质子、中子里面有什么？

河北省承德市营子区教育局中学教研室 张学军

通过学习我们已经知道：原子核是由质子和中子构成的。或许有同学还会问：质子和中子是否还有其内部结构呢？这个问题提得很好，对物质结构的不断探索是科学的重要任务，人类对微观世界的探秘从来就没有停止过。

微观探索

上世纪30年代，理论物理学家认为质子、中子和电子等为数不多的几种粒子，就是构成物质的最小单元，并将它们称为“基本粒子”。进入20世纪60年代后，随着现代大型粒子加速器的建成、各种探测和分析仪器的出现、自动处理数据的大型电子计算机的使用，科学家发现了π、k、Λ、Δ等一百多种其他粒子。人们不禁要问：基本粒子世界究竟有多少成员？科学家对此做了深入研究，按照每个基本粒子的质量差异，把它们分为三大类：光子（媒介子）、轻子和强子（质子、中子）。在众多基本粒子的分类研究中，由于强子的数目最多、质量最大，取材较为容易，观测较为方便，因而人们对强子类基本粒子的研究最多，认识最深。

模型建立

1961年，美国的侯世达用波长为德布罗意波长的电子轰击质子，结果发现质子并不是一个几何点，它有大小，半径为10-15米，电荷就分布在这样一个空间范围内。中子也有大小，半径为10-15米。虽然中子不带电，但在10-15米范围内电荷密度有正负。为了解释强子的内部结构，1964年默里·盖尔曼预言了“夸克”的存在，并和乔治·兹韦格独立提出了关于强子的“夸克模型”：强子都是由更基本的粒子夸克组成的，夸克有三种，每种都有它的反夸克。为了数学处理上的方便，夸克模型认为三种夸克分别带有分数单位的电荷。据此，夸克模型较好地解释了强子的规律性及其构成：一个质子由两个上夸克[Up quark，简称u，拥有+(2/3)e的电荷]和一个下夸克[Down quark，简称d，电荷为-(1/3)e]构成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克构成。即质子和中子都是由3个夸克构成的。1969年，在美国斯坦福实验室的一台直线加速器上，物理学家们用一群电子轰击质子、中子一类的强子，希望看到这个微小世界中的名堂，结果证实了盖尔曼预言的夸克。由于夸克模型的成功，盖尔曼获得了1969年的诺贝尔物理学奖。

“夸克”由来

“夸克”一词是盖尔曼取自詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根彻夜祭》中的词句“向麦克老人三呼夸克”。于是他把这些假设中的更基本粒子半开玩笑地命名为“夸克”，无非是指一个质子中有三个夸克。他在一封信中说：“现在的所有强子，都可以用这三种夸克像搭积木一样拼凑起来”。

永远在路上

到目前为止，实验已经证实存在六种不同的夸克，即 u、d、c、s、t、b，称之为六种不同的“味道”。对强子结构和标准模型研究的一再成功已表明，夸克是强子世界的最基本组成部分。据此有人认为，物质是按“原子-原子核-强子-夸克”这样的结构构成的。尽管如此，也还存在一些悬而未决的问题，如夸克幽禁、质子自旋危机、质子衰变等，有待高能物理及其理论的继续发展。另外，夸克里面还有什么呢？

期待在座的每位同学用今天的发奋学习，为明天新的探索与发现铺平坚实的道路。