来“解剖”个原子核吧（上）

    庄子有一句被说烂的句子， “一尺之捶,日取其半,万世不竭。” 说人话就是，一根棒槌每天切一半，一直切不完。其实当一个棒槌被切的非常小的时候到了分子层面，你就需要换一把”刀”了。学过化学你就知道分子由原子组成，原子在化学层面就被认为是基本单元了。

    但是如果继续解剖下去会有有意思的事情发生。

卢瑟福散射实验

    后来一段时间人们发现了电子，也发现原子会“吐”出来电子，自然原子也有他的结构，而不是不可再分的，原子的结构是什么样的呢，历史上有“葡萄干布丁”模型，但当卢瑟福用α粒子（氦He原子核）轰击很薄的金箔（大约几个金原子的量级），发现大部分的α粒子穿过金原子（入射粒子与出射粒子运动方向的角度几乎不发生改变），少量的α粒子会发生散射，极少的α粒子会像撞到什么东西一样发生大角度散射，如图

    这说明原子内部只有极小的空间有东西，绝大部分都是空的。表明原子有一个尺寸极小的核，电子散步在核的周围。你说为什么散射的原因为什么不会是电子？大哥，α粒子的质量是电子约8000倍，好比火车撞上你，你还能把火车顶飞了？

    卢瑟福散射实验证实了原子的核结构。原子核是由质子与中子构成的，那么质子与中子的结构又是什么了呢。等等，为什么原子结构说那么详细，为什么这儿就直接原子核跳到了质子什么了？因为卢瑟福散射的实验思想很重要，是我们以后理解物质结构的重要思想指导。

DIS 深度非弹性散射

    质子与中子一度被我们认为是点状粒子，也就是没有结构没有尺寸的意思。因为早年我们使用电子与质子碰撞由于电子能量比较低，我们测量的电子散射角的分布与卢瑟福散射类似。也就这么认为质子是点状粒子了。但是根据德布罗意波长越小粒子能量越高的关系，高能量的粒子的物质波长小于你去撞的质子的尺度时，something happened，质子的内部结构就被打开了，恭喜你，你获得了一把DIS（Deep Inelastic Scattering 深度非弹性散射）的“解剖刀”。图2 是DIS的散射截面随着能量的变化。图中的你发现能量升高，实验值明显偏离理论预期，也就是说质子还有内部结构。

强子的构成——夸克

    60年代，物理学家提出“夸克”的概念，如今我们也知道质子中子等一系列你没听说过的粒子（π介子，K介子，Λ超子，J/ψ粒子……）都是由夸克构成的。目前我们夸克认为就是不可再分的基本粒子了，所以我们也暂时去你的“万世不竭”吧。夸克有三代（generation）六味（flavor），d, u, s, c, b, t, 下（down）上（up）奇异（strange）粲（charm）底（bottom）顶（top）夸克这六个。d, s, b, 带-1/3的电荷。u, c, t,带+2/3的电荷，我们熟知的质子的结构就是uud，中子udd，Λ超子uds……另外他们还有对应的反粒子，反下、反上、反奇异、反粲、反底、反顶夸克电荷相反。自然反质子¯u¯u¯d，电荷-1。当然正反夸克也可以组成物质，π+介子u¯d，电荷+1，J/ψ粒子，c¯c，电荷0，诸如此者。而上述粒子因为参与强相互作用，因而被统称为强子。

夸克禁闭与渐进自由

    但是我们从来没有发现一个单个的夸克。为啥？因为夸克喜欢抱团，夸克除了“味道”还有“颜色”（color），当然此处的味道颜色吃不到也看不见，都是为了区别而起的名字，夸克有三种颜色，类比三原色，夸克拥有红绿蓝三色，只有无色的时候才可以是正常的物质。夸克们因为强相互作用力而抱在一起，传递这种“色”力的传播子叫做胶子（gluon）当然也有反色荷，这也就是为什么可以有正反夸克构成的介子和夸克偶素（J/ψ粒子这种）。

这种力是一种短程力，不像电磁力，引力这种，你跑的很远依旧感受的到。这种力是小尺度的，而且力的耦合常数（说是常数，其实会变）是变化的，我们叫做跑动耦合常数。表现出来是什么样的呢，当两个夸克靠的非常近时，夸克之间的力会非常小，而当距离增大时，这个力会非常强，有点像弹簧的感觉啊。但当你以为可以把夸克们分开时，BANG！！！“弹簧”断了，然后“断裂”处从真空中“制造”出一对正反夸克对。你得到了两根弹簧，弹簧两头都有一个夸克，这也就是我们为什么看不到单个夸克，因为单个夸克无法保证无色，这种情况是forbidden的。这就是传说中的“夸克禁闭”。而前面提到的“两个夸克靠的非常近时，夸克之间的力会非常小”就是“渐进自由”。

新的问题——标准模型与海夸克

    当你留意到图3夸克的质量，而你恰好又知道质子的质量是0.928GeV/c²时，你会发现，这么多质量跑哪去了？

    想知道为什么？下次吧，写累了，更新？随缘，反正专栏没人看。

参考资料

肖振军，吕才典。《粒子物理导论》 科学出版社。

Francis Halzen, Alan D. Martin Quarks and Leptons: An Introdutory Course in Modern Particle Physics.