質子、中子里面有什么？

河北省承德市營子區教育局中學教研室 張學軍

通過學習我們已經知道：原子核是由質子和中子構成的。或許有同學還會問：質子和中子是否還有其內部結構呢？這個問題提得很好，對物質結構的不斷探索是科學的重要任務，人類對微觀世界的探秘從來就沒有停止過。

微觀探索

上世紀30年代，理論物理學家認為質子、中子和電子等為數不多的幾種粒子，就是構成物質的最小單元，并將它們稱為“基本粒子”。進入20世紀60年代后，隨著現代大型粒子加速器的建成、各種探測和分析儀器的出現、自動處理數據的大型電子計算機的使用，科學家發現了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？科學家對此做了深入研究，按照每個基本粒子的質量差異，把它們分為三大類：光子（媒介子）、輕子和強子（質子、中子）。在眾多基本粒子的分類研究中，由于強子的數目最多、質量最大，取材較為容易，觀測較為方便，因而人們對強子類基本粒子的研究最多，認識最深。

模型建立

1961年，美國的侯世達用波長為德布羅意波長的電子轟擊質子，結果發現質子并不是一個幾何點，它有大小，半徑為10-15米，電荷就分布在這樣一個空間范圍內。中子也有大小，半徑為10-15米。雖然中子不帶電，但在10-15米范圍內電荷密度有正負。為了解釋強子的內部結構，1964年默里·蓋爾曼預言了“夸克”的存在，并和喬治·茲韋格獨立提出了關于強子的“夸克模型”：強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。為了數學處理上的方便，夸克模型認為三種夸克分別帶有分數單位的電荷。據此，夸克模型較好地解釋了強子的規律性及其構成：一個質子由兩個上夸克[Up quark，簡稱u，擁有+(2/3)e的電荷]和一個下夸克[Down quark，簡稱d，電荷為-(1/3)e]構成，一個中子由兩個下夸克和一個上夸克構成。即質子和中子都是由3個夸克構成的。1969年，在美國斯坦福實驗室的一臺直線加速器上，物理學家們用一群電子轟擊質子、中子一類的強子，希望看到這個微小世界中的名堂，結果證實了蓋爾曼預言的夸克。由于夸克模型的成功，蓋爾曼獲得了1969年的諾貝爾物理學獎。

“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”。于是他把這些假設中的更基本粒子半開玩笑地命名為“夸克”，無非是指一個質子中有三個夸克。他在一封信中說：“現在的所有強子，都可以用這三種夸克像搭積木一樣拼湊起來”。

永遠在路上

到目前為止，實驗已經證實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”。對強子結構和標準模型研究的一再成功已表明，夸克是強子世界的最基本組成部分。據此有人認為，物質是按“原子-原子核-強子-夸克”這樣的結構構成的。盡管如此，也還存在一些懸而未決的問題，如夸克幽禁、質子自旋危機、質子衰變等，有待高能物理及其理論的繼續發展。另外，夸克里面還有什么呢？

期待在座的每位同學用今天的發奮學習，為明天新的探索與發現鋪平堅實的道路。