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次原子粒子
結(jié)構(gòu)比原子更小的粒子
粒子定義
次原子粒子
今天所知的所有基本粒子都可以用一個叫做標準模型的量子場論來描寫。標準模型是目前粒子物理學(xué)中最好的理論，它包含47種基本粒子，這些基本粒子相互結(jié)合可以形成更加復(fù)雜的粒子。雖然如此大多數(shù)粒子物理學(xué)家相信它依然是一個不完善的理論，一個更加基本的理論還有待發(fā)現(xiàn)。這段時間發(fā)現(xiàn)的中微子靜質(zhì)量不為零是第一個與標準模型出現(xiàn)偏差的實驗觀測。
粒子物理學(xué)對科學(xué)哲學(xué)的沖擊非常大，一些粒子物理學(xué)家依然堅持還原論，這個老的理論受到許多哲學(xué)家和科學(xué)家的批評。
發(fā)現(xiàn)
在1884年湯姆生年僅28歲，就擔任英國劍橋大學(xué)卡文迪許(Cavendish)實驗室的主任。這位被稱為“年輕小伙子”自己也感到十分驚訝，想不到這位年輕人卻使設(shè)備簡陋的實驗室轉(zhuǎn)變成為世界上最負盛名的實驗核子物理重鎮(zhèn)。湯姆生和他的學(xué)生拉塞福是最早證實空氣被X射線游離。從這游離現(xiàn)象推導(dǎo)出游離輻射(放射線)，也就是由原子釋出能量范圍廣大的電磁波和粒子輻射。電子是屬于次原子級的粒子，湯姆生是證明次原子級粒子存在的第一位，從此打開了次原子級的門戶，導(dǎo)致他的高足拉塞福在核子物理領(lǐng)內(nèi)的貢獻。后來湯姆生證實電子和物質(zhì)相互作用的結(jié)果會產(chǎn)生X射線，而X射線和物質(zhì)相互作用的結(jié)果卻會產(chǎn)生電子。
基本結(jié)構(gòu)
亞原子粒子可分為兩大類：輕子和夸克?？淇藳]有被發(fā)現(xiàn)單獨存在，而是兩個或三個地在一起?？淇说碾姾墒欠謹?shù)的。一切普通的物質(zhì)都是由Ⅰ層面的粒子構(gòu)成的。Ⅱ?qū)用婧廷髮用嫠坪跏洽駥用娴暮唵螐?fù)制，其中的粒子是高度不穩(wěn)定的?？赡苌杏形窗l(fā)現(xiàn)的層面。
還為了理解超對稱，就得說說物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)分析的另一個大線索：力。不管粒子動物園有多么紛繁復(fù)雜，其中看來只有四種基本的力：引力，電磁力（因與日常生活密切相關(guān)而廣為人知），弱作用力和強作用力。中子和質(zhì)子之間的強力，當然不可能是基本力，因為中子和質(zhì)子本身就是復(fù)合物而不是基本粒子。當兩個質(zhì)子相互吸引時，實際上看到的，就是六種夸克相互作用的合力。這有兩個原因。第一，夸克有三色，而電荷卻只有一種，于是，與一種光子相對應(yīng)的就是八種不同的膠子。第二，膠子也有顏色，因而彼此也有很強的相互作用，而光子不帶電荷，彼此間又是那么不相干。
20多年前，某些富有遠見的理論物理學(xué)家突然想到，大自然有四種基本力，這數(shù)目似乎太多了。很可能這四種基本力并不是真正獨立的。麥克斯韋在19世紀60年代提出了一個數(shù)學(xué)式，使 電力和磁力統(tǒng)一于一個單一的電磁場理論。很可能還會有進一步的綜合。
一種徘徊不去的難以解決的數(shù)學(xué)問題更推動了某些理論物理學(xué)家作如是想。但同一個數(shù)學(xué)特技對其他三種力卻不靈。人們希望，通過某種方式把電磁力和其他三種基本力結(jié)合進一個單一的描述式，這一個單一的描述式所具有的數(shù)學(xué)溫順性會消解電磁力之外的其他三種力，使人們能夠得出一個可以理解的算式。
實現(xiàn)這一宏偉目標的第一步是斯蒂芬·溫伯格和阿布杜斯·薩拉姆在1967年邁出的。他們成功地改造了電磁力和弱作用力的數(shù)學(xué)表達式，使這兩種力被結(jié)合進一個統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達式之中。他們的理論表明，通常之所以把電磁力和弱作用力看成是不同的力（確實，二者在性質(zhì)上顯著不同），是因為在現(xiàn)行的實驗中所利用的能量極低。當然，這里所說的“低”是相對而言：現(xiàn)在的加速器可以給一次對撞足夠大的能量，假如這能量不是加在一個質(zhì)子上而是加在一個臺球上的話，釋放出來的能量就會為一個普通人家提供幾百萬年之需！不過，溫伯格—薩拉姆理論有一種內(nèi)含的能量單位，這種單位的能量只是到了現(xiàn)在才能由現(xiàn)有的技術(shù)達到。上面所說的現(xiàn)行實驗所利用的能量“低”，也是與這種單位相對而言的。
在20世紀70年代，實驗的證據(jù)慢慢積累起來，情況變得有利于溫伯格—薩拉姆理論。1980年，他們?yōu)樵诮y(tǒng)一力研究方面的工作獲得了諾貝爾獎。1971年就已經(jīng)證明，那令人頭痛的無窮可以象所希望的那樣，在一個統(tǒng)一式中被掃除，物理學(xué)家們開始談?wù)摯笞匀坏娜N而不是四種基本力了。
那令人頭痛的無窮之所以能被掃除，其主要原因是在統(tǒng)一力的理論中出現(xiàn)了更加抽象的對稱群。人們早就知道，麥克斯韋優(yōu)美的電磁理論之所以有力量，之所以優(yōu)美，在很大程度上要歸功于該理論的數(shù)學(xué)描述中所顯示出來的平衡和對稱。統(tǒng)一力的理論中又來了平衡，這平衡被稱作規(guī)范對稱，是一種抽象的平衡。但這種平衡能讓人想起日常生活中的事。
可以用攀登斷崖的例子來說明規(guī)范對稱。從崖底攀到崖頂要耗費能量。但是，由下往上攀登有兩條途徑。一條較短，是垂直著直接登上崖頂；再一條較長，是順著較緩的坡道登上崖頂。這兩條途徑哪一條更有效率呢？（見圖24）回答是：兩條途徑都要耗費相同的能量（在這里，對諸如摩擦之類不相關(guān)的復(fù)雜情況忽略未計）。實際上很容易證明，攀登崖頂所需的能量是與所選用的途徑完全無關(guān)的。這，就是規(guī)范對稱。
上面所舉的例子說的是引力場的一個規(guī)范對稱，因為要攀上崖頂，必須克服的是引力。規(guī)范對稱適用于電場，也適用于與電場類似但更為復(fù)雜的磁場。
現(xiàn)已證明，電磁場的規(guī)范對稱是與光子沒有質(zhì)量的特性密切相關(guān)的，同時，也是使統(tǒng)一力理論避開災(zāi)難性的無窮的一個關(guān)鍵性因素。溫伯格和薩拉姆終于馴服了弱力，使之與電磁力合并起來。
物理學(xué)家們受到統(tǒng)一規(guī)范理論成功的鼓舞，把注意力轉(zhuǎn)向了另一種核力——夸克間的色動力。不久之后，就提出了色規(guī)范理論，接著，有人便試圖將弱力和色動力統(tǒng)一到一個“大統(tǒng)一理論”（GUT）中去，辦法是使用更大的規(guī)范對稱將所有的其他對稱包容在一個規(guī)范對稱之中。目前，估價GUT的成就還為時尚早，但至少它所作的一個預(yù)測——經(jīng)過無限長的時間之后，質(zhì)子可能會很不穩(wěn)定并自發(fā)地衰變——現(xiàn)在正有人進行檢驗。但是，引力仍是沒有就范。無窮的難題報復(fù)性地纏住引力不放。現(xiàn)在，物理學(xué)家越來越傾向認為，只有在包含了某種超對稱的一種超統(tǒng)一理論中，這一難題才會獲得解決。一大群數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家正在為創(chuàng)制一個這樣的理論而奔忙。這一理論的目標，是那不可抗拒的統(tǒng)一場理論的夢想——一個單一的力場，涵蓋大自然的所有的力：引力，電磁力，弱作用力和強作用力。但是，這還遠遠不夠。量子粒子和作用于這些粒子之間的力表明，任何一種力的理論同時也是一個粒子的理論。那么，超統(tǒng)一理論也應(yīng)當能完全描述一切夸克和輕子，解釋為什么在表1中有三個層面的粒子。
有人說，要是真能達到這個令人目眩的目標，也就是達到了基本物理學(xué)的頂點，因為象超統(tǒng)一理論這樣的一個理論能夠解釋一切物質(zhì)的行為和結(jié)構(gòu)——當然，是以一種還原論的方式進行解釋。有了超統(tǒng)一理論，就能夠用一個方程式，用一種宇宙的總公式把大自然的一切秘密都寫下來。這樣的一個成就會證實人們長久以來所寵愛的信仰——宇宙是按照一個單一的、質(zhì)樸的，具有驚人的優(yōu)美的數(shù)學(xué)原理運行的。約翰·惠勒下面的話，就表達了人們要達到這一最終目標的迫切心情：“總有一天，有一扇門肯定會開啟，顯露出這個世界的閃閃發(fā)光的中心機制，既質(zhì)樸，又優(yōu)美?！?/span>
離這智慧的極樂世界還有多遠呢？理論物理學(xué)家們現(xiàn)在正把他們的希望押在一套理論上。這套理論的名稱叫超引力。這套理論的關(guān)鍵是一種奇異的超對稱，這超對稱被描述為時空的平方根。它的意思是，假如兩個超對稱運算式相乘，就會得到一個普通的幾何對稱運算，如空間中的移動。
乍看之下，這種抽象似乎沒有什么大用處，但仔細分析就可以看到，超對稱與一個粒子可能具有的最基本的屬性之一——旋轉(zhuǎn)——有著密切的關(guān)系。人們發(fā)現(xiàn)，所有的夸克和輕子都以一種頗為神秘的方式旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在且不管它如何旋轉(zhuǎn)。要關(guān)心的是，那些“信使”粒子——膠子、光子、還有引力和弱力的相應(yīng)的粒子——或者是不旋轉(zhuǎn)，或者是以一種正常的而不是神秘的方式旋轉(zhuǎn)。超對稱的意義就在于，它把以神秘的方式進行旋轉(zhuǎn)的粒子和其他的粒子聯(lián)系了起來，正如同位旋對稱把質(zhì)子和中子聯(lián)系起來一樣。于是，超對稱的運作能把一個旋轉(zhuǎn)的粒子變成一個不旋轉(zhuǎn)的粒子。當然，這里所說的“運作”指的是數(shù)學(xué)步驟。實際上，把一個旋轉(zhuǎn)的粒子變成一個不旋轉(zhuǎn)的粒子是不可能的，正如不能把左手變成右手一樣。
通過把引力理論置于超對稱的構(gòu)架之中，引力的信使粒子（稱作引力子）就獲得了以一種“好玩的”方式旋轉(zhuǎn)的同伴粒子（稱作gravitinos），以及其他的粒子。這么多種類的粒子進入超引力理論，這就有力地表明，那可怕的無窮難題被壓下去了，而且，到目前為止利用這一理論進行的一切具體運算得出的結(jié)果都是有窮的。
在最為人們看好的一種超引力理論中，整個的粒子大家族的成員總數(shù)不超過70。這種理論所包含的許多粒子都能夠被認定就是現(xiàn)實世界中已知的粒子。對此看法，有人提出了反對意見，認為物質(zhì)的結(jié)構(gòu)沒有比夸克更低的層面了，夸克的世界已經(jīng)是原子核的大了模糊不清的東西，在這一尺度上談?wù)撌裁礀|西存在于什么東西“之內(nèi)”就變得無意義了。因此，關(guān)于是否還有更基本的物質(zhì)單位的研究工作仍在進行。
我希望，我對物理學(xué)家們正在進行的揭示物質(zhì)終極結(jié)構(gòu)的工作所做的簡略介紹，至少能讓大家對待物理學(xué)研究有點認識。物理學(xué)家對待其研究對象的態(tài)度近乎敬畏，因為他們總是受一種信仰的支配，這就是，大自然是由數(shù)學(xué)的優(yōu)美和質(zhì)樸統(tǒng)治的；通過深入探究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，大自然的統(tǒng)一性將會顯明出來。迄今為止的一切經(jīng)驗表明，所探尋的系統(tǒng)越小，所發(fā)現(xiàn)的原理就越一般。按照這一經(jīng)驗來看，被偶然發(fā)現(xiàn)的世界的復(fù)雜性，在很大程度上純是的物質(zhì)取樣系統(tǒng)的能量相對較低的結(jié)果。人們相信，隨著取樣系統(tǒng)的能量越來越高，大自然的統(tǒng)一性和質(zhì)樸性也會變得越來越鮮明。這也就是為什么這么多的人力物力被投入建造超高能粒子加速器的緣故。人們想通過超高能粒子加速器闖進那質(zhì)樸的狀態(tài)去探尋究竟。
然而，曾經(jīng)有過那么一個時期，當時，這種質(zhì)樸的狀態(tài)被大自然探尋過。那時，宇宙在大爆炸中誕生還沒有一秒，當時的溫度高達1027度，正好可以用作探尋原初質(zhì)樸狀態(tài)所需的能量。這一段時間，物理學(xué)家們稱之為大統(tǒng)一時代，因為當時的物理正是受基本力的大統(tǒng)一理論的過程支配的。在第三章里所提到的至關(guān)重要的非平衡就是在當時確立的，而有了那種非平衡，才導(dǎo)致了物質(zhì)稍稍多于反物質(zhì)。后來，隨著宇宙的冷卻，原初的統(tǒng)一力也分化為三種不同的力——電磁力，弱作用力，強作用力。這些力都是力量相對冷卻下來的宇宙中所看到的。
今天的復(fù)雜的物理，是由原初大爆炸火焰構(gòu)成的質(zhì)樸的物理冷卻而成的。這種看法，倒是美妙而吸引人。大自然的最終原理，也就是惠勒所孜孜以求的“閃光的中心機制”，因能量不足而難以窺見。假如人們追蹤到大統(tǒng)一時代以前的那些時期，追到離時間起始處更近、溫度更高的地方，就可以找到超引力了。超引力所代表的，就是存在的起始，在起始之處，時間和空間同基本力都結(jié)為一體。大多數(shù)物理學(xué)家認為，時空的概念在超引力時代之內(nèi)是不能用的。實際上，有跡象顯示，時間和空間也應(yīng)被看作是兩種場，這兩種場本身也是先幾何元素組成的原初湯“冷卻”而成的。因而，在這超引力的時代中，大自然的四種力是渾沌一體的，而時空則尚未成一個象樣子的形。當時的宇宙只是一堆超質(zhì)樸的元件，是一些上帝用以造出時間、空間和物質(zhì)的原料。
描述了物理學(xué)關(guān)于基本力研究的新近進展。這些進展已使人們以全新的觀點看待大自然。這種觀點的影響在物理學(xué)家和天文學(xué)家中間迅速擴大?，F(xiàn)在，人們已開始把宇宙看成是由質(zhì)樸的東西冷卻而生成的復(fù)雜的東西，頗象是渾然無形的海洋凍成了姿態(tài)各異的浮冰?？茖W(xué)家們有一種感覺，這就是宇宙學(xué)的研究課題和人們對物質(zhì)當中的基本力的研究正在為宇宙提供一個統(tǒng)一的描述。在這種描述中，物質(zhì)的極微結(jié)構(gòu)與宇宙的總體結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系在一起，兩種結(jié)構(gòu)都以一種微妙而復(fù)雜的方式影響著彼此的發(fā)展。
所描述的物理學(xué)的一系列成功，無疑代表了以還原論理論為其基礎(chǔ)的現(xiàn)代物理學(xué)思想的一個勝利。物理學(xué)家們試圖把物質(zhì)還原為最終的構(gòu)件——輕子、夸克、信使粒子——從而得以瞥見那基本的定律。而正是那基本的定律控制著形成物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和行為的力量，從而能夠解釋宇宙的很多基本特點。
盡管如此，以這種方式追尋某種已被感覺到的終極真理是遠遠不夠的。在前面的幾章里看到，還原論不能夠解釋很多明顯的具有整體性特征的現(xiàn)象。例如，不能用夸克來理解意識，活的細胞，甚至也不能以之理解諸如龍卷風(fēng)之類的無生命的系統(tǒng)。否則，一定會鬧出笑話的。
當一個物理學(xué)家說，質(zhì)子是由夸克“組成的”時，他的本意并非如此。比如，說一個動物是由細胞組成的，或一個圖書館是由書組成，書意思是說可以拿來一個細胞或一本書，或從那較大的系統(tǒng)那里隨便拿來什么東西，進行孤立的研究。但夸克卻不是這樣的所知，不可能真的拆開盒子拿出夸克來。
然而，拆開有著輝煌的歷史。拆開原子現(xiàn)在已成了家常便飯；原子核敲開較難，但在高能的沖擊下也會分裂。這或許意味著用高速粒子轟擊質(zhì)子或中子，將會把質(zhì)子或中子粉碎為夸克。然而，實際情況卻不是這么回事。一個極小的高速電子會穿過質(zhì)子的內(nèi)部，將其中的一個夸克猛烈地彈開，從而使確信質(zhì)子內(nèi)部的什么地方確有夸克。但是，若打擊質(zhì)子的不是小小的電子，而是一個大錘，即另一個質(zhì)子，那么，就不會在質(zhì)子的碎片中看見夸克，而只能看見更多的強子（質(zhì)子、介子等等）。換言之，夸克從不孤立地出現(xiàn)。大自然似乎只準許夸克以集體的面目出現(xiàn)，出現(xiàn)的時候總是2個2個或3個3個地在一起。
因此，當物理學(xué)家說質(zhì)子是由夸克組成的時，他的意思并不是說這些神秘的夸克可以單獨地顯現(xiàn)出來。他只是指一個描述層面，這一層面比質(zhì)子層面更基本。管從某種意義上說，質(zhì)子是合成的，不是基本的；但質(zhì)子由夸克的合成與圖書館由圖書的合成不是一碼事。
這是因為，沒有哪種亞原子粒子（不管是夸克還是什么別的基本粒子）是貨真價實的粒子。實際上，亞原子粒子可能連“東西”都算不上。這就又一次認識到，所謂物質(zhì)是某某粒子的集合這種描述，實際上必須被看作是由數(shù)學(xué)所確定的描述層次。物理學(xué)家對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的精確描述只能通過抽象的高等數(shù)學(xué)來進行，而人們只有認識到這一背景，才能明白還原論理論說的“由…組成”的真正含義。
海森堡的測不準原理的一個方面，很好地說明了量子因素給研究“什么是由什么組成的”這一課題帶來的困難。但這次的二象性，不是波粒之間的二象性，也不是運動與位置的二象性，而是能量與時間之間的二象性。能量與時間這兩個概念處于一種神秘莫測的對立關(guān)系之中：知道了一個就不知道另一個。因而，哪怕在一個很短的時間內(nèi)觀察一個系統(tǒng)，其能量也有可能發(fā)生巨大的起伏。在日常的世界里，能量總是守恒的。能量守恒是經(jīng)典物理學(xué)的柱石。但在量子微觀世界里，能量可能以自發(fā)的、不可預(yù)測的方式不知從哪里冒出來，或消失在哪里。
當考慮到愛因斯坦著名的E=mc2的公式時，量子能量的起伏就變成了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。愛因斯坦的公式說的是，能量和質(zhì)量是相等的，或者，能量能夠創(chuàng)造物質(zhì)。這已在前幾章里討論過了。不過，那幾章里所說的能量來自外部。這里，想討論一下，在沒有外部能量輸入的情況下，物質(zhì)粒子如何能從量子能量的起伏中被創(chuàng)造出來。海森堡的原理頗象個能量庫。能量可以短期借用，只要迅速歸還就行。借用期越短，可借用的空間就越大。
比如在微觀世界中，一次突然的能量起伏可能使一個正負電子對在短期內(nèi)出現(xiàn)又消失。這正負電子對的短暫存在，就是由海森堡式的借貸維持累加起來的效果，就使空無一物的空間有了某種變換的質(zhì)地，盡管這是一種模糊的、不實在的質(zhì)地。亞原子粒子就必須在這不停運動的海洋中游動。不僅電子和正電子，而且質(zhì)子和反質(zhì)子，中子和反中子，介子和反介子，總之，大自然的所有粒子都是這么動蕩不安。
從量子的角度來看，一個電子不僅僅是一個電子。變換能量的花樣在其周圍閃爍著，不知什么時候突然促成了光子、質(zhì)子、介子、甚至其他電子的出現(xiàn)。總之，亞原子世界的一切都附著在電子上，象是電子穿上了看不見摸不著的、轉(zhuǎn)瞬即逝轉(zhuǎn)瞬又來的一件大衣，或者說，象是幽靈一樣的群蜂嗡嗡地圍著中間的蜂巢飛翔，構(gòu)成了蜂巢的覆蓋物。當兩個電子相互靠近時，它們的覆蓋物也糾纏在一起，于是，相互作用就發(fā)生了。所謂的覆蓋物，只不過是將先前被看作是力場的東西加以量子的表達罷了。
永遠也不能將電子跟其所帶有的幽靈粒子分離開來。當有人問“什么是電子”時，不能說電子就是那個小粒子；必須說電子是不可分離的一整串東西，包括跟它在一起的產(chǎn)生力的幽靈粒子。這里也有一種怪圈：力由粒子產(chǎn)生，粒子被產(chǎn)生的力又產(chǎn)生力…。
而對光子這樣的粒子來說，這種怪圈意味著光子可以展現(xiàn)出很多不同的面孔（faces）。通過借入能量，它可以暫時變成一個正負電子對，或一個正反質(zhì)子對。已有人進行了實驗，試圖看到光子是如何變成正負電子對或正反質(zhì)子對的。但是，人們又一次發(fā)現(xiàn)，要想從這種錯綜復(fù)雜的變化中分離出來“純”光子是不可能的。
就大多數(shù)不穩(wěn)定而且壽命又極短的粒子來說，已難以說清哪些是“實海森堡原理造成的正負電子對，其壽命也跟ψ粒子差不多。誰能說前者是實在的，后者只是個幽靈呢？
一些年前，一位叫杰弗里·邱的美國物理學(xué)家把亞原子世界中的這種閃爍不停地變幻比作一個民主政體。不可能抓住一個粒子，說它就是某某實體。必須把每一個粒子看成是在一個沒有終結(jié)的怪圈中由所有的其他粒子組成的。沒有哪一個粒子比其他任何粒子更基本。（這就是在第四章里簡短地提到過的“拽靴襻”。）
將會看到，物質(zhì)的本性在其量子論方面具有強烈的整體論的味道：物質(zhì)的不同層面的描述是相互連鎖的，一切東西都是由另外的一切東西組成的，然而一切東西同時又顯示出結(jié)構(gòu)的等級次序。物理學(xué)家們就是在這無所不包的整體性中追尋物質(zhì)的終極成分，追尋終極的、統(tǒng)一的力量量。
新發(fā)現(xiàn)
2011年9月22日，歐洲粒子物理實驗室的科學(xué)家測量到了運動速度超過光速的亞原子粒子，如果發(fā)現(xiàn)得到證實，將顛覆愛因斯坦的相對論即物理學(xué)界的基礎(chǔ)。起初科學(xué)家們對此現(xiàn)象深表懷疑，但是經(jīng)過重重謹慎的試驗，各個工序均無錯誤。
1905年，愛因斯坦提出的狹義相對論稱，在真空環(huán)境中，宇宙中沒有任何物質(zhì)的運動速度可以超過光速。這已經(jīng)成為人們理解宇宙和時間的理論依據(jù)，同時也是現(xiàn)代物理的理論基礎(chǔ)之一。如果真的證實這種超光速現(xiàn)象，其意義十分重大，整個物理學(xué)理論體系或許會因之重建。
但是該實驗最終錯誤，是測量人員的技術(shù)失誤。于2012年6月8日世界公布實驗錯誤。
粒子性質(zhì)
名稱 | 符號 | 絕對電荷 | 相對電荷 | 質(zhì)量/kg | 質(zhì)量/u | 大概質(zhì)量/u |
電子 | e | -1.6022×10負19次 | -1 | 9.10939×10負31次 | 0.00054 | 0 |
質(zhì)子 | p | +1.6022×10負19次 | +1 | 1.67262×10負27次 | 1.00727 | 1 |
中子 | n | 0 | 0 | 1.67493×10負27次 | 1.00867 | 1 |
發(fā)展歷史
到1920年，科學(xué)家已經(jīng)知道每一個原子都是由原子核和電子組成，且?guī)д姷脑雍吮粠ж撾姷?/span>電子云所包圍。原子并不是“基本粒子”―構(gòu)成物質(zhì)的最基本的材料，不可再拆分成更小的微粒。不久，科學(xué)家們不斷地發(fā)現(xiàn)了比原子更小的粒子，使人們對微觀世界的認識更加深入。
新西蘭裔英國物理學(xué)家歐內(nèi)斯特?盧瑟福（1871~1937年）用α粒子（氦核）轟擊氮原子時，發(fā)現(xiàn)氫核被釋放出來，也就是說，氮核中必定含有氫原子核。1920年，盧瑟福建議將釋放出的氫原子核命名為“質(zhì)子”（源自希臘語中的“protos”，意思是“第一”）。質(zhì)子的質(zhì)量是電子的1836.12倍。原子絕大部分的質(zhì)量都被原子核占據(jù)。同年，盧瑟福提出了比氫原子質(zhì)量大得多的原子核還包含了不帶電荷的微粒。
自1919年起,盧瑟福一直擔任劍橋大學(xué)的物理教授和卡文迪許實驗室的主任。盧瑟福研究的重點仍然是用α粒子（氦核）轟擊不同種類的原子核。1925年,英國物理學(xué)家帕特里克?布萊克特(1897~1974年)在盧瑟福的指導(dǎo)下,將云室―1911年蘇格蘭物理學(xué)家威爾森(1869~1959年)發(fā)明―改進為一種能記錄原子的瓦解的裝置。但是α粒子所具有的能量還不足以將質(zhì)量較大的原子核轟擊成碎片，因此，對質(zhì)量較大的原子核需要用能量更強的粒子轟擊。1932年，英國物理學(xué)家約翰?考克勞夫特(1897~1967年)和愛爾蘭物理學(xué)家歐內(nèi)斯特?沃爾頓(1903~1995年)在卡文迪許實驗室建造了世界上第一臺粒子加速器，利用電磁鐵產(chǎn)生的強大磁場加速質(zhì)子,然后直接轟擊目標。
20世紀20年代，德國物理學(xué)家瓦爾特?波特(1891~1957年)在柏林領(lǐng)導(dǎo)一個科學(xué)家小組進行了一系列的科學(xué)實驗，他們用α粒子轟擊幾種較輕元素的原子核，這些元素包括鈹、硼和鋰。1930年,他們發(fā)現(xiàn)轟擊原子核時會產(chǎn)生高能穿透輻射，起初，這些科學(xué)家認為這是一種γ射線輻射，但是這種輻射的穿透力比任何見過的γ射線輻射都要強。
1932年，法國物理學(xué)家約里奧?居里夫婦―伊倫?約里奧?居里(1897~1956年)和弗雷德瑞克?約里奧?居里(1900~1958年)——發(fā)現(xiàn)用α粒子轟擊石蠟或其他類似的碳氫化合物(由氫和碳元素組成)時，會發(fā)射出能量很高的質(zhì)子。對這一現(xiàn)象的進一步研究使科學(xué)家對波特觀察到的所謂y射線推論產(chǎn)生了越來越多的質(zhì)疑。英國物理學(xué)家詹姆斯?查德威克(1891~1974年)在卡文迪許實驗室證實了轟擊原子核所產(chǎn)生的射線不可能是γ射線，他還指出該輻射所含的粒子的質(zhì)量與質(zhì)子質(zhì)量一樣，但是不帶電荷。查德威克認為這種新粒子是被束縛在一個電子(氫原子)內(nèi)的質(zhì)子，當他用α粒子轟擊已知原子量的硼原子時，就能計算出這種粒子的質(zhì)量——該粒子為1.0087原子質(zhì)量單位，略大于質(zhì)子(1.007276質(zhì)量單位)。因為該粒子不帶電荷，所以被稱為中子。在原子核內(nèi)，中子很穩(wěn)定，但到了原子核外，中子會衰變成一個質(zhì)子、一個電子，以及個反中微子。質(zhì)子和中子構(gòu)成了原子核，一起被稱做核子。
沃爾夫?qū)?泡利(1900~1958年)是20世紀最偉大的物理學(xué)家之一，1930年，泡利對β射線進行研究——一由不穩(wěn)定的原子發(fā)射的電子流,這些電子看起來失去了一些能量，但是沒有人能找出電子失去能量的原因，這與基礎(chǔ)的物理定律之一——能量不能憑空創(chuàng)造和失去——是矛盾的。為了解開這個謎團，泡利提出β輻射還包含了一種以前不為人知的粒子，具有在靜止時既不帶電也沒有質(zhì)量的特性。意大利物理學(xué)家恩里克?費米(1901-1954年)在1934年證實了這種粒子的存在，并把它叫做中微子。
英國理論物理學(xué)家保羅?狄拉克(1902~-1984年)對量子電動力學(xué)的發(fā)展作出了重要的貢獻。19世紀20年代后期，理論物理學(xué)家對電子的研究非常感興趣，狄拉克對德國物理學(xué)家沃納?海森堡(1901~1976年)對電子作出的描述很不滿意，于是提出了自己關(guān)于電子的表述——狄拉克方程，并提出電子有帶上正電荷的可能性。1932年，美國物理學(xué)家卡爾?安德森(1805-1991年)發(fā)現(xiàn)了這種粒子的存在。1933年，帕特里克?布萊克特也獨立地發(fā)現(xiàn)了該種粒子。后來，這種粒子被稱為正電子。正電子是第一種被發(fā)現(xiàn)的反物質(zhì)粒子。
1937年，安德森與研究生塞恩?尼德梅耶(1907~1988年)合作發(fā)現(xiàn)了μ子―一與電子相似的極不穩(wěn)定的粒子，但質(zhì)量是電子的200多倍。
參考資料
[1]
初三化學(xué)smartclass動畫：原子入門 · 土豆網(wǎng)[引用日期2013-06-05]
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