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1 # 艾伯史密斯
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2 # 昨夜夢神州
這個問題的答案很簡單。因為自然界無法將兩個(或以上)的質子,在沒有中子的情況下組合成原子核。但我知道這不是你想要的答案。你真正想弄明白的是中子是什麼?先來介紹下質子帶電量(+2/3,+2/3,-1/3),中子帶電量(+2/3,-1/3,-1/3),電子帶電量(-2/3,-2/3,+1/3)。再來分析Hº(表示不帶中子),它的形狀為<,H¹(表示帶一箇中子。)它的形狀為=。<表示它們相距較近,比較穩定。而=表示彼此勢均力敵,彼此平衡較易打破。所以我們明白中子是一種貼上劑,將自己填塞進質子間。
中子是如何產生的?它肯定不是自然界中就有了的,因為我們知道單箇中子在自然狀態下無法存在。那它來自哪裡?它來自質子。
如下圖所示:
-1/3 () -1/3 () -1/3
+2/3 () +2/3 () +2/3
-1/3 () -1/3 () -1/3
將它們相鄰三個夸克組合,不難發現它們便是質子或中子。雖說原子核應為球狀,但它的構造原理是相同的,所以用平面來說明。
答:中子能使原子核內質子的結合更穩定。
原子核在元素週期表中,氫元素的氕核沒有中子,只有一個質子,自由質子的壽命幾乎是無限(理論半衰期最少為10^35年);氦元素的同位素也存在氦-2,由兩個質子組成,但是非常不穩定,半衰期非常短。
除此之外的其他元素,幾乎都存在中子,自由中子的壽命不長,半衰期只有十五分鐘,甚至在不穩定原子核中,處於束縛態的中子也會發生衰變;而在穩定原子核中,中子充當了穩定原子核的作用,壽命也大大增加。
我們知道質子帶正電,所以質子間會因為庫倫力而相互排斥,這個排斥力是質子間萬有引力的10^36倍,而且庫侖力的作用範圍是無限的。
強相互作用之所以在原子核中,質子能結合到一起,是因為在強子(質子和中子的統稱)間還存在強相互作用(強力),強力是庫侖力的100倍,但是強力是短程力,作用範圍在2*10^15米以內。
關於題目疑問,涉及非常艱深的量子電動力學知識,在這我們只做簡單的定性分析,試想:
(1)兩個質子相互靠近時,首先會受到庫侖力的作用而排斥,這個排斥力是非常大的;
(2)只有當質子的動能足夠大後發生碰撞,才有一定機率克服庫侖力,從而達到強力的作用範圍,然後強力才能把質子捆在一起;
(3)如果我們加入一箇中子,因為中子不顯電荷,所以中子接近質子相對容易很多,更容易達到強力的作用範圍;
(4)一箇中子與質子結合後,再來一個質子和這個中子結合,於是中子充當媒介把兩個質子束縛到了一起,形成了相對穩定的原子核;
當原子核中質子數目增多時,就需要更多的中子來充當媒介;所以在元素週期表中,我們看到,穩定元素的中子數隨著質子數的增加而增加,具體組合機制由量子力學描述。
零號元素強子間的相互作用非常複雜,對於多箇中子(不含質子)組成的元素,叫做零號元素;但是都不穩定,具體機制和夸克有關,自由中子半衰期大約為15分鐘,兩個中子的零號元素,半衰期只有10^-22秒。
目前科學界還沒有理論,能夠精確描述原子核的中子數目分佈問題,算是核子物理中的一大難題。