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質子與中子數量的關系

生活 更新时间:2024-12-23 12:13:31

我們都知道物質多由原子構成,原子有原子核與核外電子,而原子核裡通常又有質子和中子。照理說大家各司其職、相安無事,但實際上物質世界卻不總是這麼簡單。萬物有其壽命,有時候也會發生一些變化,當條件合适時,中子會搖身一變成為質子,質子也能變為中子,這個時候物質的本身就會産生變化,成了完全不同的東西。

質子與中子的結構

最早,科學家告訴我們原子是這世界上最小的東西,它是組成一切物體的最小單位,不能再分。但現代物理學告訴我們,不僅原子可以分成質子中子與電子,連質子和中子都可以分成誇克這樣更小的粒子。這樣分來分去,使得量子世界變得豐富多彩起來。

質子與中子都是由誇克組成的,每個質子和中子裡都有三個誇克,誇克的不同決定了重子(質子和中子都屬于重子)的性質,它到底是質子呢,還是中子?

質子與中子數量的關系(談一談中子與質子的相互轉化)1

誇克的分類

質子由兩個上誇克和一個下誇克構成,中子由一個上誇克和兩個下誇克構成,在一個重子中單個誇克的顔色分配是任意的,但必須存在所有紅綠藍三種顔色。誇克之間的力量是由膠子介導,也就是說重子中的膠子負責傳遞力,将誇克們粘合在一起。

質子與中子數量的關系(談一談中子與質子的相互轉化)2

質子與中子的結構

由此我們可以看出,質子與中子的區别隻在于一個誇克,如果其中一個上誇克變成了下誇克,質子就變成了中子,反之亦然。

誇克的味道與顔色

細心的你一定從前一節發現了些什麼:誇克分了六種不同的類型,并且誇克還有不同的顔色!

誇克的六種不同類型通常稱為六種不同的“味道”(風味),這是粒子物理學标準模型對基本粒子分類的稱呼。六種味道的誇克質量各不相同,但大體上呈兩兩對應的關系:上對下,粲對奇,頂對底,而上、粲和頂誇克之間的質量相差巨大。

質子與中子數量的關系(談一談中子與質子的相互轉化)3

誇克質量對比,左下角灰色球代表質子,紅點代表電子

上、下誇克是所有誇克中質量最小的。上誇克與下誇克的質量差别不大,其中上誇克質量約為1.7~3.3(MeV/c²),下誇克為4.1~5.8(MeV/c²),下誇克比上誇克重中子有兩個下誇克,質子隻有一個下誇克,所以中子要比質子重一點點。

從上圖你可能發現,上下誇克的質量與質子的質量似乎也不成比例,事實的确如此:質子的質量大約是938(MeV/c²),但其中三個誇克加起來的質量卻隻有9.4(MeV/c²),多出來的那麼多質量從哪裡來的?答案是膠子,無論是質子還是中子,它們中的三個誇克都是泡在“膠子湯”裡,重子的質量主要來自于那一大鍋“湯”。這鍋“湯”其實是粒子間強相互作用力形成的粒子場,它主要由膠子提供。在量子物理中,膠子是矢量玻色子,與光子一樣屬于規範玻色子,它自身的質量為0。我們可以說膠子是無形的,它不是粒子,它是場。

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質子就像是一鍋湯,裡邊隻有三顆誇克湯圓

根據量子色動力學,誇克具有一種稱為“色電荷”的性質。顔色電荷有三種類型,通常将其标記為藍色綠色紅色。當三個不同顔色的誇克通過強相互作用力組合在一起時,就形成了“白色”的重子。事實上誇克們并不是真的有什麼顔色,根據不同電荷性質給它們标注上顔色是為了理論上方便研究和理解。

誇克的轉化

到目前為止物理學家們總共發現了六種味道的誇克,但其中四種大質量的誇克都是通過強子對撞機人造出來的,一般認為在宇宙中它們隻會出現在宇宙射線最強烈的地方,這些重誇克會迅速地衰變成質量較小的誇克。由于上誇克和下誇克的質量最小,所以這兩味誇克在宇宙中最穩定也最常見。

這不意味着輕的誇克就不會發生變化,由于下誇克比上誇克更重,所以下誇克還有進一步衰變成上誇克的趨勢。

在擁有兩個以上質子的原子核中,質子因為都擁有正電荷,它們互相的排斥力很大,這時候就需要中子來進行“中和”,質子和中子通過核力結合在一起。除了單質子氫原子之外,中子是原子核的穩定性所必需的因素。我們知道原子序數定義了原子的化學性質,它代表原子核裡的質子數量,中子數則決定了同位素或核素。當原子核中的質子數與中子數量相當時,原子核表現穩定,而那些中子數量過多的核素就會發生β衰變,中子會變成質子。這源于中子的下誇克發生了變化。

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中子的β衰變

當一個原子核中質子數量與中子數量不平衡,其中存在的弱相互作用力就會促使其中的某一個中子産生變化,它會使中子裡的一個下誇克改變其“味道”,衰變為一個同樣顔色的上誇克,同時發射一個W⁻玻色子來彌補質量虧損。W⁻玻色子并不穩定,它随即衰變為一個電子和一個反電子中微子。其結果是中子變成了質子,同時發射了一個電子和一個反電子中微子

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中子β衰變的費曼圖

中子與質子的轉化——β衰變與逆β衰變

一般情況下中子通過核力與原子核相互結合,有效地緩和質子之間的排斥力,起到穩定原子核的作用。隻要原子核内力的平衡關系不被打破,中子就會保持穩定,不會發生衰變。在自然界穩定的同位素中,中子的壽命非常長。

對于自由中子來說,情況就會發生改變。在原子核外的自由中子非常不穩定,它們的平均壽命僅為881.5±1.5s(約14分42秒),絕大多數的中子會衰變成質子、一個電子和一個反電子中微子,約有千分之一的中子還會發射γ射線,還有極少數(約百萬分之四)會發生“雙體(中子)衰變”,變成中性的氫原子。

前文提到,誇克的衰變是由高質量的下誇克向低質量的上誇克轉變,上誇克最穩定,所以擁有兩個上誇克的質子是宇宙中最穩定的重子,它的預測壽命可以長達10²⁹年。但這不意味着質子不能轉變為中子,質子轉變為中子的過程被稱為逆β衰變(IBD)。

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逆β衰變的費曼圖

當質子遭到一個反電子中微子的轟擊時,它會變成中子,并向外發射一個正電子。但這個條件非常苛刻,我們都知道中微子是最小的粒子,并且這個最小的粒子需要攜帶至少1.806MeV的動能(稱為阈值能量)準确轟擊質子時才能啟動IBD反應。由于正電子産生後會與附近的電子互相湮滅并發出閃光,因此逆β衰變可以被我們觀測到。當然,它是在人工狀态下通過極大量的實驗才能得到結果。

結論:

質子與中子都由誇克構成,誇克“味道”和數量的不同決定了一個重子到底是質子還是中子。

中子中有兩個下誇克和一個上誇克,質子中有一個下誇克和兩個上誇克。下誇克比上誇克重,因此下誇克比較容易衰變為上誇克。

當原子核内部質子與中子的比例失衡,其重子間的強力會發生變化,其弱力會誘發中子的下誇克發生衰變。當下誇克衰變為上誇克時,它會釋放W⁻玻色子,W⁻玻色子進一步衰變為一個電子和一個負電子中微子發射出來。這被稱為β衰變。

上誇克比下誇克輕,它不能自發轉化為下誇克,因此質子不能自動轉變為中子,隻有受到中微子的強大動能轟擊時,質子才能逆轉成為中子,并釋放一個正電子。要實現逆β衰變是很不容易的,你需要瞄得很準,并且射的力度足夠大才行。

質子與中子數量的關系(談一談中子與質子的相互轉化)8

β衰變與逆衰變其實就是一個誇克的變化

無論是β⁻衰變還是β⁺衰變都有其它的誘發方式,鑒于篇幅原因在這裡不多做介紹了。感謝你的閱讀與關注,歡迎你在評論區留言。

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