❶ 物理學粒子的組成
世界上的物質形形色色，有好幾百萬種，它們是由什麼組成的呢？有很長一段時間，人們以為構成物質的最小微粒就是原子。
直至20世紀初，物理學家才發現原子並不是最小的「微粒」它是由原子核和電子組成的，而且原子核還可以分成更小的「小不點兒」。這些「小不點兒」都是原子世界的「居民」它們的種類很多。一開始人們只發現了電子、光子、質子和中子，後來又發現了正電子、中微子、介子、超子、變子等等，物理學家把它們統稱為「基本粒子」。
1972年，我國高能物理研究所雲南宇宙線觀測站，在宇宙線中發現了一種新的重質量荷電粒子。
1974年秋天，以美籍物理學家丁肇中教授為首的研究小組，發現了一種新的重光子，命名為 J粒子。
1979年，丁肇中教授又發現了一種新的重要的基本粒――膠子。
據統計，科學家已經發現了300多種基本粒子，科學家們把它們分成了四個大家族：
（1） 誇克家族。它一共包括6種不同類型的誇克，它們是組成原子核或亞核粒子的最小微粒。
（2） 輕子家族。它一共包括6種不同類型的輕子。我們熟悉的電子就是輕子家族的一員。
（3） 傳遞力的粒子家族。其中有傳遞強力或核力的膠子，傳遞電磁力的光子和傳遞弱力的中間玻色子和Z°粒子。
（4） 反粒子家族。它是指對於誇克和輕子中每一種粒子都有相對應的反粒子，反粒子的特點是與原粒子的質量相同，但所帶的電荷相反。
這些基本粒子，是不是物質世界「最基本」的微粒呢？科學家的回答是否定的，他們還在繼續探索，不久的將來，人們艱難個進入更小的微觀世界。
家福
❷ 物理和化學中，有許多「子」，如粒子，原子，電子，膠子等等。能不能把這些全列出來，再告訴我什麼意思。
物理學是研究自然界的物質結構，大到宇宙的結構，小到最微小的粒子結構，以及物質運動的最普遍最基本的規律的自然科學。自伽利略 —— 牛頓時代（17 世紀中葉）以來，特別是 19 世紀中葉以來，物理學已有了長足的發展。物理學的成就是現代高新技術的基礎。日益發展的近代技術為物理學的發展提出了新問題並准備了物質條件。下面簡要介紹現代物理學在物質的基本結構 —— 粒子 —— 的研究中所取得的認識。
粒子的發現與特徵
物質是由一些基本微粒組成的這種思想可以遠溯到古代希臘。當時德謨克利特（公元前 460 — 370 年）就認為物質都是由「原子」（古希臘語本意是「不可分」）組成的。中國古代也有認為自然界是由金木水火土 5 種元素組成的說法。但是物質是由原子組成的這一概念成為科學認識是遲至 19 世紀才確定的，當時認識到原子是化學反應所涉及的物質的最小基本單元。1897 年，湯姆遜發現了電子，它帶有負電，電量與一個氫離子所帶的電量相等。它的質量大約是氫原子質量的 1 / 1800，它存在於各種物質的原子中，這是人類發現的第一個更為基本的粒子。其後 1911 年盧瑟福通過實驗證實原子是由電子和原子核組成的。1932 年又確認了原子核是由帶正電的質子（即氫原子核）和不帶電的中子（它和質子的質量差不多相等）組成的。這種中子和質子也成了「基本粒子」。1932 年還發現了正電子，其質量和電子相同但帶有等量的正電荷。由於很難說它是由電子、質子或中子構成的，於是正電子也加入了「基本粒子」的行列。之後，人們製造了大能量的加速器來加速電子或質子，企圖用這些高能量的粒子作為炮彈轟開中子或質子來了解其內部結構，從而確認它們是否是「真正的基本粒子」。但是，令人驚奇的是在高能粒子轟擊下，中子或質子不但不破碎成更小的碎片，而且在劇烈的碰撞過程中還產生許多新的粒子，有些粒子的質量比質子的質量還要大，因而情況顯得更為復雜。後來通過類似的實驗（以及從宇宙射線中）又發現了幾百種不同的粒子。它們的質量不同、性質互異，且能相互轉化。這就很難說哪種粒子更基本。所以現在就把「基本」二字取消，統稱它們為粒子。本篇的題目仍用「基本粒子」，只具有習慣上的意義。
在粒子的研究中，發現描述粒子特徵所需的物理量隨著人們對粒子性質的認識逐步深入而增多。常見的這種物理量可以舉出以下幾個。
1、質量
粒子的質量是指它的靜止質量，在粒子物理學中常用 MeV / c2 作質量的單位。MeV 是能量的單位，1 MeV = 1.602 × 10-13 J 。由愛因斯坦質能公式 E = mc2 可以求得 1 MeV / c2 的質量為
1.602 × 10-13 / ( 3 × 108 )2 = 1.78 × 10-30 ( kg )
2、電荷
有的粒子帶正電，有的帶負電，有的不帶電。帶電粒子所帶電荷都是量子化的，即電荷的數值都是元電荷 e （既一個質子的電荷）的整數倍。因而粒子的電荷就用元電荷 e 作單位來度量
1e = 1.602 × 10-19 C
3、自旋
每個粒子都有自旋運動，好像永不停息地旋轉著的陀螺那樣。它們的自旋角動量（簡稱自旋）也是量子化的，通常用做單位來度量
1 = 1.05 × 10-34 J•s
有的粒子的自旋是 整數倍或零，有的則是 的半整數倍（如 1/2，3/2，5/2 倍）。
4、壽命
在已發現的數百種粒子中，除電子、質子和中微子以外，實驗確認它們都是不穩定的。它們都要在或長或短時間內衰變為其它粒子。粒子在衰變前平均存在的時間叫粒子的壽命。例如一個自由中子的壽命約 12min，有的粒子的壽命為 10-10s 或 10-14s ，很多粒子的壽命僅為 10-23s 甚至 10-25s 。
對各種粒子的研究比較發現，它們都是配成對的。配成對的粒子稱為正、反粒子。正、反粒子的一部分性質完全相同，另一部分性質完全相反。例如，電子和正電子就是一對正、反粒子，它們的質量和自旋完全相同，但它們的電荷和磁矩完全相反。又例如，中子和反中子也是一對正、反粒子，它們的質量、自旋、壽命完全相同，但它們的磁矩完全相反。有些正、反粒子的所有性質完全相同，因此就是同一種粒子。光子和 π0 介子就是兩種這樣的粒子。
2、粒子分類
粒子間的相互作用，按現代粒子理論的標准模型劃分，有 4 種基本的形式，即萬有引力、電磁力、強相互作用力和弱相互作用力。按現代理論，各種相互作用都分別由不同的粒子作為傳遞的媒介。光子是傳遞電磁作用的媒介，中間玻色子是傳遞弱相互作用的媒介，膠子是傳遞強相互作用的媒介。這些都已為實驗所證實。對於引力，現在還只能假定它是由一種「引力子」作為媒介的。由於這些粒子都是現代標准模型的「規范理論」中預言的粒子，所以這些粒子統稱為規范粒子。由於膠子共有 8 種，這些規范粒子就總共有 13 種。它們的已被實驗證實的特徵物理量如表 1 所示。
除規范粒子外，所有在實驗中已發現的粒子可以按照其是否參與強相互作用而分為兩大類：一類不參與強相互作用的稱為輕子，另一類參與強相互作用的稱為強子。
現在已發現的輕子有電子（e）， 子， 子（ ）及相應的中微子（ ve，vμ，vτ）。它們的特徵物理量如表 2 所示。在目前實驗誤差范圍內 3 種中微子的質量為零。但是由於這些實驗還不很精確，中微子的質量是否等於零，還有待於精確的實驗證實。
從表 2 中可以看出 子質量約是電子質量的 3500 倍，差不多是質子質量的兩倍。它實際上一點也不輕。這 6 種「輕子」都有自己的反粒子，所以實際上有 12 種輕子。 子和中微子雖然不是一般原子的組成部分，但在自然界中是大量存在的。宇宙射線在大氣高層能產生大量的 子和中微子，這些粒子就作為次級宇宙射線射向地球表面。太陽內部的核反應也產生大量的中微子，這些中微子也射向地球，並能穿過整個地球。天然的 子和中微子的射線都能穿過人體，但由於劑量很小，對人體並無傷害。
實驗上已發現的成百種粒子絕大部分是強子。強子又可按其自旋的不同分為兩大類：一類自旋為半整數，統稱為重子；另一類自旋為整數或零，統稱為介子。最早發現的重子是質子，最早發現的介子是 π 介子。π 介子的質量是電子質量的 270 倍，是質子質量的 1/7 ，介於二者之間。後來實驗上又發現了許多介子，其質量大於質子的質量甚至超過 10 倍。例如，丁肇中發現的 J/ψ 粒子的質量就是質子質量的 3 倍多。這樣，早年提出的名詞「重子」、「輕子」和「介子」等已經不合適，但由於習慣，仍然一直沿用到今天。表 3 列出了一些強子的特徵物理量。
3、粒子的轉化與守恆定律
研究種種粒子的行為時，發現的另一個重要事實是：沒有一種粒子是不生不滅、永恆不變的。在一定的條件下都能產生和消滅，都能相互轉化，毫無例外。例如，電子遇上正電子，就會雙雙消失而轉化為光子。反過來高能光子在原子核的庫侖場中又能轉化為一對電子和正電子（圖 1）。在缺中子同位素中，質子會轉化為中子而放出一個正電子和一個中微子。質子遇上反質子就會相互消滅而轉化為許多介子。π 介子和原子核相互碰撞，只要能量足夠高，就能轉化為一對質子和反質子。前面所提到的粒子衰變也是一種粒子轉化的方式。因此，產生和消滅是粒子相互作用過程中非常普通的現象。
實驗證明，在粒子的產生和消滅的各種反應過程中，有一些物理量是保持不變的。這些守恆量有能量、動量、角動量、電荷、還有輕子數、重子數、同位旋、奇異數、宇稱等。例如，對於中子衰變為質子的 β 衰變反應
n → p + e +
所涉及的粒子，中子 n 和反中微子 的電荷都是零，質子 p 的電荷為 1，電子 e 的電荷為 -1，顯然衰變前後電荷（的代數和）是守恆的。此反應中 n 和 p 的重子數都是 1，輕子數都是零，而 e 和 的重子數都是零，前者的輕子數為 1，後者的輕子數為 -1；也很容易看出這一衰變的前後的重子數輕子數也都是守恆的。同位旋、奇異數和宇稱等的概念比較抽象，此處不作介紹。但可以指出，它們有的只在強相互作用引起的反應（這種反應一般較快）中才守恆，而在弱相互作用或電磁相互作用引起的反應（這種反應一般的較慢）中不一定守恆。它們不是絕對的守恆量。
4、誇克
強子種類這樣多，很難想像它們都是「基本的」，它們很可能都有內部結構。前面已講過，利用高能粒子撞擊質子使之破碎的方法考查質子的結構是不成功的，但有些精確的實驗還是給出了一些質子結構的信息。1955 年，霍夫斯塔特曾用高能電子束測出了質子和中子的電荷和磁矩分布，這就顯示了它們有內部結構。1968 年，在斯坦福直線加速器實驗室中用能量很大的電子轟擊質子時，發現有時電子發生大角度的散射，這顯示質子中有某些硬核的存在。這正像當年盧瑟福在實驗中發現原子核的結構一樣，顯示質子或其它強子似乎都由一些更小的顆粒組成。
在用實驗探求質子的內部結構的同時，物理學家已經嘗試提出了強子由一些更基本的粒子組成的模型。這些理論中最成功的是1964 年蓋爾曼和茨威格提出的，他們認為所有的強子都由更小的稱為「誇克」（在中國有人叫做「層子」）的粒子所組成。將強子按其性質分類，發現強子形成一組一組的多重態，就像化學元素可以按照周期表形成一族一族一樣。從這種規律性質可以推斷：現在實驗上發現的強子都是由 6 種誇克以及相應的反誇克組成的。它們分別叫做上誇克 u，下誇克 d，粲誇克 c，奇異誇克 s，頂誇克 t，底誇克 b，它們的特徵物理量如表 4 所示。值得注意的是它們的自旋都是 1/2 而電荷量是元電荷 e 的 -1/3 或 2/3。
在強子中，重子都由 3 個誇克組成，而介子則由1個誇克和 1 個反誇克組成。例如，質子由 2 個 u 誇克和 1 個 d 誇克組成，中子由 2 個 d 誇克和 1 個 u 誇克組成，∑+ 粒子由 2 個 u 誇克和 1 個奇異誇克組成。而 π 介子由 1 個 u 誇克和 1 個反 d 誇克組成，J/ψ 粒子由正、反粲誇克（c， ）組成，等等。
用能量很大的粒子轟擊電子或其它輕子的實驗尚未發現輕子有任何內部結構。例如在一些實驗中曾用能量非常大的粒子束探測電子，這些粒子曾接近到離電子中心 10-18m 以內，也未發現電子有任何內部結構。
關於誇克的大小，現有實驗證明它們和輕子一樣，其半徑估計都小於 10-20m 。我們知道核或強子的大小比原子或分子的小 5 個數量級，即為 10-15m 。因此，誇克或輕子的大小比強子的還要小 5 個數量級。
5、色
自從誇克模型提出後，人們就曾用各種實驗方法，特別是利用它們具有分數電荷的特徵來尋找單個誇克，但至今這類實驗都沒有成功，好像誇克是被永久囚禁在強子中似的（因此之故，表 4 給出的誇克的質量都是根據強子的質量值用理論估計的處於束縛狀態的誇克的質量值）。這說明在強子內部，誇克之間存在著非常強的相互吸引力，這種相互作用力叫做「色」力。
對於強子內部誇克狀態的研究，使理論物理學家必須設想每一種誇克都可能有 3 種不同的狀態。由於原色有紅、綠、藍 3 種，所以將「色」字借用過來，說每種誇克都可以有三種「色」而被稱為紅誇克、綠誇克、藍誇克。「色」這種性質也是隱藏在強子內部的，所有強子都是「無色」的，因而必須認為每個強子都是由 3 種顏色的誇克等量地組成的。例如組成質子的 3 個誇克中，就有 1 個是紅的，1 個是綠的，1 個是藍的。色在誇克的相互作用的理論中起著十分重要的作用。誇克之間的吸引力隨著它們之間的距離的增大而增大，距離增大到強子的大小時，這吸引力就非常之大，以至不能把 2 個誇克分開。這就是目前對誇克囚禁現象的解釋。這種相互作用力就是色力，即兩個有色粒子之間的作用力。它是強相互作用力的基本形式。如果說萬有引力起源於質量，電磁力起源於電荷，那麼強相互作用力就起源於色。理論指出，色力是由被稱為膠子的粒子作為媒介傳遞的。
按以上的說法，由於 6 種誇克都有反粒子，還由於它們都可以有 3 種色，這樣就共有 36 種不同狀態的誇克。
除了誇克外，按照現在粒子理論的標准模型，為了實現電弱相互作用在低於 250GeV 的能量范圍內分解為電磁相互作用和弱相互作用，自然還應存在一種自旋為零的特殊粒子，稱為希格斯粒子。理論對於它的所有的相互作用性質和運動行為都有精確的描繪和預言，但對它的質量卻沒有給出任何預言。現在還未在實驗中發現這種粒子。從已有的實驗結果分析，希格斯粒子的質量應大於 58.4GeV /c2 。從實驗上去尋找希格斯粒子是當前粒子物理實驗研究的中心課題之一。
綜上所述，規范粒子共有 13 種，輕子共有 12 種，誇克共有 36 種，再加希格斯粒子就共有 62 種。按照現在對粒子世界結構規律的認識，根據標准模型，物質世界就是由這 62 種粒子構成的。這些粒子現在還談不上內部結構，可以稱之為「基本粒子」了。
但是，宇宙萬物就是僅由這 62 種粒子構成的嗎？為什麼有這么多種輕子和誇克？它們真的沒有內部結構嗎？有沒有真正的「基於粒子」？……還有許許多多的問題擺在理論的和實驗的粒子物理學面前有待研究、發現、解決。
6、粒子研究與技術
對粒子研究的進展是和粒子加速技術、探測技術以及實驗數據的獲取和處理技術的迅速發展分不開的。在瑞士和法國邊界上的歐洲核子研究中心（CERN）已經建成的質子反質子對撞機（在這種裝置中，兩個反向運動的高能粒子對撞比用一個高能粒子去轟擊靜止的靶粒子可以實現更劇烈的碰撞）的質心能量已經高達 2 × 270GeV 。這個對撞機中粒子在其中運行的超高真空環形管道的周長達 2.7km 。在這樣的管道中質子和反質子在對撞前要飛行超過冥王星軌道的直徑那樣長的路程而不丟失。發現 W+、W- 和 Z0 中間玻色子的兩個實驗中的一個實驗所用的探測器重達 2000t 。這樣高能量的質子和反質子相碰撞平均產生幾十個粒子，它們的徑跡和動量都要准確地測量（圖 2）。在約一億次碰撞過程中才有一次產生 W + 和 W - 粒子的事例。在約十億次碰撞過程中，才有一次產生 Z0 粒子的事例。這不僅需要非常靈敏和精確的探測技術，也需要非常強大和快速的數據獲取和處理能力。沒有自動控制、電子學、計算技術等等一系列高、精、尖技術的支持，就不可能有今天對粒子的認識。在許多情況下，工業所能提供的最高水平的技術還不足以滿足粒子物理實驗的要求，這又反過來促使工業技術的進一步發展。
我國 1988 年 10 月建成的北京正負電子對撞機（BEPC），設計能量為 2 × 2.8GeV 。它由注入器、束流輸運線和儲存環、探測器、同步輻射實驗區（見圖 3）四個部分組成。注入器是一台電子直線加速器。正、負電子在這里被加速到 1.1GeV ～1.4GeV 。正負電子束經輸運線的兩支分別沿相反方向注入儲存環。儲存環是由偏轉磁鐵、聚焦磁鐵、高頻腔、超高真空系統等組成的一個周長約 240m 的環（圖 4）。在環內正負電子由高頻腔供給能量而被加速到 2.2GeV ～ 2.8GeV 。正負電子束流在儲存環內繞行，可具有 5h ～ 6h 的壽命。探測器安裝在對撞點附近，它能記錄、分析對撞時產生的粒子的種類、數目、飛行時間、動量、能量等數據，探測立體角接近 4π。同步輻射是電子在儲存環中做曲線運動時沿切線方向向前發出的電磁波。BEPC 的同步輻射在紫外和軟 X 光范圍，可用於生物物理、固體物理、表面物理、計量標准、光刻和醫學等方面。
為了更深入地研究粒子的結構和它們之間的相互作用，現在正在興建、設計和研究能量更高的粒子加速器。例如，美國費米實驗室的 1TeV 的質子加速器將改建升級為 2TeV 的質子反質子對撞機。歐洲核子研究中心正在建造 14TeV 的質子質子對撞機。美國、日本和德國正研究設計能量為 1.5TeV 和 2.0TeV 的正負電子直線對撞機。4TeV 的正負μ子對撞機和電子直線對撞機也在研究中。我們期望這些高能加速器的建成能發現更多的新粒子與新現象，使人們對自然界的認識更加深入。
❸ 質子中子是什麼意思
質子和中子是在原子的原子核內含有的2種粒子，這兩種粒子又各自含有更小的粒子，叫做誇克，換句話說，質子和中子是由誇克組成的，而原子的組成離不開質子和中子，質子帶點，但它帶的電和電子帶的電是不同的，質子帶的是正電荷，而電子則帶的是負電荷，另外，中子是不帶電的。例如氧原子的原子核有8個質子，8個中子，整個原子核被強大的力量維系在一起。
❹ 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。
❺ 物理學中有多少種"子"比如說:原子,中子等.
很不幸，沒有人能一一列舉出來。
分類的標准有很多，而且不同的分類法的結果又互相有交叉！
還要注意，一種東西可能有多種叫法哦~
例如：
1.可以按照不同的組成層次來說：
（……）
——>分子、原子級別
——>核子級別 & 電子級別
——>部分子——>（……）（不知道）
2.也可以按參與的相互作用的類型來說：
輕子、強子、介子、媒介子（包括光子、引力子、……）
瞬子、……
3.按質量、電荷等參量來分
重子、超子、……
4.按統計性質
玻色子、費米子、任意子
5.……
很龐大的體系！
物理學的任務之一就是發現各種「子」之間的聯系和作用規律。