夸克是一種基本粒子,也是物質構成的基本單元 。分子由原子構成,原子由原子核和核外電子構成,大部分原子核由質子和中子構成 。在夸克尚未被發現之前,人們以為質子是構成物質的最小微粒 。
夸克是蓋爾曼由數學計算出來提出來的微笑物質 , 但還是有一些物理學家不原因接受,認為只是數學工具的的技巧而已,直到1968年SLAC(斯坦福線性加速器中心)在非彈性散射實驗中指出質子內含有比它小很多的物質 , 因此質子并非是最小的物質 。這才不得不承認蓋爾曼是對的,實驗后把質子內部的點狀物體叫成子(parton),后來命名為夸克 。
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隨著粒子實驗深入研究 , 目前發現夸克的類型有六種,分別是上、下、粲、奇、底及頂 。上和下夸克的質量是最輕的,每種夸克都具有電荷、色荷、自旋的性質 。每種類型的夸克都帶有紅、綠、藍三種顏色 。由于夸克有六種類型,所以共有18種夸克 。
【為什么科學家無法找到單獨存在的夸克 夸克是什么】夸克的反粒子叫反夸克 , 跟一般的反物質一樣道理,反夸克與夸克具有一樣性質,質量、平均壽命與自旋一樣,但兩者的電荷和顏色相反,反夸克帶有反紅,反綠,反藍三種顏色 。原理類似于電子,有正電和負電 。
注:紅綠藍顏色只是代表夸克具有的特殊性質,并不是夸克真有顏色 。自旋是粒子的特性,為了符合角動量守恒,所以粒子固有的角動量稱為自旋,并不是像地球一樣自轉 , 這里就不詳加說明了 。
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上圖紫色框中是六種夸克,上(u)、下(d)、奇(s)、粲(c)、底(b) 。
圖中沒有標上反夸克,比如上夸克“u”的反夸克對應符號為“ū”,上面加一橫 。
上面三種夸克(u、c、t)帶單位電荷量為+2/?,下面三種夸克(d、s、b)帶有電荷量為-1/?,例如下圖的質子(左邊)和中子(右邊),
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質子由三個夸克構成(uud),所以電荷加起來為+1,而中子的三個夸克加起來為0,所以質子帶正電 , 中子不帶電 。
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強力指的是強相互作用力 , 是宇宙中目前所發現的四種作用力之一,也是四種力中最強的力 。通過強力把夸克與反夸克束縛結合一起的復合粒子稱為強子 。每一個夸克都帶有色荷,但結合成強子后是“無色”或“白色” , 但這里的顏色不是真實顏色,可以把白色理解為中性 。如下圖
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第一張是綠色與反綠色(紫色代替)結合,只有兩個夸克組合 ,這類的粒子稱為介子(π),兩種夸克可以是不同種類的 , 例如π?=(ud?),π?=(ūd) 。
第二張是三個不同色荷的夸克組成,紅色、藍色、綠色結合,稱為重子 , 最為人知的重子是質子和中子 。
第三張是由反紅、反藍、反綠合成(青色、黃色、品紅替代),稱為反重子,理論來說質子和中子有反質子和反中子 。
強作用力是如何作用的強力束縛著質子和中子結合成原子核,和束縛夸克在質子和中子內,而強力傳遞的粒子是膠子 , 膠子是矢量規范玻色子,不帶有質量,每種膠子都帶有一個單位的色荷顏色和一個單位的色荷反顏色 。
膠子通過發射與吸收虛粒子(數學工具),不斷地來回在夸克之間的交換 , 維持著強相互作用力 。例如一藍夸克射出一藍_反紅的膠子,這個藍夸克就變成紅夸克 , 又比如一紅夸克吸收了一藍_反紅的膠子就變成藍夸克 。由于夸克之間通過膠子與“顏色”變換維持了強作用力,所以強力也稱為色力或色動束縛力 。
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上圖是一個質子和一個中子被強力束縛的示意圖,圖中夸克所發射或吸收的“兩個小圓”是一個膠子 , 帶有顏色和反顏色 。強力既可以束縛夸克,剩余的力也能束縛質子和中子 。
為什么夸克不能獨立?夸克與夸克之間距離越來越遠時 , 所受的色動束縛力越來越強,反之距離越近所受的色動束縛力越弱 , 可以理解為一根橡皮筋,拉得越長橡皮筋的收縮力越大,反之越小 。
當“拉力”拉得越長時 , 也就是夸克之間距離越遠時,“色場”中會自發的創造出更多合適色荷的膠子來維持場的強化作用 。
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如上圖所示,當“橡皮筋”拉到一定程度時斷裂,代表能量超出一定底線,就會生出夸克、反夸克對與分離的夸克束縛在一起,形成無色的粒子,可以理解為“色荷守恒” 。
在膠子場中 , 夸克不是不能分離而獨立 , 只是分離后由合適色荷膠子瞬間“彌補”上形成新的粒子,這種現象稱為夸克禁閉 , 雖然是一個理論,但一直以來科學家們尋找不到獨立存在的夸克,這個理論慢慢的被更多人認可和接受 。
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