【极小篇｜第四章：核物理】02 原子核如何保持稳定

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严老师讲义 

上一节我们了解了原子核是由质子和中子构成的，它们的质量几乎相同。中子比质子略重一点，质子带一个单位的正电，中子不带电。

既然知道了成分，接下来还要知道它们之间是如何相互作用的。

4.2.1 质子为什么会待在原子核里？

原子核很小，只占整个原子体积的几千亿分之一。换句话说，原子里基本都是空的。尽管原子核很小，但里面还可以容纳多个质子和中子。这些质子和中子也非常小，并且它们之间的距离非常近。

这就立刻出现了一个巨大的问题：质子都是带正电的，但电荷之间的关系是同性相斥。氢原子还好，它里面就一个质子，但其它元素的原子核里质子都不止一个。质子和质子之间，应该有强到难以置信的排斥力。

但事实上它们并没有因此而分崩离析，那就一定存在一个吸引力能够把质子绑在一起。这个力应该比电磁力还要强很多，否则原子核的结构不会那么稳固。如果这个吸引力只是跟电磁力差不多，刚好能把质子绑在原子核里，那么原子核应该随随便便做个实验就能被砸开。

这样一想你就会发现为什么原子核里需要有中子的存在。如果原子核里都是质子，什么东西能提供强吸引力把质子绑在一块呢？

通过研究我们发现：随着原子核中质子数的增多，中子数一定是增多的，并且中子数会逐渐超过质子数。这个应该怎么理解呢？可以做一个简单的推理：当有两个质子时，需要什么东西把它们绑住？

比如我需要一根弹簧连接两个质子，那我们可以把这根弹簧想象成中子，也就是两个质子和一个中子应该也可以形成一种原子核。事实证明存在一种叫氦-3的元素，这种元素在月球上很多，是完美的核反应材料。如果质子变成三个，三个质子间两两存在相互作用，为平衡这三组排斥作用就需要三个中子充当弹簧。这就是锂的同位素锂6，它有三个质子和三个中子，是锂电池的原料。随着质子数增多，质子之间通过中子两两相互作用的数量就会超过质子的数量。

因此可以预见：随着质子数增多，越重的元素，中子数会越多的超过质子数。尤其是放射性元素，它们的中子数比质子数要多出很多。比如92号元素——铀，只有92个质子，但是中子数可以达到143-146个。

所以多个质子在超强的电磁斥力下仍然在原子核里保持稳定，一定是因为有什么东西提供了比电磁斥力强很多的力。根据前面的分析，似乎中子就能做到这件事。

4.2.2 强相互作用力

但因为中子不带电、完全是中性的，中子提供了吸引力这个推论仍然无法令人满意。那么到底是什么样的东西，或者说什么样的机制产生了这种引力呢？这也是日本物理学家，汤川秀树所考虑的问题。

1934年，汤川秀树发表了一篇论文。他认为：原子核之所以不会在质子排斥力的作用下分崩离析，依靠的是一种新的力。汤川将这种力命名为强力，它的强度要比电磁力强100多倍，可以轻松地把质子锁在一起。但我们在宏观世界中是感受不到这种强力的，只能感受到万有引力和电磁力。强力既然那么强，为什么在宏观世界感受不到呢？汤川认为：虽然强力的强度很强，但是它的作用距离非常之短，其有效作用距离几乎就在原子核的范围之内。

这就好像一个拳击手的拳头非常有力量，但是他能攻击的范围受制于他手臂的长短。电磁力和引力的大小与距离的平方成反比，这样的力可以作用到无穷远处。但是强力的作用力范围极小，汤川也给出了强力大小随距离的变化公式。这个公式其实就是在平方反比率的基础上，再乘以一个一个衰减函数。它描述了强力大小随距离变化的规律。

汤川势

根据这个公式的计算，我们能发现：当力的作用距离超出原子核的范围时，这个力就衰减殆尽了。所以一旦质子被撞出原子核，几乎是无法被强力拽回去的。

根据汤川给出的强力公式，我们可以计算出这个力对应的势能。就像我们在前面把中子比作弹簧，既然是弹簧就有弹性势能。汤川算出来的这个势能，叫汤川势。汤川秀树也因为这个成果，获得了1949年的诺贝尔物理学奖。

4.2.3 汤川秀树：介子

力有了，那么是什么东西提供了力呢？答案并非中子，它毕竟是一个中性粒子。

于是汤川预言：应当存在一种新的粒子提供了强力。这个猜测其实是很合逻辑的，我们知道电磁力其实就是带电粒子间的相互作用力，那么强力当然也可以有自己对应的粒子。

对应于强力的粒子叫介子 ( Meson ) 。我们知道质子的质量是电子的1800倍左右。而介子的质量经过汤川的计算，应该是质子的1/6左右。如果把质子、中子和电子统一做归类，电子这类质量的粒子叫轻子 ( Lepton ) ；质子、中子这类质量的粒子叫重子 ( Baryon ) 。那么介子是质量介乎于二者之间的粒子，所以被称为介子。

介子被认为是携带强力的粒子，它充当了中子和质子之间的粘合剂，让原子核的结构稳定。但是为什么科学家们早年在实验室里只发现了质子和中子，没有直接发现介子呢？因为介子的寿命太短暂，不能够长时间地独立存在，很快就会衰变成其它粒子。它的寿命只有几纳秒，这个时间尺度以当时的实验水平是测量不出来的。后来随着实验技术先进了，介子也被顺利找到。

介子的种类并非只有一种，有的带电，有的不带电，有的介子是原子核里提供强力。介子也并非只在原子核里存在，具体我们将在第五章【粒子物理】中进行介绍。

有了对介子和强力的认知，我们就理解了原子核的结构是如何形成的。它由质子和中子组成，其中介子提供强力，把质子和中子连接在一起。质子之间又通过中子的连接，间接地结合在一起，形成了原子核。

了解了原子核的构成以及作用规律，原子核有没有特殊的性质呢？这将是我们下一节讨论的内容。