是什么力让原子核中的质子紧挨在一起？ 第1页

从核子尺度上说，是强（核）力让原子核中的质子和中子吸引在一起，

而从更基本的结构看，

强（核）力是夸克之间强相互作用在核子尺度上的一种剩余作用。

1、核子尺度

到1932年的时候，人们就已经知道了原子核是由带电的质子和不带电的中子构成的。

但是原子核的大小只有几个飞米( ，即 )，

在这么小的空间内，质子之间应该会存在非常强的电磁斥力，

原子核瞬间就会分崩离析，

但是，现实中的原子核非常稳定的存在。

因此，质子/中子之间必须存在一种更强的吸引力，

这种力就叫做强力。

强力只在原子核内的范围有明显作用，

超出原子核后迅速衰减。

类比电磁相互作用是通过电磁场（其量子化后的粒子即为光子）传递的，

1935年， 日本物理学家汤川秀树认为，

强力是经过强力场传递的，强力场量子化后的粒子叫做 介子。

（图片来自^[1]）

介子一共有三种：中性介子、带正电性介子以及带负电介子。

（分别记为： ， ， ）

光子是无质量的，电磁力的作用距离为无限远；

与此对应，传递强力的 介子是有质量的，

强力的传播距离与 介子质量的关系为：

其中 为介子质量， 为光速， 为约化普朗克常数 .

经过简单的估算就可以知道，

^[2]

1947年，带电介子在宇宙射线中被发现，其质量为 （大约是电子质量的280倍）,

与汤川秀树的预言一致，他也因此获得1949年的诺贝尔物理学奖^[3]。

2、夸克尺度

随着粒子物理的发展，人们逐渐意识到，

质子、中子、介子等粒子应该是由更基本的粒子构成的。

1964年，Gell-Mann和Zweig同时提出来夸克模型，

在夸克模型中，质子、中子、介子均是通过上夸克（u quark）和下夸克（d quark）的不同组合构成的；

20世纪70年代，用于描述夸克之间相互作用的量子色动力学（QCD， Quantum Chromodynamics）也逐渐建立起来。

在量子色动力学中，夸克之间存在强相互作用，

夸克之间的强相互作用通过胶子传递（这个其实跟电磁相互作用由光子传递更为接近）。

在夸克模型中：

质子是由两个上夸克和一个下夸克构成(uud)，

中子是由一个上夸克和两个下夸克构成(udd)，

是由正反上下夸克对构成( ， 代表反上夸克)，

由一个上夸克和一个反下夸克构成，

由一个下夸克和一个反上夸克构成。

因此，质子/中子之间的强力，

其本质上是构成质子/中子的夸克之间的强相互作用，

不同质子/中子的夸克，

通过交换也是由夸克构成的介子产生强力，

强力本质上是强相互作用在不同质子/中子之间的剩余相互作用

（上图来自^[4]）

图中演示了质子和中子交换了一个而产生的强力。

这一点也可以通过费曼图来展现^[4]：

3、最后

题目中问：

是什么力让原子核中的质子紧挨在一起？

实际上，原子核中的质子并不会“紧挨在一起”，

往往是由中子隔开一定的间距，

这也是关系到原子核的稳定性。

具体可参考本人回答：

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参考

1. ^ https://www.britannica.com/biography/Yukawa-Hideki
2. ^ MeV, 高能物理中常用的质量/能量单位，比如，电子的质量为0.511 MeV
3. ^ https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1949/summary/
4. ^ ^{a b} https://en.wikipedia.org/wiki/Pion#History