同位旋

质子和中子的质量相近［mp=（938.27231±0.00028）MeV，mn=（939.56563

±0.00028）MeV］，自旋都是 1/2，重子数都是 1，它们参与强相互作用时， 耦合常数相近，行为也相近。它们的差别主要表现为所带的电荷不同，从而电磁相互作用性质不同。它们质量的微小差别也可以归之于是与电荷不同有关的。这种情况在π+、π0、和π-介子之间也可以明显地看到，它们的质量相近［mπ±=（139.56995±0.00035）MeV，mπ0=（134.9764±0.0006）MeV］，

自旋都是 0，重子数都是 0，它们的强相互作用性质相近。后来发现这个分族相似的特性是能够直接参与强相互作用的粒子所具有的普遍特性。德国物理学家海森伯（Wemer Karl Heisenberg）提出，由于质子和中子如此相似，我们可以把它描写为一种粒子，即核子 N 的两个不同的带电状态。这就引进了“同位旋”的概念；并且，在强相互作用中，同位旋守恒。

“同位旋”是指在某种抽象空间中的“角动量”，在概念上与“自旋” 的概念相似，只是它们隶属于不同的空间。同位旋和自旋有极大的相似性， 它们的数学结构完全相同，同位旋守恒的数学表述也和角动量守恒的数学表述相同。它们的不同在于，自旋作为角动量，与普通三维空间中在旋转下的行为有关，因此说自旋在某一特定方向的投影时，是指普通三维空间中的某特定方向，在现实三维空间来看，这特定方向的选取并不固定，它可以是粒子的运动方向，也可以是空间外磁场的方向，还可以是别的方法确定的某个具体方向。然而，同位旋守恒定律的存在表示这抽象的同位旋空间尽管抽象， 仍具有现实的物理意义，当说同位旋在第三轴上的投影时，它的值和粒子所带电荷有关。质子和中子统称为核子，核子是同位旋为 1/2 的粒子，它在第三轴上的投影等于 1/2 时是质子，带单位正电荷；它在第三轴上的投影等于

-1/2 时是中子，不带电。π介子是一个同位旋为 1 的粒子，它在第三轴上的投影取 1、0、-1 时分别是π介子的三种不同带电状态，即π+介子、π 0 介子、π-介子。

同位旋守恒定律的确立表明要对粒子的运动状态进行完全的描写，还需引入更多的自由度。这些自由度通常称为内部自由度，同位旋自由度是人们最先认识的粒子运动的内部自由度。

除了质量、寿命、电荷、自旋、重子数和同位旋以外，还有许多表征粒子特性的物理量。这些物理量的取值反映了粒子参与的相互作用性质和行为。粒子的不同直接反映在参与的相互作用性质和行为的不同。