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  nappnapp 2007-05-25 00:00:00

  原子 .英文：atom 原子是人類Z經(jīng)典的、使用Z為廣泛的基本假設(shè)。原子的假設(shè)，可用來精確的解釋物理學(xué)中力學(xué)、熱力學(xué)、光學(xué)、量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)等等幾乎物理方方面面的問題，以及同為自然科學(xué)的生物學(xué)（用物理學(xué)家的眼光看，一切生物過程都是原子的運(yùn)動(dòng)）、化學(xué)（化學(xué)可以使用量子力學(xué)等解釋）等等，在未來，或許會延伸到各個(gè)學(xué)科。 原子的假設(shè)建立時(shí)是基于人類直觀的感覺-物質(zhì)的粒子性。但在物質(zhì)波動(dòng)性上也可以神奇地找到它的影子。也許就是因?yàn)樵拥募僭O(shè)，使物理學(xué)有現(xiàn)在這樣輝煌的成果。 原子可看作地球一樣大的體育館里的一顆乒乓球（原子半徑的數(shù)量級在10的-10次方），研究原子的方法也好比在這個(gè)體育館里放置10的23次方以上的乒乓球，并且讓這些球不停地跳動(dòng)起來。 原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成，更外層有電子圍著原子核高速轉(zhuǎn)動(dòng). 原子是構(gòu)成自然界各種元素的Z基本單位，由原子核和核外軌道電子（又稱束縛電子或繞行電子）組成。原子的體積很小，直徑只有10的-8次cm，原子的質(zhì)量也很小，如氫原子的質(zhì)量為1.673 56*10的-24g，而核質(zhì)量占原子質(zhì)量的99%以上。原子的ZX為原子核，他的直徑比原子的直徑小很多。 原子核帶正電荷，束縛電子帶負(fù)電荷，兩者所帶電荷相等，符號相反，因此，原子本身呈中性。束縛電子按一定的軌道繞原子核運(yùn)動(dòng)，當(dāng)原子吸收外來能量，使軌道電子脫離原子核的吸引而自由運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子便失去電子而顯電性，成為離子。 原子是構(gòu)成元素的Z小單元，是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)層次．原子一詞來自希臘文，“意思是不可分割的．”公元前4世紀(jì)，古希臘物理學(xué)家德謨克利特提出這一概念，并把它當(dāng)作物質(zhì)的Z小單元，但是差不多同時(shí)代的亞里士多德等人卻反對這種物質(zhì)的原子觀，他們認(rèn)為物質(zhì)是連續(xù)的，這種觀點(diǎn)在中世紀(jì)占優(yōu)勢，但隨著科學(xué)的進(jìn)步和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，物質(zhì)的原子觀在16世紀(jì)之后又為人們所接受，學(xué)者伽利略、笛卡兒、.牛頓等人都支持這種觀點(diǎn)．的俄國化學(xué)家門捷列夫所發(fā)現(xiàn)的周期律指出各種化學(xué)元素的原子間相互關(guān)聯(lián)的性質(zhì)是建立原子結(jié)構(gòu)理論時(shí)的一個(gè)指導(dǎo)原則．從近代物理觀點(diǎn)看，原子只不過是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)層次，這個(gè)層次介于分子和原子核之間． 質(zhì)子 質(zhì)子的故事古老而又新奇。1919年盧瑟福用天然放射性物質(zhì)產(chǎn)生的了元素的人工轉(zhuǎn)變，多少世紀(jì)來“點(diǎn)石成金”的夢想成為現(xiàn)實(shí)。1932年中子發(fā)現(xiàn)以后，伊凡寧柯和海森堡捷足先登立即提出“原子核由質(zhì)子與中子構(gòu)成”的主張，質(zhì)子成了組成物質(zhì)的Z重要的基石。半個(gè)多世紀(jì)來，質(zhì)子以它的資格老、穩(wěn)定性強(qiáng)、分布面廣、所處位置重要這幾點(diǎn)成為基本粒子大家族中不可缺少的頂梁柱。今天，質(zhì)子依然是粒子物理學(xué)家矚目的對象，在古老的質(zhì)子身上，科學(xué)家譜寫了新的篇章。 質(zhì)子在原子核內(nèi)可以轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶?，但自由質(zhì)子是穩(wěn)定的，壽命無限長。這個(gè)傳統(tǒng)觀念現(xiàn)已受到挑戰(zhàn)。1974年喬治（Georgi）和格拉肖（Glashow）提出了把強(qiáng)、弱、電三種相互作用統(tǒng)一在一起的SU（5）大統(tǒng)一理論。按照這種理論，質(zhì)子是不穩(wěn)定的，它估算出質(zhì)子的壽命約為1028～2.5×1031年。大統(tǒng)一理論還作出種種誘人的預(yù)言：它可以自動(dòng)得出電荷量子化，即所有電荷應(yīng)是e/3的整數(shù)倍的結(jié)論；它還可以說明宇宙中反物質(zhì)比物質(zhì)少的原因，這對探索宇宙起源提供了線索……科學(xué)家們的想象力甚至走得更遠(yuǎn)，他們推測，一旦證實(shí)質(zhì)子真的會衰變，大約1035年以后，宇宙將成為稀薄的電子正電子等離子體。當(dāng)然，這對于人生不過200年的當(dāng)代人，畢竟是太遙遠(yuǎn)了。 于是測定質(zhì)子的壽命成為大統(tǒng)一理論能否安身立命的試金石。由于質(zhì)子壽命很長，估計(jì)為1031年左右，這就是說一年期間在1031個(gè)質(zhì)子中才會有一個(gè)質(zhì)子蛻變。為了消除宇宙射線的干擾，整個(gè)實(shí)驗(yàn)要在地底深處進(jìn)行。1983年前后，美國、印度、日本等國的粒子物理學(xué)家做了一些探測質(zhì)子衰變的實(shí)驗(yàn)。他們不惜巨資，一頭鉆進(jìn)不見天日的地下礦井，耐心細(xì)致地測量。其中Z有說服力的實(shí)驗(yàn)是美國IBM公司的一個(gè)協(xié)作組在俄亥俄（Ohio）州克里弗蘭（Cleveland）市以東600多米的一個(gè)鹽礦中進(jìn)行的。探測裝置的中部是17×18×23m3的純水，矩形體的六面布置了2048只光電倍增管，每只直徑為12.5cm，想以此來探測正電子和兩個(gè)高能光子通過純水時(shí)產(chǎn)生的契侖柯夫輻射。經(jīng)過204天的連續(xù)觀察，未測到一個(gè)質(zhì)子衰變事例。據(jù)此推算，質(zhì)子的壽命一定大于1.7×1032年，從而否定了SU（5）理論。但另一個(gè)由印度和日本科學(xué)家組成的實(shí)驗(yàn)小組，在地下3000米的柯拉金礦的廢礦井中，進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)卻傳出佳音。經(jīng)過兩年觀察共發(fā)現(xiàn)6個(gè)質(zhì)子衰變的事例，其中3個(gè)認(rèn)為是比較可靠的，據(jù)此推算，質(zhì)子的平均壽命約為7×1030年，與大統(tǒng)一理論相符。但這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較粗糙，沒有得到公認(rèn)。質(zhì)子是否衰變，尚在探索之中，一時(shí)難以定論。 除了質(zhì)子的壽命，自50年代以來質(zhì)子或范圍更廣的強(qiáng)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一直是粒子物理學(xué)家感興趣的問題。這里有兩條線索。一條是蓋爾曼（Gell-mann）的夸克理論，另一條是高能電性散射和深度非彈性散射的研究。 用帶電粒子作炮彈來研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)是一種始于盧瑟福經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)做法。循著這條路，美國的霍夫施塔特（Hofstadter）從1950年起使用斯坦福大學(xué)直線加速器把高能電子射向金、鉛、鉬、鈹?shù)劝凶?，電子被核性散射，按電子的能量和散射后的偏轉(zhuǎn)角對電子進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而描繪出核子的電荷分布。1957年他利用更有力的加速器和散射裝置，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子具有同樣的大小和形狀，直徑為10-14厘米，并得出核子的磁矩分布?；舴蚴┧赝ㄟ^高能電性散射研究核子電磁結(jié)構(gòu)的杰出貢獻(xiàn)，使他榮獲1961年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 1967年初，20GeV的電子直線加速器在斯坦福大學(xué)建成，Z初重復(fù)了彈性散射階段的工作，沒有新的發(fā)現(xiàn)。有的物理學(xué)家戲稱：“看來桃子沒有核。”但隨著能量增大，實(shí)現(xiàn)了高能電子深度非彈性散射過程，出現(xiàn)了新現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析表明質(zhì)子內(nèi)部存在更小的點(diǎn)狀粒子。弗里德曼（Friedman）、肯達(dá)爾（Kendall）、泰勒（Taylor）因上述高能電子深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)而獲得1990年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。實(shí)驗(yàn)后不久，費(fèi)曼提出了部分子模型，他把核子內(nèi)部的點(diǎn)狀粒子稱為部分子（Parton），并解釋了實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的稱為無標(biāo)度性的典型現(xiàn)象。現(xiàn)在一般傾向于認(rèn)為高能電子所“看”到的部分子正是夸克。實(shí)驗(yàn)表明，質(zhì)子內(nèi)兩個(gè)u夸克和一個(gè)d夸克攜帶了質(zhì)子動(dòng)量的50%，另外50%的動(dòng)量由不帶電的膠子攜帶?？墒侵两衲┨綔y到自由夸克，圓滿解決質(zhì)子結(jié)構(gòu)問題還有長長的一段路要走。 中子(neutron)是組成原子核的核子之一。中子是1932年B.查德威克用a粒子轟擊的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，并根據(jù)E. 盧瑟福的建議命名的。中子電中性，其質(zhì)量為 1.6749286 ×10-27千克（939.56563兆電子伏特），比質(zhì)子的質(zhì)量稍大，自旋為1／2，磁矩以核磁子作衡量單位為 －1.91304275 。 自由中子是不穩(wěn)定的粒子，可通過弱作用衰變?yōu)橘|(zhì)子，放出一個(gè)電子和一個(gè)反電子 中微子，平均壽命為896秒。中子是費(fèi)米子，遵從費(fèi)米-狄拉克分布和泡利不相容原理。中子和質(zhì)子是同一種粒子的兩種不同電荷狀態(tài)，其同位旋為 1／2 ，中子的同位旋第三分量I3＝－1／2。 中子是組成原子核構(gòu)成化學(xué)元素不可缺少的成分，雖然原子的化學(xué)性質(zhì)是由核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)目確定的，但是如果沒有中子，由于帶正電荷質(zhì)子間的排斥力，就不可能構(gòu)成除氫之外的其他元素。在輕核中含有幾乎相等數(shù)目的中子和質(zhì)子；在重核中，中子數(shù)則大于質(zhì)子數(shù)，例如中共有146個(gè)中子和92個(gè)質(zhì)子。對于一定質(zhì)子數(shù)的核，中子數(shù)可以在一定范圍內(nèi)取幾種不同的值，形成一個(gè)元素的不同同位素。 結(jié)構(gòu) 本段中子不帶電而具有磁矩。高能電子、μ子或中微子轟擊中子的散射實(shí)驗(yàn)顯示中子內(nèi)部的電荷和磁矩有一定的分布，說明中子不是點(diǎn)粒子，而具有一定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。中子是由3個(gè)更深層次的粒子——夸克構(gòu)成的。 用途 本段中子是研究核反應(yīng)很好的轟擊粒子，由于它不帶電，即使能量很低，也能引起核反應(yīng)（見中子核反應(yīng)）。中子還在核裂變反應(yīng)中起重要作用。電中性的中子不能產(chǎn)生直接的電離作用，無法直接探測，只能通過它與核反應(yīng)的次級效應(yīng)來探測。 根據(jù)微觀粒子的波粒二象性，中子具有波動(dòng)性，慢中子的波長約10-10米，與晶體內(nèi)原子間距相當(dāng)。中子衍射是研究晶體結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)。 中子是不帶電的基本粒子，靜止質(zhì)量為1.675×10^-27kg，它的半徑約為O.8×10^-15m，與質(zhì)子大小類似。中子常用符號n表示。 ①1932年英國物理學(xué)家查德威克在做了用α粒子轟擊硼的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了中子。 ②單獨(dú)存在的中子是不穩(wěn)定的，平均壽命約為16分，它將衰變成質(zhì)子、電子和反中微子ν。 ③原子核由中子和質(zhì)子組成，原子核內(nèi)的中子是穩(wěn)定的。 ④由于中子不帶電，所以容易打進(jìn)原子核內(nèi)，引起各種核反應(yīng)。 ⑤中子的自旋量子數(shù)為1／2。 ⑥中子包含兩個(gè)具有 -1/3 電荷的下夸克和一個(gè)具有 +2/3 電荷的上夸克，其總電荷為零。 夸克 quark （噴射軌跡圖片來源：《時(shí)間簡史》圖5.2，一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)反質(zhì)子在高能下碰撞，產(chǎn)生了一對幾乎自由的夸克。） 1964年，美國物理學(xué)家默里·蓋爾曼和G.茨威格各自獨(dú)立提出了中子、質(zhì)子這一類強(qiáng)子是由更基本的單元——Quark組成的。它們具有分?jǐn)?shù)電荷，是基本電量的2/3或-1/3倍，自旋為1/2?？淇艘辉~是蓋爾曼取自詹姆斯·喬埃斯的小說《芬尼根徹夜祭》的詞句“為馬克檢閱者王，三聲夸克（Three quarks for Muster Mark）”?？淇嗽谠摃芯哂卸喾N含義，其中之一是一種海鳥的叫聲。他認(rèn)為，這適合他Z初認(rèn)為“基本粒子不基本、基本電荷非整數(shù)”的奇特想法，同時(shí)他也指出這只是一個(gè)笑話，這是對矯飾的科學(xué)語言的反抗。另外，也可能是出于他對鳥類的喜愛。 Z初解釋強(qiáng)相互作用粒子的理論需要三種夸克，叫做夸克的三種味，它們分別是上夸克(up，u)、下夸克(down，d)和奇夸克(strange，s)。1974年發(fā)現(xiàn)了J/ψ粒子，要求引入第四種夸克粲夸克(魅夸克)(charm，c)。1977年發(fā)現(xiàn)了Υ粒子，要求引入第五種夸克底夸克(bottom，b)。1994年發(fā)現(xiàn)第六種夸克頂夸克(top，t)，人們相信這是Z后一種夸克。 夸克理論認(rèn)為，所有的重子都是由三個(gè)夸克組成的，反重子則是由三個(gè)相應(yīng)的反夸克組成的。比如質(zhì)子(uud)，中子(udd)?？淇死碚撨€預(yù)言了存在一種由三個(gè)奇異夸克組成的粒子(sss)，這種粒子于1964年在氫氣泡室中觀測到，叫做負(fù)ω粒子。 夸克按其特性分為三代，如下表所示： 符號 中文名稱 英文名稱 電荷(e) 質(zhì)量(GeV/c^2) u 上夸克 up +2/3 0.004 d 下夸克 down -1/3 0.008 c 粲夸克 charm +2/3 1.5 s 奇夸克 strange -1/3 0.15 t 頂夸克 top +2/3 176 b 底夸克 bottom -1/3 4.7 在量子色動(dòng)力學(xué)中，夸克除了具有“味”的特性外，還具有三種“色”的特性，分別是紅、綠和藍(lán)。這里“色”并非指夸克真的具有顏色，而是借“色”這一詞形象地比喻夸克本身的一種物理屬性。量子色動(dòng)力學(xué)認(rèn)為，一般物質(zhì)是沒有“色”的，組成重子的三種夸克的“顏色”分別為紅、綠和藍(lán)，因此疊加在一起就成了無色的。因此計(jì)入6種味和3種色的屬性，共有18種夸克，另有它們對應(yīng)的18種反夸克。 夸克理論還認(rèn)為，介子是由同色的一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成的束縛態(tài)。例如，日本物理學(xué)家湯川秀樹預(yù)言的[[π+介子]]是由一個(gè)上夸克和一個(gè)反下夸克組成的，π-介子則是由一個(gè)反上夸克和一個(gè)下夸克組成的，它們都是無色的。 除頂夸克外的五種夸克已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)它們的存在，華裔科學(xué)家丁肇中便因發(fā)現(xiàn)粲夸克而獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。近十年來高能粒子物理學(xué)家的主攻方向之一是頂夸克 (t)。 至于1994年Z新發(fā)現(xiàn)的第六種“頂夸克”，相信是Z后一種，它的發(fā)現(xiàn)令科學(xué)家得出有關(guān)夸克子的完整圖像，有助研究在宇宙大爆炸之初少于一秒之內(nèi)宇宙如何演化，因?yàn)榇蟊╖初產(chǎn)生的高熱，會產(chǎn)生頂夸粒子。 研究顯示，有些恒星在演化末期可能會變成“夸克星”。當(dāng)星體抵受不住自身的萬有引力不斷收縮時(shí)，密度大增會把夸克擠出來，Z終一個(gè)太陽大小的星體可能會萎縮到只有七、八公里那么大，但仍會發(fā)光。 夸克理論認(rèn)為，夸克都是被囚禁在粒子內(nèi)部的，不存在單獨(dú)的夸克。一些人據(jù)此提出反對意見，認(rèn)為夸克不是真實(shí)存在的。然而夸克理論做出的幾乎所有預(yù)言都與實(shí)驗(yàn)測量符合的很好，因此大部分研究者相信夸克理論是正確的。 1997年，俄國物理學(xué)家戴阿科諾夫等人預(yù)測，存在一種由五個(gè)夸克組成的粒子，質(zhì)量比氫原子大50％。2001年，日本物理學(xué)家在SP環(huán)－8加速器上用伽馬射線轟擊一片塑料時(shí)，發(fā)現(xiàn)了五夸克粒子存在的證據(jù)。隨后得到了美國托馬斯·杰裴遜國家加速器實(shí)驗(yàn)室和莫斯科理論和實(shí)驗(yàn)物理研究所的物理學(xué)家們的證實(shí)。這種五夸克粒子是由2個(gè)上夸克、2個(gè)下夸克和一個(gè)反奇異夸克組成的，它并不違背粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。這是diyi次發(fā)現(xiàn)多于3個(gè)夸克組成的粒子。研究人員認(rèn)為，這種粒子可能僅是“五夸克”粒子家族中diyi個(gè)被發(fā)現(xiàn)的成員，還有可能存在由4個(gè)或6個(gè)夸克組成的粒子。 ===================================================== 我修正一下：有人說什么發(fā)現(xiàn)某某夸克，完全是不懂科學(xué)亂杜撰?，F(xiàn)在人類只是大膽假設(shè)、科學(xué)求證，夸克是為了解釋一些目前人類無法解釋的現(xiàn)象而提出的可能存在的假設(shè)，但人類一直沒找到夸克存在的直接證據(jù)。 1996年12月2日，《科技日報(bào)》發(fā)表了崔君達(dá)教授反駁何祚麻院士的文章《復(fù)合時(shí)空論并非病態(tài)科學(xué)》。崔在文中進(jìn)一步指出："物理學(xué)界并非全都公認(rèn)夸克的存在。不同意見早在70年代就有了。我國物理學(xué)家朱洪元，諾貝爾獎(jiǎng)得主量子力學(xué)奠基人海德堡都認(rèn)為：全世界許許多多物理學(xué)家花了那么大的力量尋找夸克，如果夸克真的存在，早就應(yīng)該找到了。 這位科學(xué)家如此否認(rèn)夸克當(dāng)然也不對，像那句“如果夸克真的存在早就應(yīng)該找到了”顯然是謬論，就等于說“如果癌癥真的存在早就應(yīng)該治好了”一樣。

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