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在化学和物理学里,核子(nucleon)是组成原子核的粒子,即质子或中子。每个原子核都拥有至少一个核子,每个原子又是由原子核与围绕原子核的一个或多个电子所组成。任意原子核素的质量数就是其核子数。因此有时人们也会称这个数字为“核子数”。
在1960年代之前,核子被认为是基本粒子,不是由更小的部分组成的。今天我们知道核子是复合粒子,由三个夸克经强相互作用捆绑在一起组成。两个或多个核子之间的相互作用称为核力,最终这也是强相互作用引起的。(在发现夸克之前,“强相互作用”一词只用于核子间的相互作用。)
核子研究属于粒子物理学和原子核物理学的交叉领域。粒子物理学,特别是量子色动力学,提供了解释夸克及强相互作用属性的公式。这些公式用定量方法解释夸克是如何结合成为中子和质子(以及所有其他的强子)。然而,当多个核子组合为一个原子核(核素)时,这些基础方程变得非常难直接求解,必须使用核物理学的方法。核物理学利用近似法和模型来研究多个核子之间的相互作用,例如用核壳层模型。这些模型能够准确解释核素的属性,比如哪些核素会进行核衰变等。
质子和中子都是重子和费米子。质子和中子特别相似,除了中子不带有电荷以外,中子的质量比质子仅仅高0.1%,它们的质量非常相近,因此它们可以视为同样核子的两种状态,共同组成了一个同位旋二重态(I = 1⁄2),在抽象的同位旋空间做旋转变换,就可以从中子变换为质子,或从质子变换为中子。这两个几乎相同的核子都感受到相等的强相互作用,这意味着强相互作用对于同位旋空间旋转变换具有不变性。按照诺特定理,对于强相互作用,同位旋守恒。[1]:129-130
质子和中子是原子核的组成部分,也能够在不组成原子的情况下单独存在。独立存在的质子就是氢-1(1H)的原子核。单独的中子是不稳定的(见下),但可以在核反应中出现,并在科学分析范畴派上用场。
质子和中子均由三个夸克组成。质子由2个u夸克和1个d夸克组成,而中子则由1个u夸克和2个d夸克组成。强相互作用将这些夸克捆绑在一起。另一说法是,夸克是受胶子捆绑的,但实际上两种说法是等同的(胶子传递强相互作用)。
每个u夸克的电荷为+2⁄3 e,而每个d夸克的电荷为−1⁄3 e,所以质子和中子的总电荷分别为+e和0。“中子”一词便源自其电“中性”的属性。
质子和中子的质量相当:质子的为×10−27 kg或 1.6726MeV/c2,而中子的则为 938.27 ×10−27 kg或 1.6749MeV/c2。中子相对较重大约0.1%。两者质量的相近能够通过 939.57 粒子物理学中的u夸克和d夸克的质量差来解释。[1]:135-136
质子和中子的自旋为1⁄2。这意味着它们是费米子而非玻色子,因此与电子一样,它们也遵守包利不相容原理。这在核物理学中是非常:一个原子核中的中子和质子不能同时占据相同的量子态,而是会分散开来形成核壳层,这和在化学里电子形成电子壳层的原理相似。质子和中子自旋的重要性也在于,它是大原子核的核自旋的来源。核自旋的其一重要应用在于化学和生化分析中的核磁共振成像。
质子的磁矩,写作μp,是核磁子(μN),而中子的磁矩则为μn = 2.79 。这些参数在核磁共振成像中也是十分重要的。 −1.91 μN
单独存在的中子是不稳定的:它会进行β衰变(一种放射性衰变),变为质子、电子和一个反电中微子,半衰期约为10分钟(见中子)。质子单独存在时是基本稳定的,或者其衰变率过于慢,无法探测得出。(这是粒子物理学中重要的课题,见质子衰变。)
在一个原子核里,依不同的核素而定,质子和中子可以是稳定或不稳定的。在某些核素里,中子能够转变为质子(加上其他粒子);在另一些核素里,反过程亦可发生,质子会通过β+衰变或电子捕获变为中子(加上其他粒子);又在其它核素中的质子和中子均为稳定的,不会进行转变。
两种核子都有其对应的反粒子:反质子和反中子。这些反物质粒子的质量和其正粒子的相同,但电荷正负相反,它们的相互作用与正粒子之间的无异。(一般而言,物理学者相信这结果“完全”正确,原因是CPT对称。如果确实存在差异,则差异必定太小,以致实验至今仍未能探测得出。)而且,反核子能够结合形成“反原子核”。到目前为止,科学家已经制成反氘[2][3]以及反氚[4]原子核。
粒子名 | 符号 | 含夸克 | 不变质量(MeV/c2) | 不变质量(u) | I3 | JP | Q(e) | 磁矩 | 平均寿命(s) | 一般衰变为 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
质子[PDG 1] | p / p+ / N+ |
u u d |
013±0.000023 938.272 | 27646677±0.00000000010 1.007 | +1⁄2 | 1⁄2+ | +1 | 847356±0.000000023 2.792 | 稳定 | 尚未观察到 |
中子[PDG 2] | n / n0 / N0 |
u d d |
346±0.000023 939.565 | 66491597±0.00000000043 1.008 | -1⁄2 | 1⁄2+ | 0 | 04273±0.00000045 −1.913 | ±0.008)×10+2 (8.857 | p + e− + ν e |
反质子 | p / p− / N− |
u u d |
013±0.000023 938.272 | 27646677±0.00000000010 1.007 | -1⁄2 | 1⁄2+ | −1 | ±0.006 −2.793 | 稳定 | 尚未观察到 |
反中子 | n / n0 / N0 |
u d d |
±0.051 939.485 | 66491597±0.00000000043 1.008 | +1⁄2 | 1⁄2+ | 0 | ? | ±0.008)×10+2 (8.857 | p + e+ + ν e |
^a 质子和中子质量的准确度在用原子质量单位(u) 时比用MeV/c2时准确得多,因为基本电荷的准确度相对较低。此处用的对换关系为1 u = 028±0.000023 MeV/c2。 正反粒子的质量是假设相同的,至今没有实验能够驳斥这一点。目前的实验显示,如果正反质子之间有质量上的差异的话,其出入小于 931.494×10−9 MeV/c2, 2[PDG 1]而正反中子的质量差异则小于±6)×10−5 MeV/c2。 (9[PDG 2]
^c 假设为自由中子;多数原子核中的中子都是稳定的。
核子共振态指的是核子的激发态,一般对应于核子中某个夸克拥有反转了的自旋态,或对应于该粒子衰变时的轨道角动量。下表只列出粒子数据组(PDG)评级为3或4星的共振态。由于半衰期极短,以下许多粒子的属性仍在研究当中。
符号的格式为N(M) L2I2J,其中M为粒子质量的近似值,L为核子-介子对衰变时产生的轨道角动量,而I和J分别为粒子的同位旋及总角动量。由于核子的同位旋被定义为1⁄2,因此第一个数字必然为1,而第二个数字则永远是奇数。在谈到核子共振态的时候,有时会省略N,而且表达式顺序会颠倒:L2I2J (M)。例如,质子的符号可以写成"N(939) S11"或者"S11 (939)"。
下表只列出基共振态,每一栏代表4个重子:2个核子共振粒子,和2个它们的反粒子。每个共振态的存在形态可以是带正电荷(Q)的,并含夸克
u
u
d
,就像质子一样;或者是电中性的,含夸克
u
d
d
,就像中子一样;又或者是两种反粒子,分别含反夸克
u
u
d
和
u
d
d
。由于不含有s夸克、粲夸克、b夸克和t夸克,这些粒子不具备奇异数、魅数、底数及顶数。下表只列出同位旋为1⁄2的共振态,具3⁄2同位旋的共振态请参看Δ粒子条目。
符号 | JP | 质量平均数 (MeV/c2) |
总宽度 (MeV/c2) |
极位置 (实数部分) |
极位置 (−2 × 虚数部分) |
通常衰变为 (Γi /Γ > 50%) |
---|---|---|---|---|---|---|
N(939) P11 [PDG 3]† |
1⁄2+ | 939 | † | † | † | † |
N(1440) P11 [PDG 4] 亦称罗佩尔共振态 |
1⁄2+ | 1440 (1420–1470) |
300 (200–450) |
1365 (1350–1380) |
190 (160–220) |
N + |
N(1520) D13 [PDG 5] |
3⁄2- | 1520 (1515–1525) |
115 (100–125) |
1510 (1505–1515) |
110 (105–120) |
N + |
N(1535) S11 [PDG 6] |
1⁄2- | 1535 (1525–1545) |
150 (125–175) |
1510 1490 — 1530) |
170 (90–250) |
N |
N(1650) S11 [PDG 7] |
1⁄2- | 1650 (1645–1670) |
165 (145–185) |
1665 (1640–1670) |
165 (150–180) |
N + |
N(1675) D15 [PDG 8] |
5⁄2- | 1675 (1670–1680) |
150 (135–165) |
1660 (1655–1665) |
135 (125–150) |
N |
N(1680) F15 [PDG 9] |
5⁄2+ | 1685 (1680–1690) |
130 (120–140) |
1675 (1665–1680) |
120 (110–135) |
N + |
N(1700) D13 [PDG 10] |
3⁄2- | 1700 (1650–1750) |
100 (50–150) |
1680 (1630–1730) |
100 (50–150) |
N |
N(1710) P11 [PDG 11] |
1⁄2+ | 1710 (1680–1740) |
100 (50–250) |
1720 (1670–1770) |
230 (80–380) |
N |
N(1720) P13 [PDG 12] |
3⁄2+ | 1720 (1700–1750) |
200 (150–300) |
1675 (1660–1690) |
115–275 | N |
N(2190) G17 [PDG 13] |
7⁄2- | 2190 (2100–2200) |
500 (300–700) |
2075 (2050–2100) |
450 (400–520) |
N + |
N(2220) H19 [PDG 14] |
9⁄2+ | 2250 (2200–2300) |
400 (350–500) |
2170 (2130–2200) |
480 (400–560) |
N + |
N(2250) G19 [PDG 15] |
9⁄2- | 2250 (2200–2350) |
500 (230–800) |
2200 (2150–2250) |
450 (350–550) |
N + |
† P11(939)核子是普通质子或中子的激发态,如位于原子核里的核子。这些粒子在原子核里基本稳定,如锂-6。
在具有SU(2)味的夸克模型里,两种核子是基态二重态的成员。质子的夸克组合为uud,而中子的夸克组合则为udd。在具有SU(3)味的模型中,它们是自旋为1⁄2重子形成的基态八重态的成员,称为八重道。除了中子与质子以外,此八重态的其它成员都是超子。这包括奇异同位旋三重态
Σ+
,
Σ0
,
Σ−
、
Λ
以及奇异同位旋二重态
Ξ0
,
Ξ−
。在具有SU(4)味(添入粲夸克)的模型中,这多重态还可以延伸至基态20重态。在具有SU(6)味(添入t夸克和b夸克)的模型中,可以延伸至基态56重态。