我們都知道物質多由原子構成，原子有原子核與核外電子，而原子核裡通常又有質子和中子。照理說大家各司其職、相安無事，但實際上物質世界卻不總是這麼簡單。萬物有其壽命，有時候也會發生一些變化，當條件合適時，中子會搖身一變成為質子，質子也能變為中子，這個時候物質的本身就會產生變化，成了完全不同的東西。

質子與中子的結構

最早，科學家告訴我們原子是這世界上最小的東西，它是組成一切物體的最小單位，不能再分。但現代物理學告訴我們，不僅原子可以分成質子中子與電子，連質子和中子都可以分成夸克這樣更小的粒子。這樣分來分去，使得量子世界變得豐富多彩起來。

質子與中子都是由夸克組成的，每個質子和中子裡都有三個夸克，夸克的不同決定了重子（質子和中子都屬於重子）的性質，它到底是質子呢，還是中子？

夸克的分類

質子由兩個上夸克和一個下夸克構成，中子由一個上夸克和兩個下夸克構成，在一個重子中單個夸克的顏色分配是任意的，但必須存在所有紅綠藍三種顏色。夸克之間的力量是由膠子介導，也就是說重子中的膠子負責傳遞力，將夸克們粘合在一起。

質子與中子的結構

由此我們可以看出，質子與中子的區別只在於一個夸克，如果其中一個上夸克變成了下夸克，質子就變成了中子，反之亦然。

夸克的味道與顏色

細心的你一定從前一節發現了些什麼：夸克分了六種不同的類型，並且夸克還有不同的顏色！

夸克的六種不同類型通常稱為六種不同的“味道”（風味），這是粒子物理學標準模型對基本粒子分類的稱呼。六種味道的夸克質量各不相同，但大體上呈兩兩對應的關係：上對下，粲對奇，頂對底，而上、粲和頂夸克之間的質量相差巨大。

夸克質量對比，左下角灰色球代表質子，紅點代表電子

上、下夸克是所有夸克中質量最小的。上夸克與下夸克的質量差別不大，其中上夸克質量約為1.7~3.3(MeV/c²)，下夸克為4.1~5.8(MeV/c²)，下夸克比上夸克重。中子有兩個下夸克，質子只有一個下夸克，所以中子要比質子重一點點。

從上圖你可能發現，上下夸克的質量與質子的質量似乎也不成比例，事實的確如此：質子的質量大約是938(MeV/c²)，但其中三個夸克加起來的質量卻只有9.4(MeV/c²)，多出來的那麼多質量從哪裡來的？答案是膠子，無論是質子還是中子，它們中的三個夸克都是泡在“膠子湯”裡，重子的質量主要來自於那一大鍋“湯”。這鍋“湯”其實是粒子間強相互作用力形成的粒子場，它主要由膠子提供。在量子物理中，膠子是矢量玻色子，與光子一樣屬於規範玻色子，它自身的質量為0。我們可以說膠子是無形的，它不是粒子，它是場。

質子就像是一鍋湯，裡邊只有三顆夸克湯圓

根據量子色動力學，夸克具有一種稱為“色電荷”的性質。顏色電荷有三種類型，通常將其標記為藍色、綠色和紅色。當三個不同顏色的夸克通過強相互作用力組合在一起時，就形成了“白色”的重子。事實上夸克們並不是真的有什麼顏色，根據不同電荷性質給它們標註上顏色是為了理論上方便研究和理解。

夸克的轉化

到目前為止物理學家們總共發現了六種味道的夸克，但其中四種大質量的夸克都是通過強子對撞機人造出來的，一般認為在宇宙中它們只會出現在宇宙射線最強烈的地方，這些重夸克會迅速地衰變成質量較小的夸克。由於上夸克和下夸克的質量最小，所以這兩味夸克在宇宙中最穩定也最常見。

這不意味著輕的夸克就不會發生變化，由於下夸克比上夸克更重，所以下夸克還有進一步衰變成上夸克的趨勢。

在擁有兩個以上質子的原子核中，質子因為都擁有正電荷，它們互相的排斥力很大，這時候就需要中子來進行“中和”，質子和中子通過核力結合在一起。除了單質子氫原子之外，中子是原子核的穩定性所必需的因素。我們知道原子序數定義了原子的化學性質，它代表原子核裡的質子數量，中子數則決定了同位素或核素。當原子核中的質子數與中子數量相當時，原子核表現穩定，而那些中子數量過多的核素就會發生β衰變，中子會變成質子。這源於中子的下夸克發生了變化。

中子的β衰變

當一個原子核中質子數量與中子數量不平衡，其中存在的弱相互作用力就會促使其中的某一箇中子產生變化，它會使中子裡的一個下夸克改變其“味道”，衰變為一個同樣顏色的上夸克，同時發射一個W⁻玻色子來彌補質量虧損。W⁻玻色子並不穩定，它隨即衰變為一個電子和一個反電子中微子。其結果是中子變成了質子，同時發射了一個電子和一個反電子中微子。

中子β衰變的費曼圖

中子與質子的轉化——β衰變與逆β衰變

一般情況下中子通過核力與原子核相互結合，有效地緩和質子之間的排斥力，起到穩定原子核的作用。只要原子核內力的平衡關係不被打破，中子就會保持穩定，不會發生衰變。在自然界穩定的同位素中，中子的壽命非常長。

對於自由中子來說，情況就會發生改變。在原子核外的自由中子非常不穩定，它們的平均壽命僅為881.5±1.5s（約14分42秒），絕大多數的中子會衰變成質子、一個電子和一個反電子中微子，約有千分之一的中子還會發射γ射線，還有極少數（約百萬分之四）會發生“雙體（中子）衰變”，變成中性的氫原子。

前文提到，夸克的衰變是由高質量的下夸克向低質量的上夸克轉變，上夸克最穩定，所以擁有兩個上夸克的質子是宇宙中最穩定的重子，它的預測壽命可以長達10²⁹年。但這不意味著質子不能轉變為中子，質子轉變為中子的過程被稱為逆β衰變（IBD）。

逆β衰變的費曼圖

當質子遭到一個反電子中微子的轟擊時，它會變成中子，並向外發射一個正電子。但這個條件非常苛刻，我們都知道中微子是最小的粒子，並且這個最小的粒子需要攜帶至少1.806MeV的動能（稱為閾值能量）準確轟擊質子時才能啟動IBD反應。由於正電子產生後會與附近的電子互相湮滅併發出閃光，因此逆β衰變可以被我們觀測到。當然，它是在人工狀態下通過極大量的實驗才能得到結果。

結論：

質子與中子都由夸克構成，夸克“味道”和數量的不同決定了一個重子到底是質子還是中子。

中子中有兩個下夸克和一個上夸克，質子中有一個下夸克和兩個上夸克。下夸克比上夸克重，因此下夸克比較容易衰變為上夸克。

當原子核內部質子與中子的比例失衡，其重子間的強力會發生變化，其弱力會誘發中子的下夸克發生衰變。當下夸克衰變為上夸克時，它會釋放W⁻玻色子，W⁻玻色子進一步衰變為一個電子和一個負電子中微子發射出來。這被稱為β衰變。

上夸克比下夸克輕，它不能自發轉化為下夸克，因此質子不能自動轉變為中子，只有受到中微子的強大動能轟擊時，質子才能逆轉成為中子，並釋放一個正電子。要實現逆β衰變是很不容易的，你需要瞄得很準，並且射的力度足夠大才行。

β衰變與逆衰變其實就是一個夸克的變化

無論是β⁻衰變還是β⁺衰變都有其它的誘發方式，鑑於篇幅原因在這裡不多做介紹了。感謝你的閱讀與關注，歡迎你在評論區留言。