科学家谈物理—重子数 电子是最轻的带一个单位负电荷的稳定粒子,质子则是带一个单位正电 荷的稳定粒子.电荷守恒要求电子如果能衰变的

重子数 电子是最轻的带一个单位负电荷的稳定粒子,质子则是带一个单位正电 荷的稳定粒子.电荷守恒要求电子如果能衰变的话,这个单位负电荷不能消 失,必须转移到衰变后产生的某个粒子上去,但是电子本身已经是带一个单 位负电荷的最轻的粒子,这样电荷守恒实际上决定了电子的稳定性.正电子 发现后,就提出了一个理论问题:质子并不是带一个单位正电荷的最轻的粒 子,为什么质子不能衰变为一个正电子和一个光子.质子的稳定性可以用存 在一个新的守恒量来解释,这个守恒量称为重子数.规定质子的重子数为 1, 但光子和正电子的重子数为零,质子是重子数为 1 的最轻的粒子,重子数守 恒决定了重子的稳定性. 中子的重子数也是 1.在中子衰变成一个质子,一个电子和一个反中微 子的过程中,电荷是守恒的,重子数也是守恒的.中子不带电,是一种中性 粒子,但中子的重子数是 1,这表明它不是纯中性粒子.中子的反粒子是反 中子,反中子也不带电,自旋量子数也是 1/2,但它的重子数是-1,重子数 把中子和反中子区分开了. 同位旋 质子和中子的质量相近 p = [m (938.27231±0.00028) MeV, n = m (939.56563 ±0.00028)MeV],自旋都是 1/2,重子数都是 1,它们参与强相互作用时, 耦合常数相近,行为也相近.它们的差别主要表现为所带的电荷不同,从而 电磁相互作用性质不同.它们质量的微小差别也可以归之于是与电荷不同有 关的.这种情况在π+ ,π0 ,和π- 介子之间也可以明显地看到,它们的质量 相近[mπ±=(139.56995±0.00035)MeV,mπ0=(134.9764±0.0006)MeV] , 自旋都是 0,重子数都是 0,它们的强相互作用性质相近.后来发现这个分族 相似的特性是能够直接参与强相互作用的粒子所具有的普遍特性.德国物理 学家海森伯(Wemer Karl Heisenberg)提出,由于质子和中子如此相似,我 们可以把它描写为一种粒子,即核子 N 的两个不同的带电状态.这就引进了 "同位旋"的概念;并且,在强相互作用中,同位旋守恒. "同位旋"是指在某种抽象空间中的"角动量",在概念上与"自旋" 的概念相似,只是它们隶属于不同的空间.同位旋和自旋有极大的相似性, 它们的数学结构完全相同,同位旋守恒的数学表述也和角动量守恒的数学表 述相同.它们的不同在于,自旋作为角动量,与普通三维空间中在旋转下的 行为有关