當:質子的為×10−27 kg或 1.6726 MeV/c2,而中子的則為 938.27×10−27 kg或 1.6749 MeV/c2。中子相對較重大約0.1%。兩者質量的相近能夠通過 939.57粒子物理學中的上夸克和下夸克的質量差來解釋。[1]:135-136
質子和中子的自旋為1⁄2。這意味著它們是費米子而非玻色子,因此與電子一樣,它們也遵守包利不相容原理。這在核物理學中是非常:一個原子核中的中子和質子不能同時佔據相同的量子態,而是會分散開來形成核殼層,這和在化學裏電子形成電子殼層的原理相似。質子和中子自旋的重要性也在於,它是大原子核的核自旋的來源。核自旋的其一重要應用在於化學和生化分析中的核磁共振成像。
質子的磁矩,寫作μp,是 核磁子(μN),而中子的磁矩則為μn = 2.79 μN。這些參數在核磁共振成像中也是十分重要的。 −1.91
詳細屬性表
核子
粒子名 | 符號 | 含夸克 | 不變質量(MeV/c2) | 不變質量(u) | I3 | JP | Q(e) | 磁矩 | 平均寿命(s) | 一般衰變為 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
質子[PDG 1] | p / p+ / N+ |
u ud | 013±0.000023 938.272 | 27646677±0.00000000010 1.007 | +1⁄2 | 1⁄2+ | +1 | 847356±0.000000023 2.792 | 穩定 | 尚未觀察到 |
中子[PDG 2] | n / n0 / N0 |
udd | 346±0.000023 939.565 | 66491597±0.00000000043 1.008 | -1⁄2 | 1⁄2+ | 0 | 04273±0.00000045 −1.913 | ±0.008)×10+2 (8.857 | p
+ e− + ν e |
反質子 | p / p− / N− |
uud | 013±0.000023 938.272 | 27646677±0.00000000010 1.007 | -1⁄2 | 1⁄2+ | −1 | ±0.006 −2.793 | 穩定 | 尚未觀察到 |
反中子 | n / n0 / N0 |
udd | ±0.051 939.485 | 66491597±0.00000000043 1.008 | +1⁄2 | 1⁄2+ | 0 | ? | ±0.008)×10+2 (8.857 | p
+ e+ + ν e |
^a 質子和中子質量的準確度在用原子質量單位(u) 時比用MeV/c2時準確得多,因為基本電荷的準確度相對較低。此處用的對換關係為1 u = 028±0.000023 MeV/c2。 正反粒子的質量是假設相同的,至今沒有實驗能夠駁斥這一點。目前的實驗顯示,如果正反質子之間有質量上的差異的話,其出入小於 931.494×10−9 MeV/c2, 2[PDG 1]而正反中子的質量差異則小於±6)×10−5 MeV/c2。 (9[PDG 2]
試驗 | 公式 | 結果[PDG 1] |
---|---|---|
質量 | < ×10−9 2 | |
質荷比 | 99999991±0.00000000009 0.999 | |
質荷比偏差率 | ±9)×10−11 (−9 | |
電荷 | < ×10−9 2 | |
電子電荷 | <×10−21 1 | |
磁矩 | ±2.1)×10−3 (−0.1 |
^c 假設為自由中子;多數原子核中的中子都是穩定的。
核子共振
核子共振態指的是核子的激發態,一般對應於核子中某個夸克擁有反轉了的自旋態,或對應於該粒子衰變時的軌道角動量。下表只列出粒子數據組(PDG)評級為3或4星的共振態。由於半衰期極短,以下許多粒子的屬性仍在研究當中。
符號的格式為N(M) L2I2J,其中M為粒子質量的近似值,L為核子-介子對衰變時產生的軌道角動量,而I和J分別為粒子的同位旋及總角動量。由於核子的同位旋被定義為1⁄2,因此第一個數字必然為1,而第二個數字則永遠是奇數。在談到核子共振態的時候,有時會省略N,而且表達式順序會顛倒:L2I2J (M)。例如,質子的符號可以寫成"N(939) S11"或者"S11 (939)"。
下表只列出基共振態,每一欄代表4個重子:2個核子共振粒子,和2個它們的反粒子。每個共振態的存在形態可以是帶正電荷(Q)的,並含夸克uud,就像質子一樣;或者是電中性的,含夸克udd,就像中子一樣;又或者是兩種反粒子,分別含反夸克uud和udd。由於不含有奇夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克,這些粒子不具備奇異數、魅数、底数及頂數。下表只列出同位旋為1⁄2的共振態,具3⁄2同位旋的共振態請參看Δ粒子條目。
符號 | JP | 質量平均數 (MeV/c2) |
總寬度 (MeV/c2) |
極位置 (實數部分) |
極位置 (−2 × 虛數部分) |
通常衰變為 (Γi /Γ > 50%) |
---|---|---|---|---|---|---|
N(939) P11 [PDG 3]† |
1⁄2+ | 939 | † | † | † | † |
N(1440) P11 [PDG 4] 亦稱羅佩爾共振態 |
1⁄2+ | 1440 (1420–1470) |
300 (200–450) |
1365 (1350–1380) |
190 (160–220) |
N + π |
N(1520) D13 [PDG 5] |
3⁄2- | 1520 (1515–1525) |
115 (100–125) |
1510 (1505–1515) |
110 (105–120) |
N + π |
N(1535) S11 [PDG 6] |
1⁄2- | 1535 (1525–1545) |
150 (125–175) |
1510 1490 — 1530) |
170 (90–250) |
N
+ π
or N + η |
N(1650) S11 [PDG 7] |
1⁄2- | 1650 (1645–1670) |
165 (145–185) |
1665 (1640–1670) |
165 (150–180) |
N + π |
N(1675) D15 [PDG 8] |
5⁄2- | 1675 (1670–1680) |
150 (135–165) |
1660 (1655–1665) |
135 (125–150) |
N
+ π
+ π
or |
N(1680) F15 [PDG 9] |
5⁄2+ | 1685 (1680–1690) |
130 (120–140) |
1675 (1665–1680) |
120 (110–135) |
N + π |
N(1700) D13 [PDG 10] |
3⁄2- | 1700 (1650–1750) |
100 (50–150) |
1680 (1630–1730) |
100 (50–150) |
N + π + π |
N(1710) P11 [PDG 11] |
1⁄2+ | 1710 (1680–1740) |
100 (50–250) |
1720 (1670–1770) |
230 (80–380) |
N + π + π |
N(1720) P13 [PDG 12] |
3⁄2+ | 1720 (1700–1750) |
200 (150–300) |
1675 (1660–1690) |
115–275 | N
+ π
+ π
or |
N(2190) G17 [PDG 13] |
7⁄2- | 2190 (2100–2200) |
500 (300–700) |
2075 (2050–2100) |
450 (400–520) |
N + π (10—20%) |
N(2220) H19 [PDG 14] |
9⁄2+ | 2250 (2200–2300) |
400 (350–500) |
2170 (2130–2200) |
480 (400–560) |
N + π (10—20%) |
N(2250) G19 [PDG 15] |
9⁄2- | 2250 (2200–2350) |
500 (230–800) |
2200 (2150–2250) |
450 (350–550) |
N + π (5—15%) |
† P11(939)核子是普通質子或中子的激發態,如位於原子核裏的核子。這些粒子在原子核裏基本穩定,如鋰-6。
夸克模型分類
在具有SU(2)味的夸克模型裏,兩種核子是基態二重態的成員。質子的夸克組合為uud,而中子的夸克組合則為udd。在具有SU(3)味的模型中,它們是自旋為1⁄2重子形成的基態八重態的成員,稱為八重道。除了中子與質子以外,此八重態的其它成員都是超子。這包括奇異同位旋三重態Σ+
, Σ0
, Σ−
、Λ以及奇異同位旋二重態Ξ0
, Ξ−
。在具有SU(4)味(添入粲夸克)的模型中,這多重態還可以延伸至基態20重態。在具有SU(6)味(添入頂夸克和底夸克)的模型中,可以延伸至基態56重態。
延伸閱讀
- 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. . North-Holland Publishing. 1976. ISBN 0-7204-0335-9.
- Vepstas, L.; Jackson, A.D.; Goldhaber, A.S. . 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. . 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). . Journal of Physics G. 2011, 37 (7): 075021. Bibcode:2010JPhG...37g5021N. doi:10.1088/0954-3899/37/7A/075021.
參考資料
- Griffiths, David J., 2nd revised, WILEY-VCH, 2008, ISBN 978-3-527-40601-2
- Massam, T; Muller, Th.; Righini, B.; Schneegans, M.; Zichichi, A. . 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. . Phys. Rev. Lett. June 1965, 14 (24): 1003–1006. Bibcode:1965PhRvL..14.1003D. doi:10.1103/PhysRevLett.14.1003.
- R. Arsenescu; 等. . New Journal of Physics. 2003, 5: 1. Bibcode:2003NJPh....5....1A. doi:10.1088/1367-2630/5/1/301.
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