笔下文学

1 章（第1页）

简介：这个问题涉及的内容巨多——从原子到原子核，从原子核到质子中子再到夸克，物质的构成被一层一层揭开。对于这个问题的回答，可以说就是粒子物理和量子场论的（部分）发展史了，而且也有很多前置知识，内容很多，但也很有趣，请耐心听我道来。1、原子核、质子和中子虽然原子的概念在很早之前就被提出了，但是对现代物理中原子的认识，人们一直到20世纪初才有进展。1911年，新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福为了

书名：怎么知道质子和中子是由夸克组成的？

作者：佚名

来源：回答

这个问题涉及的内容巨多——从原子到原子核，从原子核到质子中子再到夸克，物质的构成被一层一层揭开。

对于这个问题的回答，可以说就是粒子物理和量子场论的（部分）发展史了，而且也有很多前置知识，内容很多，但也很有趣，请耐心听我道来。

1、原子核、质子和中子

虽然原子的概念在很早之前就被提出了，但是对现代物理中原子的认识，人们一直到20世纪初才有进展。

1911年，新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福为了验证原子的结构，做了著名的卢瑟福金箔实验[1]：

他用α粒子（其实就是氦原子核）轰击金箔，发现了大角度散射现象，由此提出了卢瑟福原子模型，即原子中存在一个非常小的核心（原子核），具有正电荷Ze，原子的大部分质量都在原子核上，然后有Z个带负电的电子绕原子核运动。

图1：卢瑟福金箔实验与卢瑟福原子模型

到了1917年，卢瑟福又把α粒子打到空气中（空气中主要都是氮气，因此最多的元素是氮元素），他发现空气会射出一个新的粒子，这个粒子的性质和氢原子核的性质一致，也带正电。

到了1925年的时候，卢瑟福才正确地理解了这个过程，这实际上也是第一个被报道的核反应，他实现了人类历史以来第一次人工核反应：

^{14}N+alpharightarrow^{17}O+p

即氮原子核捕获一个氦原子核，释放出一个质子后，变为氧原子核。

当时的实验发现，原子的质量近似于质子质量的整数倍，由此认为原子核是由整数个质子构成的，再根据原子核的电荷量就能得到质子数。

这对于氢原子核很好用，氢原子核的质量跟一个质子的质量相同，但是对氦原子核就差别很大了——氦原子核带两个正电荷，但是其质量却是氢原子核的四倍，如果氦原子核内有4个质子，那多余的两个正电荷是怎么抵消的呢？对于更重的原子核也有类似的问题。

为了解释实验与猜想的矛盾，1920年卢瑟福首次提出原子核内存在中性粒子的概念，预言了中子的存在。他在皇家学会贝克里安讲座的演讲中提出[3]：

也许在原子核这样微小的范围内，多余的质子吸引了核外电子，形成了一种质量与质子相近的中性粒子。

直到1932年，英国实验物理学家查德维克精心设计了一个实验，发现了中子，并且经过测量了发现，中子的质量与质子的接近。

这使得人们了解了原子核是由质子和中子构成的，也为后来人类能够利用核能打下了极为重要的基础，可以说：「中子」敲开了人类进入核能时代的大门。查德威克因此获得1935年的诺贝尔物理学奖。

图2：詹姆斯·查德威克，1891.10.20–1974.7.24

2、核力和π介子

解决了原子核构成的问题，新的问题又出现了。

原子核的大小一般为10^{-15}米，而质子又是带正电的，在这么小的范围内，质子之间会存在强烈的电磁排斥力，同性相斥嘛！因此原子核不可能保持稳定，瞬间就会分崩离析，原子核也就不会存在！然而这种现象并没有发生，现实中大部分原子核都是稳定存在的。

为了解释这个现象，当时的科学家认为原子核内应该还存在一种比电

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