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第三章 微观世界学 095

2. 夸克的自旋和电荷
夸克的自旋为 1/2。因此根据自旋统计定理，它们是费米子，遵守泡利不相容

原理，即两个相同的费米子不能同时拥有相同的量子态。这一点跟玻色子相反（拥
有整数自旋的粒子），在相同的量子态上相同的玻色子没有数量限制。跟轻子不同

的是，夸克拥有色荷，因此它们会参与强相互作用。因为这种夸克间吸引力的关系，
而形成的复合粒子，叫做“强子”。

它们具有分数电荷，是基本电量的 +2/3 或 -1/3 倍，自旋为 1/2。其空间尺度是
-19
微观粒子中最小的，大约小于 10 m。
夸克的电荷值为分数—基本电荷的 +2/3 倍或 -1/3 倍，随味而定。上、粲及顶
夸克（这三种叫“上型夸克”）的电荷为 +2/3，而下、奇及底夸克（这三种叫“下
型夸克”）的电荷则为 -1/3。反夸克与其所对应的夸克电荷相反。由于强子的电荷

为组成它的夸克的电荷总和，所以所有强子的电荷均为整数：三个夸克的组合（重
子）、三个反夸克（反重子）或一个夸克配一个反夸克（介子）加起来电荷值都是

整数。例如，组成原子核的强子—中子和质子—其电荷分别为 0 及 +1。
3. 夸克弱相互作用

夸克只能通过弱相互作用，由一种味转变成另一种味。弱相互作用的发现源于
对原子核 β 衰变的研究。任何上型的夸克（上、粲及顶夸克）都可以通过吸收或

释放 W 玻色子而变成下型的夸克（下、奇及底夸克），反之亦然。这种变味机制
正是导致 β 衰变这种放射过程的原因：在 β 衰变中，一个中子（n）“分裂”成
一个质子（p）、一个电子（e）及一个反电子中微子（νe）。在 β 衰变发生时，

中子（udd）内的一个下夸克在释放一个虚 W 玻色子后，随即衰变成一个上夸克，
于是中子就变成了质子（uud）。随后 W 玻色子衰变成一个电子及一个反电子中微子。

β 衰变及其逆过程“逆 β 过程”在医学上都有常规性的应用，例如正电子发
射计算机断层扫描。这两个过程在高能实验中也有应用，如中微子探测。

4. 夸克强相互作用与色荷
掌管夸克之间相互作用的系统是由三种色的各种不同组合所负责，叫强相互作

用，它是由一种叫胶子的规范玻色子所传递的。描述强相互作用的理论叫量子色动
力学（QCD）。一个带有某种色荷的夸克，可以和一个带对应反色荷的反夸克，一
起生成一个束缚系统；三个（反）色荷各异的（反）夸克，也就是三种色各取一种，