質(zhì)子、中子里面有什么？

河北省承德市營(yíng)子區(qū)教育局中學(xué)教研室 張學(xué)軍

通過學(xué)習(xí)我們已經(jīng)知道：原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的。或許有同學(xué)還會(huì)問：質(zhì)子和中子是否還有其內(nèi)部結(jié)構(gòu)呢？這個(gè)問題提得很好，對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的不斷探索是科學(xué)的重要任務(wù)，人類對(duì)微觀世界的探秘從來就沒有停止過。

微觀探索

上世紀(jì)30年代，理論物理學(xué)家認(rèn)為質(zhì)子、中子和電子等為數(shù)不多的幾種粒子，就是構(gòu)成物質(zhì)的最小單元，并將它們稱為“基本粒子”。進(jìn)入20世紀(jì)60年代后，隨著現(xiàn)代大型粒子加速器的建成、各種探測(cè)和分析儀器的出現(xiàn)、自動(dòng)處理數(shù)據(jù)的大型電子計(jì)算機(jī)的使用，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了π、k、Λ、Δ等一百多種其他粒子。人們不禁要問：基本粒子世界究竟有多少成員？科學(xué)家對(duì)此做了深入研究，按照每個(gè)基本粒子的質(zhì)量差異，把它們分為三大類：光子（媒介子）、輕子和強(qiáng)子（質(zhì)子、中子）。在眾多基本粒子的分類研究中，由于強(qiáng)子的數(shù)目最多、質(zhì)量最大，取材較為容易，觀測(cè)較為方便，因而人們對(duì)強(qiáng)子類基本粒子的研究最多，認(rèn)識(shí)最深。

模型建立

1961年，美國(guó)的侯世達(dá)用波長(zhǎng)為德布羅意波長(zhǎng)的電子轟擊質(zhì)子，結(jié)果發(fā)現(xiàn)質(zhì)子并不是一個(gè)幾何點(diǎn)，它有大小，半徑為10-15米，電荷就分布在這樣一個(gè)空間范圍內(nèi)。中子也有大小，半徑為10-15米。雖然中子不帶電，但在10-15米范圍內(nèi)電荷密度有正負(fù)。為了解釋強(qiáng)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，1964年默里·蓋爾曼預(yù)言了“夸克”的存在，并和喬治·茲韋格獨(dú)立提出了關(guān)于強(qiáng)子的“夸克模型”：強(qiáng)子都是由更基本的粒子夸克組成的，夸克有三種，每種都有它的反夸克。為了數(shù)學(xué)處理上的方便，夸克模型認(rèn)為三種夸克分別帶有分?jǐn)?shù)單位的電荷。據(jù)此，夸克模型較好地解釋了強(qiáng)子的規(guī)律性及其構(gòu)成：一個(gè)質(zhì)子由兩個(gè)上夸克[Up quark，簡(jiǎn)稱u，擁有+(2/3)e的電荷]和一個(gè)下夸克[Down quark，簡(jiǎn)稱d，電荷為-(1/3)e]構(gòu)成，一個(gè)中子由兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克構(gòu)成。即質(zhì)子和中子都是由3個(gè)夸克構(gòu)成的。1969年，在美國(guó)斯坦福實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)直線加速器上，物理學(xué)家們用一群電子轟擊質(zhì)子、中子一類的強(qiáng)子，希望看到這個(gè)微小世界中的名堂，結(jié)果證實(shí)了蓋爾曼預(yù)言的夸克。由于夸克模型的成功，蓋爾曼獲得了1969年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

“夸克”由來

“夸克”一詞是蓋爾曼取自詹姆斯·喬伊斯的小說《芬尼根徹夜祭》中的詞句“向麥克老人三呼夸克”。于是他把這些假設(shè)中的更基本粒子半開玩笑地命名為“夸克”，無非是指一個(gè)質(zhì)子中有三個(gè)夸克。他在一封信中說：“現(xiàn)在的所有強(qiáng)子，都可以用這三種夸克像搭積木一樣拼湊起來”。

永遠(yuǎn)在路上

到目前為止，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)存在六種不同的夸克，即 u、d、c、s、t、b，稱之為六種不同的“味道”。對(duì)強(qiáng)子結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)模型研究的一再成功已表明，夸克是強(qiáng)子世界的最基本組成部分。據(jù)此有人認(rèn)為，物質(zhì)是按“原子-原子核-強(qiáng)子-夸克”這樣的結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。盡管如此，也還存在一些懸而未決的問題，如夸克幽禁、質(zhì)子自旋危機(jī)、質(zhì)子衰變等，有待高能物理及其理論的繼續(xù)發(fā)展。另外，夸克里面還有什么呢？

期待在座的每位同學(xué)用今天的發(fā)奮學(xué)習(xí)，為明天新的探索與發(fā)現(xiàn)鋪平堅(jiān)實(shí)的道路。