质子与中子数量的关系（谈一谈中子与质子的相互转化）

我们都知道物质多由原子构成，原子有原子核与核外电子，而原子核里通常又有质子和中子。照理说大家各司其职、相安无事，但实际上物质世界却不总是这么简单。万物有其寿命，有时候也会发生一些变化，当条件合适时，中子会摇身一变成为质子，质子也能变为中子，这个时候物质的本身就会产生变化，成了完全不同的东西。

最早，科学家告诉我们原子是这世界上最小的东西，它是组成一切物体的最小单位，不能再分。但现代物理学告诉我们，不仅原子可以分成质子中子与电子，连质子和中子都可以分成夸克这样更小的粒子。这样分来分去，使得量子世界变得丰富多彩起来。

质子与中子都是由夸克组成的，每个质子和中子里都有三个夸克，夸克的不同决定了重子（质子和中子都属于重子）的性质，它到底是质子呢，还是中子？

夸克的分类

质子由两个上夸克和一个下夸克构成，中子由一个上夸克和两个下夸克构成，在一个重子中单个夸克的颜色分配是任意的，但必须存在所有红绿蓝三种颜色。夸克之间的力量是由胶子介导，也就是说重子中的胶子负责传递力，将夸克们粘合在一起。

质子与中子的结构

由此我们可以看出，质子与中子的区别只在于一个夸克，如果其中一个上夸克变成了下夸克，质子就变成了中子，反之亦然。

细心的你一定从前一节发现了些什么：夸克分了六种不同的类型，并且夸克还有不同的颜色！

夸克的六种不同类型通常称为六种不同的“味道”（风味），这是粒子物理学标准模型对基本粒子分类的称呼。六种味道的夸克质量各不相同，但大体上呈两两对应的关系：上对下，粲对奇，顶对底，而上、粲和顶夸克之间的质量相差巨大。

夸克质量对比，左下角灰色球代表质子，红点代表电子

上、下夸克是所有夸克中质量最小的。上夸克与下夸克的质量差别不大，其中上夸克质量约为1.7~3.3(MeV/c²)，下夸克为4.1~5.8(MeV/c²)，下夸克比上夸克重。中子有两个下夸克，质子只有一个下夸克，所以中子要比质子重一点点。

从上图你可能发现，上下夸克的质量与质子的质量似乎也不成比例，事实的确如此：质子的质量大约是938(MeV/c²)，但其中三个夸克加起来的质量却只有9.4(MeV/c²)，多出来的那么多质量从哪里来的？答案是胶子，无论是质子还是中子，它们中的三个夸克都是泡在“胶子汤”里，重子的质量主要来自于那一大锅“汤”。这锅“汤”其实是粒子间强相互作用力形成的粒子场，它主要由胶子提供。在量子物理中，胶子是矢量玻色子，与光子一样属于规范玻色子，它自身的质量为0。我们可以说胶子是无形的，它不是粒子，它是场。

质子就像是一锅汤，里边只有三颗夸克汤圆

根据量子色动力学，夸克具有一种称为“色电荷”的性质。颜色电荷有三种类型，通常将其标记为蓝色、绿色和红色。当三个不同颜色的夸克通过强相互作用力组合在一起时，就形成了“白色”的重子。事实上夸克们并不是真的有什么颜色，根据不同电荷性质给它们标注上颜色是为了理论上方便研究和理解。

到目前为止物理学家们总共发现了六种味道的夸克，但其中四种大质量的夸克都是通过强子对撞机人造出来的，一般认为在宇宙中它们只会出现在宇宙射线最强烈的地方，这些重夸克会迅速地衰变成质量较小的夸克。由于上夸克和下夸克的质量最小，所以这两味夸克在宇宙中最稳定也最常见。

这不意味着轻的夸克就不会发生变化，由于下夸克比上夸克更重，所以下夸克还有进一步衰变成上夸克的趋势。

在拥有两个以上质子的原子核中，质子因为都拥有正电荷，它们互相的排斥力很大，这时候就需要中子来进行“中和”，质子和中子通过核力结合在一起。除了单质子氢原子之外，中子是原子核的稳定性所必需的因素。我们知道原子序数定义了原子的化学性质，它代表原子核里的质子数量，中子数则决定了同位素或核素。当原子核中的质子数与中子数量相当时，原子核表现稳定，而那些中子数量过多的核素就会发生β衰变，中子会变成质子。这源于中子的下夸克发生了变化。

中子的β衰变

当一个原子核中质子数量与中子数量不平衡，其中存在的弱相互作用力就会促使其中的某一个中子产生变化，它会使中子里的一个下夸克改变其“味道”，衰变为一个同样颜色的上夸克，同时发射一个W⁻玻色子来弥补质量亏损。W⁻玻色子并不稳定，它随即衰变为一个电子和一个反电子中微子。其结果是中子变成了质子，同时发射了一个电子和一个反电子中微子。

中子β衰变的费曼图

一般情况下中子通过核力与原子核相互结合，有效地缓和质子之间的排斥力，起到稳定原子核的作用。只要原子核内力的平衡关系不被打破，中子就会保持稳定，不会发生衰变。在自然界稳定的同位素中，中子的寿命非常长。

对于自由中子来说，情况就会发生改变。在原子核外的自由中子非常不稳定，它们的平均寿命仅为881.5±1.5s（约14分42秒），绝大多数的中子会衰变成质子、一个电子和一个反电子中微子，约有千分之一的中子还会发射γ射线，还有极少数（约百万分之四）会发生“双体（中子）衰变”，变成中性的氢原子。

前文提到，夸克的衰变是由高质量的下夸克向低质量的上夸克转变，上夸克最稳定，所以拥有两个上夸克的质子是宇宙中最稳定的重子，它的预测寿命可以长达10²⁹年。但这不意味着质子不能转变为中子，质子转变为中子的过程被称为逆β衰变（IBD）。

逆β衰变的费曼图

当质子遭到一个反电子中微子的轰击时，它会变成中子，并向外发射一个正电子。但这个条件非常苛刻，我们都知道中微子是最小的粒子，并且这个最小的粒子需要携带至少1.806MeV的动能（称为阈值能量）准确轰击质子时才能启动IBD反应。由于正电子产生后会与附近的电子互相湮灭并发出闪光，因此逆β衰变可以被我们观测到。当然，它是在人工状态下通过极大量的实验才能得到结果。

质子与中子都由夸克构成，夸克“味道”和数量的不同决定了一个重子到底是质子还是中子。

中子中有两个下夸克和一个上夸克，质子中有一个下夸克和两个上夸克。下夸克比上夸克重，因此下夸克比较容易衰变为上夸克。

当原子核内部质子与中子的比例失衡，其重子间的强力会发生变化，其弱力会诱发中子的下夸克发生衰变。当下夸克衰变为上夸克时，它会释放W⁻玻色子，W⁻玻色子进一步衰变为一个电子和一个负电子中微子发射出来。这被称为β衰变。

上夸克比下夸克轻，它不能自发转化为下夸克，因此质子不能自动转变为中子，只有受到中微子的强大动能轰击时，质子才能逆转成为中子，并释放一个正电子。要实现逆β衰变是很不容易的，你需要瞄得很准，并且射的力度足够大才行。

β衰变与逆衰变其实就是一个夸克的变化

无论是β⁻衰变还是β⁺衰变都有其它的诱发方式，鉴于篇幅原因在这里不多做介绍了。感谢你的阅读与关注，欢迎你在评论区留言。