原子核中为什么中子数比质子数多？——一个诺奖级的答案

为啥要探讨这个问题呢？

在知乎中，大家关于“原子核中为什么中子数比质子数多”这个问题的探讨是非常热情的，我觉得应该把这股热乎劲儿传递到头条号中来，大家一起探讨一下。当然，我先抛砖引玉，希望给大家开个好头！

啥是原子核？

原子核是由质子和中子构成的微粒，它和电子一起构成了我们肉眼可见的世界，举个搞破坏的例子，某人玩游戏输了对手机不爽，于是将手机摔坏，那么摔坏这个过程其实就是破坏手机上原子核与电子之间的电磁吸引力。

原子核有多少种？

根据国际原子能机构核数据科公布的数据显示，目前人类已发现的元素有118种，共计4254种原子核，比如氢元素有H0–H6共计7种同位素原子核哦！

元素周期表

言归正传，为什么中子数比质子数多？

其实回答这个问题就是回答核素图的发展规律，核素图的发展规律：

（1）稳定核素的中子/核子数量比呈现某种规律性变化。沿x轴方向上，随着质子数的增加，稳定核素的中核数量比由0.5趋向于0.6；

（2）不同核素的同位素数量规律。沿y轴方向上，同位素数量呈现出与空间自由度相关的特性。例：单个质子周边有前、后、左、右、上、下六个对称方位，最多能容纳6个中子，而实际上已发现的氢同位素数量恰好是7个！此种特性同样展现在其它核素身上，详见核素图

黄/紫/红/蓝线分别表示同位素连线/同位素趋近线/稳定核素趋近线/坐标0.5和0.6。

原子核结构

我们要先知道原子核的内部结构，才能知道什么因素影响了核素图的发展规律。

1.n、p、π结构是原子核最基本的结构

所有原子核结构都是n-p结构，而n-p结构的实质是π结构，详见下图

这幅氘核结构图同时反映了p/n/π四种基本粒子结构图哦！

1.1任一强核力结构，均需满足荷类型之和为零，即强中性结构；

1.2基本的强核力结构一共有4种，分别是P、N、π（π介子包括带电和中性两种）结构，结构所包含的荷类型如氘核结构图所示。

2.强中性结构之间力的传播方式

需要对同、异种粒子之间相互作用方式进行分析。

2.1判断同种粒子之间是否存在力的作用。

例：原子是电中性结构，可是同原子之间的吸引力是形成各种单质的基础，这说明电中性结构之间仍然存在着力的作用，那么强力与电磁力同为中性结构，在性质是否一致呢？事实上，我们至今未曾观测到双p/双n/双π形成的结构，这就说明两种力之间还是存在着一定的区别。

那么我们应该怎样理解在强相互作用发生时，相同粒子之间不能形成次级结构的原因呢？如果我们拿出两个中子，将他们放在一起，显然，一个中子中的+1荷可以与另一个中子中的两个对应荷形成中性结构，即两个新中子，中子与中子之间继续交换，…这种夸克层次的荷交换，并不影响明面上两个中子的存在感。

2.2判断异种粒子之间是否存在力的作用。

2.2.1 p-n结构实质上就是π结构，力的强弱与夸克间距有关。

2.2.2 p-π、p-π、π-π结构理论上可以构建，本文专门研究原子核的规律，暂不探讨。

3.不同核素的同位素数量规律

同位素的数量与空间自由度存在着必然联系，任何一个质子存在着想x/y/z三个方向自由度，那么为了保证n-p结构中受力平衡，1个p最多可能与前、后、左、右、上、下6个中子形成n-p结构；同理，1个n同样最多只能与6个p形成n-p结构。

氢同位素结构图

在不考虑静电排斥力的情况下，118种元素的同位素均受此规律约束。

4.稳定核素的中子/核子数量比呈现某种规律性变化

经研究发现，在质子数较少时，稳定核素的中/核数量比约0.5，质子数趋向于118时，中/核数量比趋近于0.6，这是什么原因呢？

如上文所述，任一个质子最多可与六个中子形成强核力结构，实际上这是由图（二）所示荷类型决定的，如果从传播媒介角度来分析，1个n中存在2个d夸克，那么它可以释放2个π﹣，即与2个p发生媒介交换，如下图。

稳定核素链式结构图，大家一定很诧异原子核为什么不是圆的吧！但确实如此！

强荷类型决定同位素结构，传播媒介决定稳定核素结构。对于p-n结构而言，p、n交替出现形成的链式结构显然是最适于传播核力，故为最稳定。

设质子数为N，稳定同位素中子数一般为三种类型:N-1,N,N+1(N>=1)，其平均中子数=N，中/核比=N/(N+N)=0.5

，这是静电排斥力很小，相较强核力可以忽略不计时候的情况。

当质子数趋近于118时，我们需要考虑两样问题，1.随着质子数的增加，原子核中的静电排斥力也在加大，当排斥力接近于强核力时，原子核的稳定性将减弱，这个时候，我们只能通过增加中子数来抵消静电排斥力；2.另一方面，过多的中子会影响到原子核的稳定性。

我们只需考虑排斥力=吸引力时的控制线，原有的稳定结构核素链式结构图考虑了1个p对应一个n的情况；由于排斥力地增加，我们尝试考虑1个p对应2个n的情况；由于过多的中子会破坏原子核的稳定性，考虑排斥力=吸引力时，1个p对应1.5个n。即隔一插一中子，中子数增加N/2,，中子数合计(N+N/2)=3N/2，中核数量比为3N/2/(3N/2+N)=0.6.

中子隔一插一形成核素结构

结论

在正文中，我们结合强子的荷分布情况定性解释了不同核素的同位素数量规律，和稳定核素的中子/核子数量比呈现某种规律性变化，结果是成功的。这两个问题反映了核素图的发展规律。经过分析，发现强荷类型决定同位素结构，传播媒介决定稳定核素结构，通过本文的研究我们得到了通用版的核素结构图，在下一步中，我们将通过核素结构图精确求解原子核的结合能，将粒子物理带入新的历程！

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