同样类型的原子、质子、中子和电子，它们都是一模一样的吗？

人类科技的发展，极大地拓展了我们对这个世界的认知。现在我们知道了，世间万物都是由原子构成，而原子又分为原子核以及围绕着原子核运动的电子，其中原子核还可分为质子和中子。也就是说，我们眼前的这个多姿多彩的世界，其实都是密密麻麻的微小粒子，通过各种奇妙的方式堆叠而成。

于是一个有意思的问题就出来了，微观世界中同样类型的原子、质子、中子和电子，它们都是一模一样的吗？要搞清楚这个问题，我们需要先来看看科学家们是怎么观测这些微小粒子的。

按照平常的思路，只需要通过光学放大设备将这些微小粒子放大到足够的倍数，我们就可以看到它们的样子了。然而实际上这种方法并不可行，这是因为光学显微镜的分辨率极限是百纳米级的，而就算微观世界中个头最大的原子，其大小也都是纳米级的，就更别谈比它小得多的质子、中子和电子了。

所以，要观测到这些微小的粒子，必须用其他的方法才可以。对于原子，科学家们目前通常都是使用的原子力显微镜（AFM）或者扫描隧道显微镜（STM）。其原理是利用一根原子级的探针，去感应目标原子间的各种作用力以及物理现象（例如范德瓦尔斯力、静电作用、隧道电流等等），从而描绘子目标原子的样子。简单地讲，科学家可以借助设备来“摸”出原子的样子，如下图所示。

实验表明，即使是同一种元素的原子，它们也不是完全一模一样的，其中的原理可以简单地解释为，原子的大小由电子的排布决定，而电子又一直在运动，并且这个运动状态又是不规律的，所以至少每个原子的大小都是不同的。

而对于更小的质子、中子和电子，即使是扫描隧道显微镜这样的设备也都无能为力了，科学家只能利用精密的探测仪器，来观测和记录这些微小粒子在不同条件下的各种反馈信息，然后间接地分析出它们的各种物理属性。

可以看到，以目前的科技水平，我们只能知道这些微小粒子的各种物理属性，能够判断出它们是属于哪一类的，但根本无法知道质子、中子和电子具体是什么样子。

不过尽管看不到，我们还是可以推测一下，俗话说“一样米养百样人”，在地球上的几十亿人中，我们每一个人都是独一无二的，可以说全世界就找不到两个一模一样的人。按照这个道理来讲，同样类型的微小粒子很可能也不会是一模一样的。

就像我们观察蚂蚁的时候，如果我们用肉眼来看同一类蚂蚁，那么我们几乎无法分辨出它们之间的不同，只能认为它们都是一模一样的，而如果我们用高倍数的放大镜来仔细观察，就可以看出它们之间的差异了。

在未来的某一天，人类也许可以利用强大的科技，将这些微小粒子清清楚楚地呈现在面前，届时人们很可能就会发现，微观世界中同样类型的原子、质子、中子和电子，它们并不是一模一样，除了基本的物理属性是一样以外，它们还各有各的精彩。

好了，今天我们就先讲到这里，欢迎大家

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轻子、夸克和质子、中子、电子之间的关系是什么？

我们可以把这些粒子归入一个有序体系，并用下列的参数来区分它们：电荷、总自旋（也就是量子机械性本征旋转）以及受到强相互作用的影响。

轻子

自旋为1/2，不参与强相互作用。一共有六种轻子，三种带电荷，另外三种不带电荷。

三种带电荷的轻子分别为：

电子（标记为e），能量为0.511 MeV, 稳定；

μ子（标记为μ），能量为160 MeV，不稳定；

τ子（标记为τ），能量为1777 MeV，不稳定；

剩下三种不带电荷的轻子，即中微子，几乎是无质量的。这三种中微子与前面提到的电子、μ子和τ子对应，分别是电子中微子（缩写为νe），μ子中微子（缩写为νμ）和τ子中微子（缩写为ντ）。

上述的每一种轻子，存在与之对应的反粒子。需要注意的是，反粒子和中微子也不是完全相同的。

根据现有的物理学知识，这六种轻子是构成物质的基本组元。

电子中微子只能通过弱相互作用力转变成电子，反之亦然，但电子中微子或电子绝不会变成μ子或者τ子。同样的规则也适用于μ子或者τ子。

强子

这些粒子受到强相互作用（强核作用力）。自然界存在着许多种强子，尽管这些强子的带电量和自旋值不尽相同，但都满足两条规律：带电量为整数且是元电荷的 -2 ~ +2 倍；半数自旋值和整数自旋值在0 ~ 3/2 之间。那些拥有整数自旋值（0或1）的强子叫做介子，而那些拥有半数自旋值（1/2或3/2）的强子叫做重子，后者包括质子和中子。

让我们列举一些能表明强子内部结构的事实。

自然界存在许多种不同的强子。对于一些强子而言，例如质子、中子或带电的介子，它们的粒径可以有一定程度的扩张，大约在0.5 ~ 1 费米【1费米 = 10^-15米】。值得注意的是，质量相近的强子一次又一次地成群出现。

基于上述和其它的事实，Gell-Mann, Zweig和其他学者于1964年提出这样的假说：所有的强子都仅由少数几种基本单元组合而成，即所谓的夸克。质子由两个上夸克（带电荷为+2/3）和一个下夸克（带电荷为-1/3）组成。

直到现在，人们还没能在任何检测器中观测到任意一个自由活动的夸克，现在人们也这是不可能的。但是，强子中的夸克还是可以通过一些方法被具体的检测到，比如高能电子轰炸（此方法类似于卢瑟福所做的散射实验，据此他证明了原子内部原子核的存在）。

那一共有多少种作为基本单元的夸克呢？最开始，人们认为只有两种，即上夸克和下夸克（分别用字母u和d来代表）。上夸克和下夸克可以组成质子（uud，即两个上夸克和一个下夸克）和中子（udd，即一个上夸克和两个下夸克）。然而，随着研究的深入，人们发现了四种新的夸克，它们分别被称为奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克（分别用s，c，b，t来代表）。这其中最重的夸克是顶夸克，直到1995年才被检测到。值得注意的是，这六种夸克可以类比轻子来进行排列。

人们用上、下、奇、粲、底、顶的方式来命名夸克。每个上夸克拥有+2/3的电荷（相应的反夸克则拥有-2/3的电荷），下夸克则拥有-1/3的电荷（相应的反夸克则拥有+1/3的电荷）。即使每个夸克拥有的电荷数是1/3的整数倍，但迄今所知的所有强子都拥有整数倍的电荷。人们发现所有的重子都由三个夸克或反夸克组成，而所有的介子都仅由一个夸克和反夸克组成。故而，强子所带电荷数必然是整数。

如果要测定一个夸克的质量，必须要保证这个夸克可以无拘束地活动，但是固有的局限是，自然界不存在可以自由活动的夸克。相应的，人们提出两种方法，在某种程度上表征夸克的质量。第一种方法是，忽略夸克之间的结合能，并假设一个强子的总质量等于其所含夸克质量的总和。例如，如果上夸克和下夸克的质量都被估计为320MeV/c^2，据此，算出的质子（夸克组合uud）和中子（夸克组合udd）的质量可以符合测量值。这种方法测算得到的夸克质量，被称之为“组分夸克质量”。

另外，我们可以用简单模型（如，非相对论夸克模型）来粗略估计夸克之间的作用力。这种模型假设作用力是恒定的，无论夸克间的距离有多大，换言之作用力与距离长短无关。基于这种模型的假设，夸克永远不能脱离相互作用，成为自由运动的粒子，这符合了前述的夸克运动的限制条件。

现在，我们来看看第二种定义夸克质量的方法。强相互作用力将夸克结合在一起，形成强子。强相互作用力的一种性质是，渐进自由性，即：随着距离的缩短，夸克的有效色荷会减弱。据此，可行的办法是，用电子来撞击夸克，依据量子场理论来近似夸克的运动轨迹（至少在初始阶段的轨迹），最后确定夸克的近似质量。通过这种方法得到的夸克质量，称之为“流夸克质量”。

在这六种夸克中，顶夸克有着特殊的地位。它的质量很大，故而衰变速率很快，寿命极短。它甚至来不及形成强子就衰变了。