核子的反常自旋g因子与其结构

时间:2023-09-18 13:21:20

之前说过质子也象电子一样是一种自旋电荷,符合自旋电荷模型,这个说法不够全面。正确的说法是,质子是一种自旋电荷+同位旋元。也就是说,作为核子,质子和中子比核外轻子的结构增加了一个赋予其强相互作用的内禀属性(同位旋)。核子的反常g因子暗示了其与核外轻子不同的结构。

带电粒子的自旋产生磁矩,自旋磁矩的计算可以根据模型由公式 μ=g(e2m)sμ=g(\frac{e}{2m})s 给出,式中e和m分别是该粒子的电荷和质量,g是一个数值因子,s为自旋角动量。一般自旋为1/2的粒子,g=2。但实验测定结果并不与此相符。对于自旋均为1/2的带电粒子和中子,精确测定其g因子分别为:

电子 ge=−2.002319g_{e}=−2.002319

μ子 gμ=−2.002332g_{\mu}=-2.002332

质子 gp=+5.585695g_{p}=+5.585695

中子 gn=−3.826085g_{n}=−3.826085

上述测定结果显示,核外轻子的g因子比理论值稍有差距,这可以理解为观测效应所致。但核子的g因子偏差巨大,应该有更深层的原因。以质子为例,根据公式,由于质子电荷e和自旋角动量s是常数,质子的g因子必然与质子的质量有关。质子的g因子比一般自旋电荷的g因子大,意味着质子的质量比自旋电荷模型中的电磁质量大,质子中除了自旋电荷的电磁质量外,还有另外的质量成分。这个新质量应该来自核子的另一种赋予其强相互作用能力的内禀属性。

至于中子,可视为一个被外层负电荷包裹的质子,负电荷与其包裹的质子共用一个自旋引擎。中子不应看作包含一个质子和一个电子,而是一个质子加上一外层电荷。与质子一起自旋的外层负电荷可为中子带来额外的质量,因此中子比质子质量稍大。同时,由于外层负电荷等效半径大于被包裹质子的正电荷等效半径,因此,中子总磁矩表现为负磁矩。而中子衰变时,外层负电荷脱离,并与零点能中的电中微子形成自旋负电荷(电子),同时释放了零点能中的反电中微子,从而形成了 β\beta 衰变。

由此可见,大自然在设计核子时,除了自旋和电荷,还为其额外增加了“同位旋”结构,赋予了核子强力,也增加了其等效质量,导致其自旋g因子异常。正是核子的异常g因子,揭示了其不同于核外轻子的结构。

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