❶ 物理学粒子的组成
世界上的物质形形色色，有好几百万种，它们是由什么组成的呢？有很长一段时间，人们以为构成物质的最小微粒就是原子。
直至20世纪初，物理学家才发现原子并不是最小的“微粒”它是由原子核和电子组成的，而且原子核还可以分成更小的“小不点儿”。这些“小不点儿”都是原子世界的“居民”它们的种类很多。一开始人们只发现了电子、光子、质子和中子，后来又发现了正电子、中微子、介子、超子、变子等等，物理学家把它们统称为“基本粒子”。
1972年，我国高能物理研究所云南宇宙线观测站，在宇宙线中发现了一种新的重质量荷电粒子。
1974年秋天，以美籍物理学家丁肇中教授为首的研究小组，发现了一种新的重光子，命名为 J粒子。
1979年，丁肇中教授又发现了一种新的重要的基本粒――胶子。
据统计，科学家已经发现了300多种基本粒子，科学家们把它们分成了四个大家族：
（1） 夸克家族。它一共包括6种不同类型的夸克，它们是组成原子核或亚核粒子的最小微粒。
（2） 轻子家族。它一共包括6种不同类型的轻子。我们熟悉的电子就是轻子家族的一员。
（3） 传递力的粒子家族。其中有传递强力或核力的胶子，传递电磁力的光子和传递弱力的中间玻色子和Z°粒子。
（4） 反粒子家族。它是指对于夸克和轻子中每一种粒子都有相对应的反粒子，反粒子的特点是与原粒子的质量相同，但所带的电荷相反。
这些基本粒子，是不是物质世界“最基本”的微粒呢？科学家的回答是否定的，他们还在继续探索，不久的将来，人们艰难个进入更小的微观世界。
家福
❷ 物理和化学中，有许多“子”，如粒子，原子，电子，胶子等等。能不能把这些全列出来，再告诉我什么意思。
物理学是研究自然界的物质结构，大到宇宙的结构，小到最微小的粒子结构，以及物质运动的最普遍最基本的规律的自然科学。自伽利略 —— 牛顿时代（17 世纪中叶）以来，特别是 19 世纪中叶以来，物理学已有了长足的发展。物理学的成就是现代高新技术的基础。日益发展的近代技术为物理学的发展提出了新问题并准备了物质条件。下面简要介绍现代物理学在物质的基本结构 —— 粒子 —— 的研究中所取得的认识。
粒子的发现与特征
物质是由一些基本微粒组成的这种思想可以远溯到古代希腊。当时德谟克利特（公元前 460 — 370 年）就认为物质都是由“原子”（古希腊语本意是“不可分”）组成的。中国古代也有认为自然界是由金木水火土 5 种元素组成的说法。但是物质是由原子组成的这一概念成为科学认识是迟至 19 世纪才确定的，当时认识到原子是化学反应所涉及的物质的最小基本单元。1897 年，汤姆逊发现了电子，它带有负电，电量与一个氢离子所带的电量相等。它的质量大约是氢原子质量的 1 / 1800，它存在于各种物质的原子中，这是人类发现的第一个更为基本的粒子。其后 1911 年卢瑟福通过实验证实原子是由电子和原子核组成的。1932 年又确认了原子核是由带正电的质子（即氢原子核）和不带电的中子（它和质子的质量差不多相等）组成的。这种中子和质子也成了“基本粒子”。1932 年还发现了正电子，其质量和电子相同但带有等量的正电荷。由于很难说它是由电子、质子或中子构成的，于是正电子也加入了“基本粒子”的行列。之后，人们制造了大能量的加速器来加速电子或质子，企图用这些高能量的粒子作为炮弹轰开中子或质子来了解其内部结构，从而确认它们是否是“真正的基本粒子”。但是，令人惊奇的是在高能粒子轰击下，中子或质子不但不破碎成更小的碎片，而且在剧烈的碰撞过程中还产生许多新的粒子，有些粒子的质量比质子的质量还要大，因而情况显得更为复杂。后来通过类似的实验（以及从宇宙射线中）又发现了几百种不同的粒子。它们的质量不同、性质互异，且能相互转化。这就很难说哪种粒子更基本。所以现在就把“基本”二字取消，统称它们为粒子。本篇的题目仍用“基本粒子”，只具有习惯上的意义。
在粒子的研究中，发现描述粒子特征所需的物理量随着人们对粒子性质的认识逐步深入而增多。常见的这种物理量可以举出以下几个。
1、质量
粒子的质量是指它的静止质量，在粒子物理学中常用 MeV / c2 作质量的单位。MeV 是能量的单位，1 MeV = 1.602 × 10-13 J 。由爱因斯坦质能公式 E = mc2 可以求得 1 MeV / c2 的质量为
1.602 × 10-13 / ( 3 × 108 )2 = 1.78 × 10-30 ( kg )
2、电荷
有的粒子带正电，有的带负电，有的不带电。带电粒子所带电荷都是量子化的，即电荷的数值都是元电荷 e （既一个质子的电荷）的整数倍。因而粒子的电荷就用元电荷 e 作单位来度量
1e = 1.602 × 10-19 C
3、自旋
每个粒子都有自旋运动，好像永不停息地旋转着的陀螺那样。它们的自旋角动量（简称自旋）也是量子化的，通常用做单位来度量
1 = 1.05 × 10-34 J•s
有的粒子的自旋是 整数倍或零，有的则是 的半整数倍（如 1/2，3/2，5/2 倍）。
4、寿命
在已发现的数百种粒子中，除电子、质子和中微子以外，实验确认它们都是不稳定的。它们都要在或长或短时间内衰变为其它粒子。粒子在衰变前平均存在的时间叫粒子的寿命。例如一个自由中子的寿命约 12min，有的粒子的寿命为 10-10s 或 10-14s ，很多粒子的寿命仅为 10-23s 甚至 10-25s 。
对各种粒子的研究比较发现，它们都是配成对的。配成对的粒子称为正、反粒子。正、反粒子的一部分性质完全相同，另一部分性质完全相反。例如，电子和正电子就是一对正、反粒子，它们的质量和自旋完全相同，但它们的电荷和磁矩完全相反。又例如，中子和反中子也是一对正、反粒子，它们的质量、自旋、寿命完全相同，但它们的磁矩完全相反。有些正、反粒子的所有性质完全相同，因此就是同一种粒子。光子和 π0 介子就是两种这样的粒子。
2、粒子分类
粒子间的相互作用，按现代粒子理论的标准模型划分，有 4 种基本的形式，即万有引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。按现代理论，各种相互作用都分别由不同的粒子作为传递的媒介。光子是传递电磁作用的媒介，中间玻色子是传递弱相互作用的媒介，胶子是传递强相互作用的媒介。这些都已为实验所证实。对于引力，现在还只能假定它是由一种“引力子”作为媒介的。由于这些粒子都是现代标准模型的“规范理论”中预言的粒子，所以这些粒子统称为规范粒子。由于胶子共有 8 种，这些规范粒子就总共有 13 种。它们的已被实验证实的特征物理量如表 1 所示。
除规范粒子外，所有在实验中已发现的粒子可以按照其是否参与强相互作用而分为两大类：一类不参与强相互作用的称为轻子，另一类参与强相互作用的称为强子。
现在已发现的轻子有电子（e）， 子， 子（ ）及相应的中微子（ ve，vμ，vτ）。它们的特征物理量如表 2 所示。在目前实验误差范围内 3 种中微子的质量为零。但是由于这些实验还不很精确，中微子的质量是否等于零，还有待于精确的实验证实。
从表 2 中可以看出 子质量约是电子质量的 3500 倍，差不多是质子质量的两倍。它实际上一点也不轻。这 6 种“轻子”都有自己的反粒子，所以实际上有 12 种轻子。 子和中微子虽然不是一般原子的组成部分，但在自然界中是大量存在的。宇宙射线在大气高层能产生大量的 子和中微子，这些粒子就作为次级宇宙射线射向地球表面。太阳内部的核反应也产生大量的中微子，这些中微子也射向地球，并能穿过整个地球。天然的 子和中微子的射线都能穿过人体，但由于剂量很小，对人体并无伤害。
实验上已发现的成百种粒子绝大部分是强子。强子又可按其自旋的不同分为两大类：一类自旋为半整数，统称为重子；另一类自旋为整数或零，统称为介子。最早发现的重子是质子，最早发现的介子是 π 介子。π 介子的质量是电子质量的 270 倍，是质子质量的 1/7 ，介于二者之间。后来实验上又发现了许多介子，其质量大于质子的质量甚至超过 10 倍。例如，丁肇中发现的 J/ψ 粒子的质量就是质子质量的 3 倍多。这样，早年提出的名词“重子”、“轻子”和“介子”等已经不合适，但由于习惯，仍然一直沿用到今天。表 3 列出了一些强子的特征物理量。
3、粒子的转化与守恒定律
研究种种粒子的行为时，发现的另一个重要事实是：没有一种粒子是不生不灭、永恒不变的。在一定的条件下都能产生和消灭，都能相互转化，毫无例外。例如，电子遇上正电子，就会双双消失而转化为光子。反过来高能光子在原子核的库仑场中又能转化为一对电子和正电子（图 1）。在缺中子同位素中，质子会转化为中子而放出一个正电子和一个中微子。质子遇上反质子就会相互消灭而转化为许多介子。π 介子和原子核相互碰撞，只要能量足够高，就能转化为一对质子和反质子。前面所提到的粒子衰变也是一种粒子转化的方式。因此，产生和消灭是粒子相互作用过程中非常普通的现象。
实验证明，在粒子的产生和消灭的各种反应过程中，有一些物理量是保持不变的。这些守恒量有能量、动量、角动量、电荷、还有轻子数、重子数、同位旋、奇异数、宇称等。例如，对于中子衰变为质子的 β 衰变反应
n → p + e +
所涉及的粒子，中子 n 和反中微子 的电荷都是零，质子 p 的电荷为 1，电子 e 的电荷为 -1，显然衰变前后电荷（的代数和）是守恒的。此反应中 n 和 p 的重子数都是 1，轻子数都是零，而 e 和 的重子数都是零，前者的轻子数为 1，后者的轻子数为 -1；也很容易看出这一衰变的前后的重子数轻子数也都是守恒的。同位旋、奇异数和宇称等的概念比较抽象，此处不作介绍。但可以指出，它们有的只在强相互作用引起的反应（这种反应一般较快）中才守恒，而在弱相互作用或电磁相互作用引起的反应（这种反应一般的较慢）中不一定守恒。它们不是绝对的守恒量。
4、夸克
强子种类这样多，很难想象它们都是“基本的”，它们很可能都有内部结构。前面已讲过，利用高能粒子撞击质子使之破碎的方法考查质子的结构是不成功的，但有些精确的实验还是给出了一些质子结构的信息。1955 年，霍夫斯塔特曾用高能电子束测出了质子和中子的电荷和磁矩分布，这就显示了它们有内部结构。1968 年，在斯坦福直线加速器实验室中用能量很大的电子轰击质子时，发现有时电子发生大角度的散射，这显示质子中有某些硬核的存在。这正像当年卢瑟福在实验中发现原子核的结构一样，显示质子或其它强子似乎都由一些更小的颗粒组成。
在用实验探求质子的内部结构的同时，物理学家已经尝试提出了强子由一些更基本的粒子组成的模型。这些理论中最成功的是1964 年盖尔曼和茨威格提出的，他们认为所有的强子都由更小的称为“夸克”（在中国有人叫做“层子”）的粒子所组成。将强子按其性质分类，发现强子形成一组一组的多重态，就像化学元素可以按照周期表形成一族一族一样。从这种规律性质可以推断：现在实验上发现的强子都是由 6 种夸克以及相应的反夸克组成的。它们分别叫做上夸克 u，下夸克 d，粲夸克 c，奇异夸克 s，顶夸克 t，底夸克 b，它们的特征物理量如表 4 所示。值得注意的是它们的自旋都是 1/2 而电荷量是元电荷 e 的 -1/3 或 2/3。
在强子中，重子都由 3 个夸克组成，而介子则由1个夸克和 1 个反夸克组成。例如，质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 2 个 d 夸克和 1 个 u 夸克组成，∑+ 粒子由 2 个 u 夸克和 1 个奇异夸克组成。而 π 介子由 1 个 u 夸克和 1 个反 d 夸克组成，J/ψ 粒子由正、反粲夸克（c， ）组成，等等。
用能量很大的粒子轰击电子或其它轻子的实验尚未发现轻子有任何内部结构。例如在一些实验中曾用能量非常大的粒子束探测电子，这些粒子曾接近到离电子中心 10-18m 以内，也未发现电子有任何内部结构。
关于夸克的大小，现有实验证明它们和轻子一样，其半径估计都小于 10-20m 。我们知道核或强子的大小比原子或分子的小 5 个数量级，即为 10-15m 。因此，夸克或轻子的大小比强子的还要小 5 个数量级。
5、色
自从夸克模型提出后，人们就曾用各种实验方法，特别是利用它们具有分数电荷的特征来寻找单个夸克，但至今这类实验都没有成功，好像夸克是被永久囚禁在强子中似的（因此之故，表 4 给出的夸克的质量都是根据强子的质量值用理论估计的处于束缚状态的夸克的质量值）。这说明在强子内部，夸克之间存在着非常强的相互吸引力，这种相互作用力叫做“色”力。
对于强子内部夸克状态的研究，使理论物理学家必须设想每一种夸克都可能有 3 种不同的状态。由于原色有红、绿、蓝 3 种，所以将“色”字借用过来，说每种夸克都可以有三种“色”而被称为红夸克、绿夸克、蓝夸克。“色”这种性质也是隐藏在强子内部的，所有强子都是“无色”的，因而必须认为每个强子都是由 3 种颜色的夸克等量地组成的。例如组成质子的 3 个夸克中，就有 1 个是红的，1 个是绿的，1 个是蓝的。色在夸克的相互作用的理论中起着十分重要的作用。夸克之间的吸引力随着它们之间的距离的增大而增大，距离增大到强子的大小时，这吸引力就非常之大，以至不能把 2 个夸克分开。这就是目前对夸克囚禁现象的解释。这种相互作用力就是色力，即两个有色粒子之间的作用力。它是强相互作用力的基本形式。如果说万有引力起源于质量，电磁力起源于电荷，那么强相互作用力就起源于色。理论指出，色力是由被称为胶子的粒子作为媒介传递的。
按以上的说法，由于 6 种夸克都有反粒子，还由于它们都可以有 3 种色，这样就共有 36 种不同状态的夸克。
除了夸克外，按照现在粒子理论的标准模型，为了实现电弱相互作用在低于 250GeV 的能量范围内分解为电磁相互作用和弱相互作用，自然还应存在一种自旋为零的特殊粒子，称为希格斯粒子。理论对于它的所有的相互作用性质和运动行为都有精确的描绘和预言，但对它的质量却没有给出任何预言。现在还未在实验中发现这种粒子。从已有的实验结果分析，希格斯粒子的质量应大于 58.4GeV /c2 。从实验上去寻找希格斯粒子是当前粒子物理实验研究的中心课题之一。
综上所述，规范粒子共有 13 种，轻子共有 12 种，夸克共有 36 种，再加希格斯粒子就共有 62 种。按照现在对粒子世界结构规律的认识，根据标准模型，物质世界就是由这 62 种粒子构成的。这些粒子现在还谈不上内部结构，可以称之为“基本粒子”了。
但是，宇宙万物就是仅由这 62 种粒子构成的吗？为什么有这么多种轻子和夸克？它们真的没有内部结构吗？有没有真正的“基于粒子”？……还有许许多多的问题摆在理论的和实验的粒子物理学面前有待研究、发现、解决。
6、粒子研究与技术
对粒子研究的进展是和粒子加速技术、探测技术以及实验数据的获取和处理技术的迅速发展分不开的。在瑞士和法国边界上的欧洲核子研究中心（CERN）已经建成的质子反质子对撞机（在这种装置中，两个反向运动的高能粒子对撞比用一个高能粒子去轰击静止的靶粒子可以实现更剧烈的碰撞）的质心能量已经高达 2 × 270GeV 。这个对撞机中粒子在其中运行的超高真空环形管道的周长达 2.7km 。在这样的管道中质子和反质子在对撞前要飞行超过冥王星轨道的直径那样长的路程而不丢失。发现 W+、W- 和 Z0 中间玻色子的两个实验中的一个实验所用的探测器重达 2000t 。这样高能量的质子和反质子相碰撞平均产生几十个粒子，它们的径迹和动量都要准确地测量（图 2）。在约一亿次碰撞过程中才有一次产生 W + 和 W - 粒子的事例。在约十亿次碰撞过程中，才有一次产生 Z0 粒子的事例。这不仅需要非常灵敏和精确的探测技术，也需要非常强大和快速的数据获取和处理能力。没有自动控制、电子学、计算技术等等一系列高、精、尖技术的支持，就不可能有今天对粒子的认识。在许多情况下，工业所能提供的最高水平的技术还不足以满足粒子物理实验的要求，这又反过来促使工业技术的进一步发展。
我国 1988 年 10 月建成的北京正负电子对撞机（BEPC），设计能量为 2 × 2.8GeV 。它由注入器、束流输运线和储存环、探测器、同步辐射实验区（见图 3）四个部分组成。注入器是一台电子直线加速器。正、负电子在这里被加速到 1.1GeV ～1.4GeV 。正负电子束经输运线的两支分别沿相反方向注入储存环。储存环是由偏转磁铁、聚焦磁铁、高频腔、超高真空系统等组成的一个周长约 240m 的环（图 4）。在环内正负电子由高频腔供给能量而被加速到 2.2GeV ～ 2.8GeV 。正负电子束流在储存环内绕行，可具有 5h ～ 6h 的寿命。探测器安装在对撞点附近，它能记录、分析对撞时产生的粒子的种类、数目、飞行时间、动量、能量等数据，探测立体角接近 4π。同步辐射是电子在储存环中做曲线运动时沿切线方向向前发出的电磁波。BEPC 的同步辐射在紫外和软 X 光范围，可用于生物物理、固体物理、表面物理、计量标准、光刻和医学等方面。
为了更深入地研究粒子的结构和它们之间的相互作用，现在正在兴建、设计和研究能量更高的粒子加速器。例如，美国费米实验室的 1TeV 的质子加速器将改建升级为 2TeV 的质子反质子对撞机。欧洲核子研究中心正在建造 14TeV 的质子质子对撞机。美国、日本和德国正研究设计能量为 1.5TeV 和 2.0TeV 的正负电子直线对撞机。4TeV 的正负μ子对撞机和电子直线对撞机也在研究中。我们期望这些高能加速器的建成能发现更多的新粒子与新现象，使人们对自然界的认识更加深入。
❸ 质子中子是什么意思
质子和中子是在原子的原子核内含有的2种粒子，这两种粒子又各自含有更小的粒子，叫做夸克，换句话说，质子和中子是由夸克组成的，而原子的组成离不开质子和中子，质子带点，但它带的电和电子带的电是不同的，质子带的是正电荷，而电子则带的是负电荷，另外，中子是不带电的。例如氧原子的原子核有8个质子，8个中子，整个原子核被强大的力量维系在一起。
❹ 什么是质子,什么是中子
质子、中子里有些什么
一、 质子、中子不是点状粒子
对于物质结构的探索是科学的重要任务，自从有人类出现， 这种探索从来没有停止过。在19 世纪，人们逐渐弄清楚物质是 由分子原子构成的。1932年乍得威克发现了中子，人们认识到原 子核应由质子和中子构成。人们对物质结构的研究就如剥笋一样 层层盘剥下去，每一个层次的发现，都是对物质结构认识的深化。 在原子核层次下面，质子和中子是否还有其内部结构呢？
质子和中子不是点粒子，它们都具有内部结构。在30年代， 理论物理学家认为作为核子的质子和中子是基本粒子，应该象点 粒子，根据狄拉克的相对论性波动方程，质子的磁矩是一个单位 核磁子，中子由于不带电，因而磁矩是零。但出乎意料的是，实 验家斯特恩测得的质子磁矩却为5.6个单位核磁子，中子磁矩也不 是零，而是-3.82个单位核磁子，与点粒子理论相悖。这些都清楚地 说明质子、中子并不是我们想象的那样简单，它们可能是具有内 部结构的。60年代，霍夫斯塔特等人用高能电子轰击核子，证明 核子电荷呈弥散分布，核子的确具有内部结构[1]。既然核子并 不是点粒子，那么其内部的物质是怎样分布的呢？也许有三种情 形：或者核子内有一个硬核，核子象一枚桃子；或有许多颗粒， 象石榴一样有许多子；或没有颗粒，疏松如棉絮状。具体属哪一 种情形，要靠深度非弹性散射实验来作进一步决定。
深度非弹性散射实验指用极高能电子去撞击质子或中子，使 后者激发到一个个分立的能级即共振态，甚至达到使π介子离化 出来的连续激发态。非弹性散射实验会改变质子、中子的静止质 量。实验表明，质子、中子内部有一个个点状的准自由的粒子， 它们携带有一定动量和角动量。那么质子、中子内的这些点状粒 子是什么呢？具有些什么性质？
二、 夸克模型
1964年，美国科学家盖尔曼（见右上图）提出了关于强子结 构的夸克模型。强子是粒子分类系统的一个概念，质子、中子都 属于强子这一类。“夸克”一词原指一种德国奶酪或海鸥的叫声。 盖尔曼当初提出这个模型时，并不企求能被物理学家承认，因而 它就用了这个幽默的词 。夸克也是一种费米子，即有自旋1/2 。 因为质子中子的自旋为1/2，那么三个夸克，如果两个自旋向上， 一个自旋向下，就可以组成自旋为1/2的质子、中子。两个正反 夸克可宰槌勺孕����牧W樱��浅莆�樽樱�绂薪樽印? J/ψ子，后者由丁肇中等人于1974年发现，它实际上是由粲夸克 和反粲夸克组成的夸克对。凡是由三个夸克组成的粒子称为重子， 重子和介子统称强子，因为它们都参与强相互作用，故有此名。 原子核中质子间的电斥力十分强，可是原子核照样能够稳定存在， 就是由于强相互作用力（核力）将核子们束缚住的。由夸克模型， 夸克是带分数电荷的，每个夸克带+2/3e或-1/3e电荷（e为质子 电荷单位）。现代粒子物理学认为，夸克共有6种（味道），分 别称为上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克、底夸克，它 们组成了所有的强子，如一个质子由两个上夸克和一个下夸克组 成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成，则上夸克带 +2/3e电荷，下夸克带-1/3e电荷。上、下夸克的质量略微不同。 中子的质量比质子的质量略大一点点，过去认为可能是由于中子、 质子的带电量不同造成的，现在看来，这应归于下夸克质量比上 夸克质量略大一点点。
质子和中子的组成：一个质子由两个上夸克和一个下夸克 组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成
虽然夸克模型当时取得了许多成功，但也遇到了一些麻烦， 如重子的夸克结构理论认为，象Ω-和Δ++这样的重子可以由三个 相同夸克组成，且都处于基态，自旋方向相同，这种在同一能级 上存在有三个全同粒子的现象是违反泡利不相容原理的。泡利不 相容原理说的是两个费米子是不能处于相同的状态中的。夸克的 自旋为半整数，是费米子，当然是不能违反泡利原理的。但物理 学家自有办法，你不是说三个夸克全同吗？那我给它们来个编号 或着上“颜色”（红、黄、蓝），那三个夸克不就不全同了，从 而不再违反泡利原理了。的确，在1964年，格林伯格引入了夸克 的这一种自由度——“颜色”的概念。当然这里的“颜色”并不 是视觉感受到的颜色，它是一种新引入的自由度的代名词，与电 子带电荷相类似，夸克带颜色荷。这样一来，每味夸克就有三种 颜色，夸克的种类一下子由原来的6种扩展到18种，再加上它们 的反粒子，那么自然界一共有36种夸克，它们和轻子（如电子、 μ子、τ子及其相应的中微子）、规范粒子（如光子、三个传递控 制夸克轻子衰变的弱相互作用的中间玻色子、八个传递强（色） 相互作用的胶子）一起组成了大千世界。夸克具有颜色自由度的 理论得到了不少实验的支持，在70年代发展成为强相互作用的重 要理论——量子色动力学。
三、量子色动力学及其特点
“量子色动力学”这一名称听起来有点可怕，念起来有点拗 口，应该这样念：量子/色/动力学。这个理论认为，夸克是带有 色荷的，胶子场是夸克间发生相互作用的媒介。这不禁让我们想 起电子是带有电荷的，传递电子间相互作用的媒介是电磁场（光 子场）。的确，关于电荷的动力学我们早已有了，它叫“量子电 动力学”，发展于三四十年代。一般读者对电磁相互作用都有点 熟悉，因此就以它为例来理解质子中子内的色相互作用。电磁场 的麦克斯韦方程的量子化就是量子电动力学，具体地说，量子电 动力学就是研究电子和光子的量子碰撞（即散射）的，自然，量 子色动力学是研究夸克和胶子的量子碰撞的。
胶子是色场的量子，就象光子是电磁场的量子一样。胶子 和光子都是质量为0、孕�?、传递相互作用的媒介粒子，都属 于规范粒子。两个电子发生相互作用是靠传递一个虚光子而发生 的（虚光子只在相互作用中间过程产生，其能量和动量不成正比， 不能独立存在，在产生后瞬时就湮灭。由相对论知道，自由运动 的电子不能发射实光子，但可以发射虚光子。给予我们光明和热 能的是实光子，它的能量和动量成正比，脱离源后，能独立存 在），自然，两个夸克发生相互作用是靠传递一个虚胶子而发生 的。虚胶子携带着一个夸克的部分能量和动量，交给另一个夸克， 于是两个夸克就以胶子为纽带发生了相互作用。看到这里，我们 会说，不是重复了一下吗？量子色动力学可以由量子电动力学依 葫芦画瓢建立起来，真是太容易了！不过实际上没有这么简单。 按群论的语言讲，电磁场是U（1）规范场，是一种阿贝尔规范场， 群元可以交换，而胶子场是SU(3)规范场，是一种非阿贝尔规范 场，群元不可以交换。一般来说，“非”总比“不非”要麻烦得 多。电荷只有一种，而色荷却有三种（红、黄、蓝）；U(1)群的 生成元只有一个，就是1，所以光子只有一种，而SU(3)群有八个 生成元，一个生成元对应一种胶子，所以胶子共有八种；光子不 带电荷，而胶子场由于是非阿贝尔规范场，场方程具有非线性项， 体现了胶子的自相互作用，因而胶子也带色荷，夸克发射带色的 胶子，自身改变颜色。所以胶子场比电磁场复杂，因而出现了许 多不同寻常的现象和性质，其中最重要的恐怕要数“渐近自由” [2-3]和“夸克幽禁”[4-6]了。
“渐近自由”说的是两个夸克之间距离很小时，耦合常数也 会变得很小，以致夸克可以看成是近自由的。耦合常数变小是由 于真空的反色屏蔽效应引起的。真空中的夸克会使真空极化（即 它使真空带上颜色），夸克与周围真空的相互作用导致由真空极 化产生的虚胶子和正反虚夸克的极化分布，最终效果使夸克色荷 变大，这称为色的反屏蔽效应（对于电荷，刚好相反，由于真空 极化导致电荷吸引反号电荷的虚粒子，所以总电荷减少，这称为 电的屏蔽效应。与它作比较，色的反屏蔽效应这一术语由此而 来）。由于这一效应，在离夸克较小距离上看来，大距离的夸克 比它带的色荷多，所以小距离上强作用相对而言变弱了，这就是 所谓“渐近自由”。渐近自由是量子色动力学的一项重要成果， 它使得高能色动力学可以用微扰理论计算。但是在低能情形或者 说大距离情形，由于耦合常数变强及存在幽禁力，计算变得困难。
量子色动力学可以预言小距离的“渐近自由”，但是对大距 离的“夸克幽禁”，量子色动力学就无法预言了，这是量子色动 力学的困难。
“夸克幽禁”说的是夸克无法从质子中逃逸出去。红黄蓝三 色夸克组成无色态，强子都是无色的。一旦夸克可以从质子或强 子中跑出来，自然界就会存在带色的粒子;带色的粒子引起真空 的进一步极化，色荷之间的幽禁势是很大的，整个真空都带上了 颜色，能量很高，导致真空爆炸。实际这些都没有发生，暗示自 然界不存在游离的夸克，那么我们会问：夸克倒底是一个数学技 巧还是一个物理实在？研究这一问题，是对夸克模型的考验。不 过，现在因为已有了夸克存在的间接证据，物理学家相信夸克是 应该的确存在的。夸克为什么要被幽禁起来，物理学家已提出了 几个理论。有人提出口袋模型，如认为质子是一只受真空挤压的 口袋，可将夸克束缚住而逃不出来[7-9]；有人提出了弦理论， 认为夸克绑在弦的两端，而这条弦却难以断裂，即使一旦断裂， 断裂处生成一对正反夸克，原来的强子碎裂为两个新的强子，从 而自由的夸克从来不可能出现[10]；也有人说，既然胶子带色荷， 胶子之间也会有色磁吸引力，从而色力线被拉紧呈平行状，就如 一个带电电容器两板因为有平行的电力线因而彼此有吸引一样， 夸克之间也有类似这种吸引力；格点规范理论的面积定律证明夸 克之间有线性禁闭势存在[11]；90年代中期塞伯和威滕用他们发 展的四维空间量子场论证明磁单极凝聚也会导致夸克幽禁[11]。 关于夸克幽禁的理论有许多，正好说明了我们对强力的了解还不 够充分。
四、 核子结构图象与核子衰变
对介子谱的研究表明，夸克之间除了由于单胶子交换引起的 色库仑力外，还有色禁闭力，其势是随距离线性增长的，正如上 面所说，虽然不清楚线性禁闭势的来源，但可以认为正是这个势 导致了夸克幽禁。但是这一观点也许要受到挑战。因为用相对论 性波动方程解介子能谱，发现在无穷远处波函数并不收敛至零， 而是一个散射解。这意味着我们应探测到游离的夸克，但实际并 不如此。那这些散射解是怎么产生的呢？原来禁闭势在无穷远处 十分巨大，以致扰动真空导致正反夸克产生。实际没有测到这些 产生的夸克，一个原因可能是大距离时夸克的质量也会变得十分 巨大，远远超过了线性势，抑制了真空扰动产生正反夸克的能力。 夸克质量会随距离增大而增大，可能可以用真空色电极化（导致 真空带上颜色）来解释。真空色电极化使得色荷象滚雪球一样越 来越大，夸克能量和质量也相应越来越大，浸在真空中的单一夸 克质量巨大，真空没有足够的能量产生这些夸克，也许这最终导 致了夸克幽禁。
对于强子结构，现在对不同的能态用不同的理论模型来描述。 基态质子和中子，可以用量子力学的薛定谔方程求解，强子质量 主要由夸克承担；对于处于激发态的共振粒子，弦模型比较成功， 该模型认为重子和介子的质量和自旋主要由弦（色力线管）提供 [10]；对于更高能的强子激发态，由于真空色电极化十分强大， 因而强子质量主要就是色电极化质量，夸克的质量和弦的质量十 分微小。现在对处于不同能态的质子、中子结构还无法用一个统 一的理论来描述。
上面讨论的是质子中子及其共振态的静态性质，下面谈一下 它们的衰变问题。原子核内的质子中子是稳定的，但自由的中子 是不稳定的，寿命约为11分钟。中子的质量比质子略大一些，因 而可以有足够的能量衰变为质子，并放出一个电子和一个电子型 反中微子。在夸克水平上解释这一过程，实际上就是：中子内的 一个下夸克（带-1/3e电荷）放出一个传递弱相互作用的中间玻色 子W- ，自身变成上夸克（带+2/3e电荷），W-又衰变为一个电子 和一个电子型反中微子。由于质子中子的重子数都为+1，轻子数 为0，电子和电子型中微子的重子数为0，轻子数分别为+1和-1， 所以这一过程重子数、轻子数都守恒。现在的粒子物理标准模型 （量子电动力学、弱电统一理论[12]、量子色动力学）认为重子 数是守恒的，质子已是最轻的重子，所以它不能再衰变为其他重 子，它是永恒的。由于人们面遇的物质世界主要就是由重子组成 的，所以很容易相信质子是永恒的。但是有一种理论却预言这种 观念是不对的，质子会衰变成正电子和中性π介子，重子数和轻 子数并不绝对守恒。这种理论是大统一理论[13-17]，它企图把 强、弱、电相互作用统一起来，用一个耦合常数来描写。大统一 理论包含着标准模型，但比标准模型来得更大，因而有更多的传 递相互作用的规范玻色子。虽然这些规范玻色子是一种超弱场的 量子，但质子中的下夸克却会释放这种规范玻色子，自身变成正 电子，而质子内的一个上夸克吸收这个规范玻色子，变成上夸克 的反粒子（反上夸克），这个反上夸克与质子内的另一个上夸克 结合成中性π介子。由于引起这种夸克—轻子转化的场十分弱， 所以质子虽然要衰变，但衰变寿命是很长的，大约为一千万亿亿 亿年，而我们的宇宙寿命也只有几百亿年，所以质子平均寿命比 宇宙寿命长十万亿亿倍。在你一生当中，你体内的质子只能衰变 零点几个，不必担心质子衰变会给我们的生活带来什么不便。质 子衰变还只是一个理论预言，实验的证明还没有完全结束[16]。
前面提到，质子中的点粒子是夸克，实际上它们还包括胶子 和不断产生、湮灭的海夸克。过去认为质子自旋为1/2，是由三个 夸克提供的，而如今的研究却不能支持这一观点，质子中的三个 夸克的总角动量只占质子自旋的15%，而大部分自旋也许由胶子 和海夸克承担。这被称为“质子自旋危机”，是个热门课题。
五、 简短总结
虽然胶子的存在证据也有了，顶夸克存在的证据也在1995年 找到了，但是对于强子结构的研究和自由夸克的探索还需走更长 远的路。夸克幽禁的根本原因倒底是线性禁闭势的存在还是色电 极化所致，夸克幽禁是暂时的还是永久的，值得继续研究。如果 夸克是永久性禁闭的，强子永远是无色的，正应了一句话：“色 即空，空即色。”孰是孰非，有待高能物理及其理论的继续发展。
❺ 物理学中有多少种"子"比如说:原子,中子等.
很不幸，没有人能一一列举出来。
分类的标准有很多，而且不同的分类法的结果又互相有交叉！
还要注意，一种东西可能有多种叫法哦~
例如：
1.可以按照不同的组成层次来说：
（……）
——>分子、原子级别
——>核子级别 & 电子级别
——>部分子——>（……）（不知道）
2.也可以按参与的相互作用的类型来说：
轻子、强子、介子、媒介子（包括光子、引力子、……）
瞬子、……
3.按质量、电荷等参量来分
重子、超子、……
4.按统计性质
玻色子、费米子、任意子
5.……
很庞大的体系！
物理学的任务之一就是发现各种“子”之间的联系和作用规律。