中子粒子为什么如此奇特?

相比起其它粒子来说,中子的衰变速率可谓极为缓慢,其它粒子的衰变速率大都在百万分之一秒乃至万亿分之一秒之内,而一个自由的中子需要经过大约15分钟,才衰变为一个质子、一个电子和一个反中微子。但是为啥要等这么长的时间才衰变呢?部分原因是中子和质子的质量很接近,如果母粒子与子粒子质量很接近的话,那么衰变速率就会变得非常缓慢。这并不奇怪,因为如果子粒子质量要是具有更多的质量直至等于母粒子的话,那么衰变速率就会降为零。

但是,把一个中子放在一个特定的原子核里,它就变得稳定了!例如,氦原子有两个质子和两个中子,氦原子里面的中子的寿命相当于宇宙的年龄,甚至更长。事实上,这种事情发生在元素周期表中所有的稳定元素的原子核中。

这其实与能量如何发挥作用有关。我们首先就来探讨这个能量问题,然后再以氘核做例子来回答这个问题。

地球与月球

要理解这个问题,我们首先来想想地球与月球这个系统。我们知道地球的存在,会在周围空间中产生一个引力场。然后再考虑月球,很显然月球的存在会影响地球的引力场,反之亦然。所以说,地球和月球之间通过引力场有了相互作用。这种相互作用是蕴含着能量的,那具体情况是怎样的呢?

假设月球处在离地球无穷远处,那么它们之间的相互作用应该是零,我们就可以设定此时的相互作用能为零。不过事实上月球就在地球附近,如果要把月球拉倒无穷远处,我们得需要额外的能量才能推走月球,并使相互作用能变为零。那么根据能量守恒,很显然原来的相互作用能必须是负的,这样再加上额外的能量才能变为零。(其实,这种相互作用能有一个更为通俗的称呼,就是“势能”,不过为了不至于混淆,我们还是使用“相互作用能”。)

相互作用能是负的,拆开月球和地球需要正的能量——这就是为什么月球与地球不能彼此飞离。事实上,如果真要把月球和地球拆开,需要的能量十分巨大,目前人类所有的技术手段都产生不出那么多的能量。

氘核内的中子

通过类比地球与月球,我们来考虑一下氘(氢的同位素)的原子核。氘核很简单,由一个质子和一个中子构成。而质子和中子之间存在着相互作用,这样就有相互作用能,而且根据计算会发现,其绝对值大于里面粒子的动能,这正是氘核稳定的原因。下面我们来看看公式推导:

氘核的静能=质子的静能+中子的静能+质子的动能+中子的动能+相互作用能

在这个公式里,相互作用能是负值,并且其数值大于质子的动能+中子的动能,因此不难看出:

氘核的静能< 质子的静能 + 中子的静能

根据质能等价原理,很容易得出如下结论:

氘核的质量 < 质子的质量 + 中子的质量

我们之前说过,所有衰变后产生的粒子,其质量总和一定小于衰变前的母粒子质量。现在,我们终于可以回答为什么氘核内的中子不能衰变的问题了。

假设中子可以发生衰变,那么氘核就会变成两个质子、一个电子和一个反中微子。两个质子都具有正电荷,彼此排斥,与此同时,电子和反中微子也会离开现场。这样它们之间可以说没有了负的相互作用能,系统只包含所有粒子的静能和动能。既然动能总是正的,那么衰变后系统的能量至少要大于所有粒子的静能。不过,科学数据表明两个质子的静能之和就已经超过了氘核的静能,也就是说衰变后的质量大于衰变前的质量。所以,氘核内的中子不能衰变。

另外,这种情况也适用于所有的稳定的原子核,但并不是所有原子核里的中子都是稳定的,一些的不稳定元素,其内部的中子是可以衰变的。不过在衰变之前,它们都能存活一段时间。它们的衰变过程也五花八门,例如质子变成中子,中子变成质子,有的还放出阿尔法粒子等等。