原子核中為什麼中子數比質子數多?——一個諾獎級的答案

為啥要探討這個問題呢？

在知乎中，大家關於「原子核中為什麼中子數比質子數多」這個問題的探討是非常熱情的，我覺得應該把這股熱乎勁兒傳遞到頭條號中來，大家一起探討一下。當然，我先拋磚引玉，希望給大家開個好頭！

啥是原子核？

原子核是由質子和中子構成的微粒，它和電子一起構成了我們肉眼可見的世界，舉個搞破壞的例子，某人玩遊戲輸了對手機不爽，於是將手機摔壞，那麼摔壞這個過程其實就是破壞手機上原子核與電子之間的電磁吸引力。

原子核有多少種？

根據國際原子能機構核數據科公布的數據顯示，目前人類已發現的元素有118種，共計4254種原子核，比如氫元素有H0--H6共計7種同位素原子核哦！

元素周期表

言歸正傳，為什麼中子數比質子數多？

其實回答這個問題就是回答核素圖的發展規律，核素圖的發展規律：

（1）穩定核素的中子/核子數量比呈現某種規律性變化。沿x軸方向上，隨著質子數的增加，穩定核素的中核數量比由0.5趨向於0.6；

（2）不同核素的同位素數量規律。沿y軸方向上，同位素數量呈現出與空間自由度相關的特性。例：單個質子周邊有前、後、左、右、上、下六個對稱方位，最多能容納6個中子，而實際上已發現的氫同位素數量恰好是7個！此種特性同樣展現在其它核素身上，詳見核素圖

黃/紫/紅/藍線分別表示同位素連線/同位素趨近線/穩定核素趨近線/坐標0.5和0.6。

原子核結構

我們要先知道原子核的內部結構，才能知道什麼因素影響了核素圖的發展規律。

1.n、p、π結構是原子核最基本的結構

所有原子核結構都是n-p結構，而n-p結構的實質是π結構，詳見下圖

氘核結構圖

1.1任一強核力結構，均需滿足荷類型之和為零，即強中性結構；

1.2基本的強核力結構一共有4種，分別是P、N、π（π介子包括帶電和中性兩種）結構，結構所包含的荷類型如氘核結構圖所示。

2.強中性結構之間力的傳播方式

需要對同、異種粒子之間相互作用方式進行分析。

2.1判斷同種粒子之間是否存在力的作用。

例：原子是電中性結構，可是同原子之間的吸引力是形成各種單質的基礎，這說明電中性結構之間仍然存在著力的作用，那麼強力與電磁力同為中性結構，在性質是否一致呢？事實上，我們至今未曾觀測到雙p/雙n/雙π形成的結構，這就說明兩種力之間還是存在著一定的區別。

那麼我們應該怎樣理解在強相互作用發生時，相同粒子之間不能形成次級結構的原因呢？如果我們拿出兩個中子，將他們放在一起，顯然，一個中子中的+1荷可以與另一個中子中的兩個對應荷形成中性結構，即兩個新中子，中子與中子之間繼續交換，...這種夸克層次的荷交換，並不影響明面上兩個中子的存在感。

2.2判斷異種粒子之間是否存在力的作用。

2.2.1 p-n結構實質上就是π結構，力的強弱與夸克間距有關。

2.2.2 p-π、p-π、π-π結構理論上可以構建，本文專門研究原子核的規律，暫不探討。

3.不同核素的同位素數量規律

同位素的數量與空間自由度存在著必然聯繫，任何一個質子存在著想x/y/z三個方向自由度，那麼為了保證n-p結構中受力平衡，1個p最多可能與前、後、左、右、上、下6個中子形成n-p結構；同理，1個n同樣最多只能與6個p形成n-p結構。

氫同位素結構圖

在不考慮靜電排斥力的情況下，118種元素的同位素均受此規律約束。

4.穩定核素的中子/核子數量比呈現某種規律性變化

經研究發現，在質子數較少時，穩定核素的中/核數量比約0.5，質子數趨向於118時，中/核數量比趨近於0.6，這是什麼原因呢？

如上文所述，任一個質子最多可與六個中子形成強核力結構，實際上這是由圖（二）所示荷類型決定的，如果從傳播媒介角度來分析，1個n中存在2個d夸克，那麼它可以釋放2個π﹣，即與2個p發生媒介交換，如下圖。

穩定核素鏈式結構圖

大家一定很詫異原子核為什麼不是圓的吧！但確實如此！

強荷類型決定同位素結構，傳播媒介決定穩定核素結構。對於p-n結構而言，p、n交替出現形成的鏈式結構顯然是最適於傳播核力，故為最穩定。

設質子數為N，穩定同位素中子數一般為三種類型:N-1,N,N+1(N>=1)，其平均中子數=N，中/核比=N/(N+N)=0.5

，這是靜電排斥力很小，相較強核力可以忽略不計時候的情況。

當質子數趨近於118時，我們需要考慮兩樣問題，1.隨著質子數的增加，原子核中的靜電排斥力也在加大，當排斥力接近於強核力時，原子核的穩定性將減弱，這個時候，我們只能通過增加中子數來抵消靜電排斥力；2.另一方面，過多的中子會影響到原子核的穩定性。

我們只需考慮排斥力=吸引力時的控制線，原有的穩定結構核素鏈式結構圖考慮了1個p對應一個n的情況；由於排斥力地增加，我們嘗試考慮1個p對應2個n的情況；由於過多的中子會破壞原子核的穩定性，考慮排斥力=吸引力時，1個p對應1.5個n。即隔一插一中子，中子數增加N/2,，中子數合計(N+N/2)=3N/2，中核數量比為3N/2/(3N/2+N)=0.6.

中子隔一插一形成核素結構

結論

在正文中，我們結合強子的荷分布情況定性解釋了不同核素的同位素數量規律，和穩定核素的中子/核子數量比呈現某種規律性變化，結果是成功的。這兩個問題反映了核素圖的發展規律。經過分析，發現強荷類型決定同位素結構，傳播媒介決定穩定核素結構，通過本文的研究我們得到了通用版的核素結構圖，在下一步中，我們將通過核素結構圖精確求解原子核的結合能，將粒子物理帶入新的歷程！

引用

[1] Huang, Z. (2018). A Strong Force Potential Formula and the Classification of the Strong Interaction. Open Access Library Journal,5,e4187.doi:http://dx.doi.org/10.4236/oalib.1104187.

[2] https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html