核子 · aiwiki.page

核子是质子或中子，这两类粒子构成普通的原子核。无论这些粒子束缚在原子核内，还是处于自由状态，都称为核子。质子和中子的质量相近，强相互作用性质也密切相关，但它们的电荷、夸克组成以及孤立状态下的稳定性各不相同。两者都不是基本粒子，而是包含夸克和胶子的复合粒子。(energy.gov)

基本性质

质子带正电荷，大小等于一个元电荷，即 $+e$ ；中子的净电荷为零。它们的近似静质量如下：

性质	质子	中子
符号	$p$	$n$
电荷	$+e$	$0$
静质量	$938.272\ \mathrm{MeV}/c^2$	$939.565\ \mathrm{MeV}/c^2$
价夸克组成	$uud$	$udd$

其中， $u$ 表示上夸克， $d$ 表示下夸克；MeV 表示一百万电子伏特， $c$ 为光速。中子比质子约重 $1.293\ \mathrm{MeV}/c^2$ ，即约重 0.14%。(pdgweb.lbl.gov)

两种核子的自旋角动量量子数均为 $1/2$ 。它们属于费米子，这类粒子遵循的量子统计规律对物质中粒子的排列方式施加约束。在粒子分类中，核子属于强子，即由夸克和胶子组成的粒子；更具体地说，它们属于重子。“核子”一词的范围比这两类粒子都更窄：并非所有强子或重子都是质子或中子。(olps.co.za)

内部结构与质量的起源

质子含有两个上价夸克和一个下价夸克，中子则含有一个上价夸克和两个下价夸克。这描述的是它们的净夸克组成，而不是其内部所有成分的完整清单。核子内部还包含胶子场，以及由夸克—反夸克贡献形成的夸克海。因此，核子的内部是一个动态的量子系统，而非三个以固定几何排列结合在一起的小物体。(energy.gov)

描述这一系统的理论是量子色动力学（QCD），它描述夸克与胶子之间的强相互作用。核子的大部分质量来自这一相互作用系统的动力学，而不是其价夸克微小质量的简单相加。根据质能等价，夸克场和胶子场所具有的能量会贡献于这一复合粒子的静质量。(jlab.org)

核子的自旋同样不能用三个价夸克自旋的简单相加来解释。描述核子自旋时，必须考虑夸克和胶子的自旋贡献，以及轨道角动量。确定这些成分各自的贡献，是核子结构研究的核心问题之一。(jlab.org)

作为同位旋二重态的质子与中子

质子和中子之间的密切关系可用同位旋来表述。同位旋是一种量子数，与强相互作用的一种近似对称性有关。在这一描述中，两种粒子构成总同位旋为 $I=1/2$ 的同位旋二重态。按照惯例，质子的同位旋投影为 $I_3=+1/2$ ，中子的同位旋投影为 $I_3=-1/2$ 。因此，它们可被视为同一个核子场的两个状态。(indico.cern.ch)

尽管同位旋与通常的空间自旋具有相似的数学结构，但两者并不相同。同位旋也不意味着质子和中子在所有方面都完全一致。由于上夸克和下夸克的质量及电磁性质不同，这种对称性只是近似成立。在系统分析这些差异相对较小的强相互作用过程时，同位旋尤其有用。(indico.cern.ch)

原子核中的核子

对于含有 $Z$ 个质子和 $N$ 个中子的原子核，核子总数就是它的质量数：

A=Z+N.

质子数 $Z$ 就是原子序数，决定原子核所属的化学元素。质子数相同而中子数不同的原子核，是该元素的不同同位素的原子核。质量数是表示粒子数量的整数，并不是原子核质量的精确测量值。(energy.gov)

最简单的原子核是氢-1的原子核，仅由一个质子组成。氢的另一种同位素氘，其原子核含有一个质子和一个中子。在含有多个核子的原子核中，强相互作用产生的束缚能够克服带正电质子之间的电磁斥力。(openstax.org)

核子之间的这种相互作用通常称为核力或剩余强相互作用。虽然它与核子内部的夸克—胶子相互作用最终都源于量子色动力学，但必须将二者区分开来。因此，将原子核视为核子系统，是一种有效描述，其适用尺度不同于将核子视为夸克和胶子系统的描述。(energy.gov)

结合能

束缚态原子核的静质量，小于组成它的质子和中子彼此分离时的静质量总和。其核结合能为

B=\left[Zm_p+Nm_n-M_{\mathrm{nucleus}}\right]c^2,

其中， $m_p$ 和 $m_n$ 分别是自由质子和自由中子的质量。这一结合能就是将原子核完全拆分为自由核子所需的能量。平均每个核子的结合能 $B/A$ 可用于比较不同大小的原子核。某些核聚变和核裂变反应所释放的能量，来自反应前后的结合能差异。(energy.gov)

稳定性与转化

迄今尚未观测到质子的自发衰变。相比之下，自由中子会发生贝塔衰变，平均寿命约为15分钟：

n\rightarrow p+e^-+\bar{\nu}_e.

衰变产物是一个质子、一个电子和一个电子反中微子；电子反中微子是电子中微子的反粒子。这里给出的寿命是平均寿命，而非半衰期。(olps.co.za)

这一转化通过弱相互作用发生；在夸克层面，一个下夸克转化为一个上夸克。束缚在原子核内的中子不一定像自由中子那样衰变，因为衰变在能量上是否允许，取决于原子核的初态和末态。许多含有中子的原子核是稳定的。(ncnr.nist.gov)

历史发展

詹姆斯·查德威克于1932年发现中子，确立了原子核中存在一种质量与质子近似相等的中性组成粒子。他因这一发现获得了1935年的诺贝尔物理学奖。以质子和中子描述原子核，为将原子核视为核子集合奠定了基础。(nobelprize.org)

后来的电子散射实验证明，核子具有内部结构。对深度非弹性散射的研究揭示了核子内部的点状组成粒子，为夸克模型提供了关键证据。杰罗姆·弗里德曼、亨利·肯德尔和理查德·泰勒因这些实验工作获得了1990年的诺贝尔物理学奖。(nobelprize.org)

核子研究及核子描述的局限

核子将原子核结构与夸克和胶子的底层物理联系起来。实验通过散射来探测核子，而格点量子色动力学则从基本理论出发计算核子结构的某些性质。这些方法用于研究动量、自旋和质量在质子与中子内部如何分布。(jlab.org)

将原子核视为一组保持不变、彼此独立的核子，并不是完整的图像。深度非弹性散射表明，束缚核子中的夸克动量分布与自由核子中的测量结果不同，这种现象称为EMC效应。核子仍然是描述原子核组成的有用概念，但其内部结构与所处的核环境并不总能分开处理。(energy.gov)

核子之间的相互作用也是核合成的基础，即早期宇宙、恒星及其他天体物理环境中形成原子核的过程。理解质子和中子如何结合与转化，对于解释化学元素的起源和丰度至关重要。(energy.gov)

参考来源

DOE Explains...Protonsenergy.gov
Physical Constantspdgweb.lbl.gov
The neutron properties are well tuned to study materialsnist.gov
Nucleon Structure and QCDmisportal.jlab.org
Toward Understanding the Emergence of Hadron Massjlab.org
The Spin Structure of the Nucleonjlab.org
The nucleon spin and momentum decomposition using lattice QCD simulationsarxiv.org
Flavour Physics (of quarks)indico.cern.ch
DOE Explains...Nucleienergy.gov
DOE-HDBK-1122-99; Radiological Control Technician Trainingenergy.gov
3 Substructure of the Nucleusopenstax.org