『壹』 什麼是質子,什麼是中子
質子、中子里有些什麼
一、 質子、中子不是點狀粒子
對於物質結構的探索是科學的重要任務，自從有人類出現， 這種探索從來沒有停止過。在19 世紀，人們逐漸弄清楚物質是 由分子原子構成的。1932年查德威克發現了中子，人們認識到原 子核應由質子和中子構成。人們對物質結構的研究就如剝筍一樣 層層盤剝下去，每一個層次的發現，都是對物質結構認識的深化。 在原子核層次下面，質子和中子是否還有其內部結構呢？
質子和中子不是點粒子，它們都具有內部結構。在30年代， 理論物理學家認為作為核子的質子和中子是基本粒子，應該象點 粒子，根據狄拉克的相對論性波動方程，質子的磁矩是一個單位 核磁子，中子由於不帶電，因而磁矩是零。但出乎意料的是，實 驗家斯特恩測得的質子磁矩卻為5.6個單位核磁子，中子磁矩也不 是零，而是-3.82個單位核磁子，與點粒子理論相悖。這些都清楚地 說明質子、中子並不是我們想像的那樣簡單，它們可能是具有內 部結構的。60年代，霍夫斯塔特等人用高能電子轟擊核子，證明 核子電荷呈彌散分布，核子的確具有內部結構[1]。既然核子並 不是點粒子，那麼其內部的物質是怎樣分布的呢？也許有三種情 形：或者核子內有一個硬核，核子象一枚桃子；或有許多顆粒， 象石榴一樣有許多子；或沒有顆粒，疏鬆如棉絮狀。具體屬哪一 種情形，要靠深度非彈性散射實驗來作進一步決定。
深度非彈性散射實驗指用極高能電子去撞擊質子或中子，使 後者激發到一個個分立的能級即共振態，甚至達到使π介子離化 出來的連續激發態。非彈性散射實驗會改變質子、中子的靜止質 量。實驗表明，質子、中子內部有一個個點狀的准自由的粒子， 它們攜帶有一定動量和角動量。那麼質子、中子內的這些點狀粒 子是什麼呢？具有些什麼性質？
二、 誇克模型
1964年，美國科學家蓋爾曼（見右上圖）提出了關於強子結 構的誇克模型。強子是粒子分類系統的一個概念，質子、中子都 屬於強子這一類。「誇克」一詞原指一種德國乳酪或海鷗的叫聲。 蓋爾曼當初提出這個模型時，並不企求能被物理學家承認，因而 它就用了這個幽默的詞 。誇克也是一種費米子，即有自旋1/2 。 因為質子中子的自旋為1/2，那麼三個誇克，如果兩個自旋向上， 一個自旋向下，就可以組成自旋為1/2的質子、中子。兩個正反 誇克可宰槌勺孕����牧W櫻��淺莆�樽櫻�紱薪樽印? J/ψ子，後者由丁肇中等人於1974年發現，它實際上是由粲誇克 和反粲誇克組成的誇克對。凡是由三個誇克組成的粒子稱為重子， 重子和介子統稱強子，因為它們都參與強相互作用，故有此名。 原子核中質子間的電斥力十分強，可是原子核照樣能夠穩定存在， 就是由於強相互作用力（核力）將核子們束縛住的。由誇克模型， 誇克是帶分數電荷的，每個誇克帶+2/3e或-1/3e電荷（e為質子 電荷單位）。現代粒子物理學認為，誇克共有6種（味道），分 別稱為上誇克、下誇克、奇誇克、粲誇克、頂誇克、底誇克，它 們組成了所有的強子，如一個質子由兩個上誇克和一個下誇克組 成，一個中子由兩個下誇克和一個上誇克組成，則上誇克帶 +2/3e電荷，下誇克帶-1/3e電荷。上、下誇克的質量略微不同。 中子的質量比質子的質量略大一點點，過去認為可能是由於中子、 質子的帶電量不同造成的，現在看來，這應歸於下誇克質量比上 誇克質量略大一點點。
質子和中子的組成：一個質子由兩個上誇克和一個下誇克 組成，一個中子由兩個下誇克和一個上誇克組成
雖然誇克模型當時取得了許多成功，但也遇到了一些麻煩， 如重子的誇克結構理論認為，象Ω-和Δ++這樣的重子可以由三個 相同誇克組成，且都處於基態，自旋方向相同，這種在同一能級 上存在有三個全同粒子的現象是違反泡利不相容原理的。泡利不 相容原理說的是兩個費米子是不能處於相同的狀態中的。誇克的 自旋為半整數，是費米子，當然是不能違反泡利原理的。但物理 學家自有辦法，你不是說三個誇克全同嗎？那我給它們來個編號 或著上「顏色」（紅、黃、藍），那三個誇克不就不全同了，從 而不再違反泡利原理了。的確，在1964年，格林伯格引入了誇克 的這一種自由度——「顏色」的概念。當然這里的「顏色」並不 是視覺感受到的顏色，它是一種新引入的自由度的代名詞，與電 子帶電荷相類似，誇克帶顏色荷。這樣一來，每味誇克就有三種 顏色，誇克的種類一下子由原來的6種擴展到18種，再加上它們 的反粒子，那麼自然界一共有36種誇克，它們和輕子（如電子、 μ子、τ子及其相應的中微子）、規范粒子（如光子、三個傳遞控 制誇克輕子衰變的弱相互作用的中間玻色子、八個傳遞強（色） 相互作用的膠子）一起組成了大千世界。誇克具有顏色自由度的 理論得到了不少實驗的支持，在70年代發展成為強相互作用的重 要理論——量子色動力學。
三、量子色動力學及其特點
「量子色動力學」這一名稱聽起來有點可怕，念起來有點拗 口，應該這樣念：量子/色/動力學。這個理論認為，誇克是帶有 色荷的，膠子場是誇克間發生相互作用的媒介。這不禁讓我們想 起電子是帶有電荷的，傳遞電子間相互作用的媒介是電磁場（光 子場）。的確，關於電荷的動力學我們早已有了，它叫「量子電 動力學」，發展於三四十年代。一般讀者對電磁相互作用都有點 熟悉，因此就以它為例來理解質子中子內的色相互作用。電磁場 的麥克斯韋方程的量子化就是量子電動力學，具體地說，量子電 動力學就是研究電子和光子的量子碰撞（即散射）的，自然，量 子色動力學是研究誇克和膠子的量子碰撞的。
膠子是色場的量子，就象光子是電磁場的量子一樣。膠子 和光子都是質量為0、孕�?、傳遞相互作用的媒介粒子，都屬 於規范粒子。兩個電子發生相互作用是靠傳遞一個虛光子而發生 的（虛光子只在相互作用中間過程產生，其能量和動量不成正比， 不能獨立存在，在產生後瞬時就湮滅。由相對論知道，自由運動 的電子不能發射實光子，但可以發射虛光子。給予我們光明和熱 能的是實光子，它的能量和動量成正比，脫離源後，能獨立存 在），自然，兩個誇克發生相互作用是靠傳遞一個虛膠子而發生 的。虛膠子攜帶著一個誇克的部分能量和動量，交給另一個誇克， 於是兩個誇克就以膠子為紐帶發生了相互作用。看到這里，我們 會說，不是重復了一下嗎？量子色動力學可以由量子電動力學依 葫蘆畫瓢建立起來，真是太容易了！不過實際上沒有這么簡單。 按群論的語言講，電磁場是U（1）規范場，是一種阿貝爾規范場， 群元可以交換，而膠子場是SU(3)規范場，是一種非阿貝爾規范 場，群元不可以交換。一般來說，「非」總比「不非」要麻煩得 多。電荷只有一種，而色荷卻有三種（紅、黃、藍）；U(1)群的 生成元只有一個，就是1，所以光子只有一種，而SU(3)群有八個 生成元，一個生成元對應一種膠子，所以膠子共有八種；光子不 帶電荷，而膠子場由於是非阿貝爾規范場，場方程具有非線性項， 體現了膠子的自相互作用，因而膠子也帶色荷，誇克發射帶色的 膠子，自身改變顏色。所以膠子場比電磁場復雜，因而出現了許 多不同尋常的現象和性質，其中最重要的恐怕要數「漸近自由」 [2-3]和「誇克幽禁」[4-6]了。
「漸近自由」說的是兩個誇克之間距離很小時，耦合常數也 會變得很小，以致誇克可以看成是近自由的。耦合常數變小是由 於真空的反色屏蔽效應引起的。真空中的誇克會使真空極化（即 它使真空帶上顏色），誇克與周圍真空的相互作用導致由真空極 化產生的虛膠子和正反虛誇克的極化分布，最終效果使誇克色荷 變大，這稱為色的反屏蔽效應（對於電荷，剛好相反，由於真空 極化導致電荷吸引反號電荷的虛粒子，所以總電荷減少，這稱為 電的屏蔽效應。與它作比較，色的反屏蔽效應這一術語由此而 來）。由於這一效應，在離誇克較小距離上看來，大距離的誇克 比它帶的色荷多，所以小距離上強作用相對而言變弱了，這就是 所謂「漸近自由」。漸近自由是量子色動力學的一項重要成果， 它使得高能色動力學可以用微擾理論計算。但是在低能情形或者 說大距離情形，由於耦合常數變強及存在幽禁力，計算變得困難。
量子色動力學可以預言小距離的「漸近自由」，但是對大距 離的「誇克幽禁」，量子色動力學就無法預言了，這是量子色動 力學的困難。
「誇克幽禁」說的是誇克無法從質子中逃逸出去。紅黃藍三 色誇克組成無色態，強子都是無色的。一旦誇克可以從質子或強 子中跑出來，自然界就會存在帶色的粒子;帶色的粒子引起真空 的進一步極化，色荷之間的幽禁勢是很大的，整個真空都帶上了 顏色，能量很高，導致真空爆炸。實際這些都沒有發生，暗示自 然界不存在游離的誇克，那麼我們會問：誇克倒底是一個數學技 巧還是一個物理實在？研究這一問題，是對誇克模型的考驗。不 過，現在因為已有了誇克存在的間接證據，物理學家相信誇克是 應該的確存在的。誇克為什麼要被幽禁起來，物理學家已提出了 幾個理論。有人提出口袋模型，如認為質子是一隻受真空擠壓的 口袋，可將誇克束縛住而逃不出來[7-9]；有人提出了弦理論， 認為誇克綁在弦的兩端，而這條弦卻難以斷裂，即使一旦斷裂， 斷裂處生成一對正反誇克，原來的強子碎裂為兩個新的強子，從 而自由的誇克從來不可能出現[10]；也有人說，既然膠子帶色荷， 膠子之間也會有色磁吸引力，從而色力線被拉緊呈平行狀，就如 一個帶電電容器兩板因為有平行的電力線因而彼此有吸引一樣， 誇克之間也有類似這種吸引力；格點規范理論的面積定律證明誇 克之間有線性禁閉勢存在[11]；90年代中期塞伯和威滕用他們發 展的四維空間量子場論證明磁單極凝聚也會導致誇克幽禁[11]。 關於誇克幽禁的理論有許多，正好說明了我們對強力的了解還不 夠充分。
四、 核子結構圖象與核子衰變
對介子譜的研究表明，誇克之間除了由於單膠子交換引起的 色庫侖力外，還有色禁閉力，其勢是隨距離線性增長的，正如上 面所說，雖然不清楚線性禁閉勢的來源，但可以認為正是這個勢 導致了誇克幽禁。但是這一觀點也許要受到挑戰。因為用相對論 性波動方程解介子能譜，發現在無窮遠處波函數並不收斂至零， 而是一個散射解。這意味著我們應探測到游離的誇克，但實際並 不如此。那這些散射解是怎麼產生的呢？原來禁閉勢在無窮遠處 十分巨大，以致擾動真空導致正反誇克產生。實際沒有測到這些 產生的誇克，一個原因可能是大距離時誇克的質量也會變得十分 巨大，遠遠超過了線性勢，抑制了真空擾動產生正反誇克的能力。 誇克質量會隨距離增大而增大，可能可以用真空色電極化（導致 真空帶上顏色）來解釋。真空色電極化使得色荷象滾雪球一樣越 來越大，誇克能量和質量也相應越來越大，浸在真空中的單一誇 克質量巨大，真空沒有足夠的能量產生這些誇克，也許這最終導 致了誇克幽禁。
對於強子結構，現在對不同的能態用不同的理論模型來描述。 基態質子和中子，可以用量子力學的薛定諤方程求解，強子質量 主要由誇克承擔；對於處於激發態的共振粒子，弦模型比較成功， 該模型認為重子和介子的質量和自旋主要由弦（色力線管）提供 [10]；對於更高能的強子激發態，由於真空色電極化十分強大， 因而強子質量主要就是色電極化質量，誇克的質量和弦的質量十 分微小。現在對處於不同能態的質子、中子結構還無法用一個統 一的理論來描述。
上面討論的是質子中子及其共振態的靜態性質，下面談一下 它們的衰變問題。原子核內的質子中子是穩定的，但自由的中子 是不穩定的，壽命約為11分鍾。中子的質量比質子略大一些，因 而可以有足夠的能量衰變為質子，並放出一個電子和一個電子型 反中微子。在誇克水平上解釋這一過程，實際上就是：中子內的 一個下誇克（帶-1/3e電荷）放出一個傳遞弱相互作用的中間玻色 子W- ，自身變成上誇克（帶+2/3e電荷），W-又衰變為一個電子 和一個電子型反中微子。由於質子中子的重子數都為+1，輕子數 為0，電子和電子型中微子的重子數為0，輕子數分別為+1和-1， 所以這一過程重子數、輕子數都守恆。現在的粒子物理標准模型 （量子電動力學、弱電統一理論[12]、量子色動力學）認為重子 數是守恆的，質子已是最輕的重子，所以它不能再衰變為其他重 子，它是永恆的。由於人們面遇的物質世界主要就是由重子組成 的，所以很容易相信質子是永恆的。但是有一種理論卻預言這種 觀念是不對的，質子會衰變成正電子和中性π介子，重子數和輕 子數並不絕對守恆。這種理論是大統一理論[13-17]，它企圖把 強、弱、電相互作用統一起來，用一個耦合常數來描寫。大統一 理論包含著標准模型，但比標准模型來得更大，因而有更多的傳 遞相互作用的規范玻色子。雖然這些規范玻色子是一種超弱場的 量子，但質子中的下誇克卻會釋放這種規范玻色子，自身變成正 電子，而質子內的一個上誇克吸收這個規范玻色子，變成上誇克 的反粒子（反上誇克），這個反上誇克與質子內的另一個上誇克 結合成中性π介子。由於引起這種誇克—輕子轉化的場十分弱， 所以質子雖然要衰變，但衰變壽命是很長的，大約為一千萬億億 億年，而我們的宇宙壽命也只有幾百億年，所以質子平均壽命比 宇宙壽命長十萬億億倍。在你一生當中，你體內的質子只能衰變 零點幾個，不必擔心質子衰變會給我們的生活帶來什麼不便。質 子衰變還只是一個理論預言，實驗的證明還沒有完全結束[16]。
前面提到，質子中的點粒子是誇克，實際上它們還包括膠子 和不斷產生、湮滅的海誇克。過去認為質子自旋為1/2，是由三個 誇克提供的，而如今的研究卻不能支持這一觀點，質子中的三個 誇克的總角動量只佔質子自旋的15%，而大部分自旋也許由膠子 和海誇克承擔。這被稱為「質子自旋危機」，是個熱門課題。
五、 簡短總結
雖然膠子的存在證據也有了，頂誇克存在的證據也在1995年 找到了，但是對於強子結構的研究和自由誇克的探索還需走更長 遠的路。誇克幽禁的根本原因倒底是線性禁閉勢的存在還是色電 極化所致，誇克幽禁是暫時的還是永久的，值得繼續研究。如果 誇克是永久性禁閉的，強子永遠是無色的，正應了一句話：「色 即空，空即色。」孰是孰非，有待高能物理及其理論的繼續發展。
『貳』 什麼是質子數
質子數（Proton number）就是質子的數量，質子數的計算轉換方法是：質子數=核電荷數=核外電子數=原子序數；質子數+中子數≈相對原子質量。
原子中的三等式：核電荷數=質子數=核外電子數=原子序數
質子數+中子數≈相對原子質量
一個原子是由原子核和核外電子所組成
質子數（Z）=陽離子的核外電子數+陽離子的電荷數
質子數（Z）=陰離子的核外電子數-陰離子的電荷數
質量數（A）=質子數（Z）+中子數（N）
『叄』 什麼是質子什麼是原子兩者怎麼區分
原子是原子核和圍繞在核外的電子組成的（好比太陽系，太陽比作原子核，電子比作九大行星，這樣類比不科學，但是，有一定相似處，要有量子力學的知識才能很好的解釋）
原子核是由質子和中子組成，中子不帶電，質子帶正電，可見，原子核表現出來的帶正電是由質子決定的。所以，質子帶電總電量和電子總電量等量。
一個質子和一個電子帶電量也是相同的。所以，也可以說質子帶電為元電荷。
由此，一個分子的電子的個數應該和質子數相同。