宇宙本源 (2).docx

宇 宙 本 原——原子与亚原子世界整理 李志镔引言：欧洲核子研究中心大型强子对撞机项目相关负责人2009年9月8日对外宣布，当地时间10日上午9时30分，该中心正式启动世界最大的强子对撞机，开始对注入的第一批质子进行加速测试约一个月后，相对运动的质子束将进行碰撞环球时报称这一实验：开启了物理学新黄金时代一个实验何以有如此大的力量？这个实验其实是寻找物理学的发展中的终极理论——大统一理论中的一步即要找到支配我们宇宙运行的根本理论，就必须先知道我们宇宙的基本组成是什么，从古希腊到近几十年，人们一直在讨论宇宙的基本粒子，物质的基本结构，要想回答这些问题必须先能清楚几个基本问题，物质能无限分割下去吗？什么是物质的本原？关于基本粒子的寻找虽然还远没有结束，但时至今日科学家们已经有了很多的发现，相信这些问题会在不久的将来得到解决现在就让我们拂去时间撒在历史上的浮尘，让历史重现，进行一次微观粒子世界之游，相信在这里你会有很多惊人的发现粒子简介根据自旋倍数的不同，科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两大类费米子是像电子一样的粒子，有半整数自旋(如1/2，3/2，5/2等)；而玻色子是像光子一样的粒子，有整数自旋(如0，1，2等)。

这种自旋差异使费米子和玻色子有完全不同的特性没有任何两个费米子能有同样的量子态：它们没有相同的特性，也不能在同一时间处于同一地点；而玻色子却能够具有相同的特性基本粒子中所有的物质粒子都是费米子，是构成物质的原材料(如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子)；而传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)都是玻色子费米子：自旋为半整数的粒子比如电子、质子、中子等以及其反粒子它们符合泡利不相容原理，以及费米－狄拉克统计根据标准理论，费米子均是由一批基本费米子组成的，而基本费米子则不可能分解为更细小的粒基本费米子分为 2 类：夸克和轻子而这 2 类基本费米子，又分为合共 24 种味道：12 种夸克：包括上夸克 (u)、下夸克 (d)、奇夸克 (s)、魅夸克 (c)、底夸克 (b)、顶夸克 (t)，及它们对应的 6 种反粒子 12 种轻子：包括电子 (e)、渺子 (μ)、陶子 (τ)、、中微子νe、中微子νμ、中微子ντ，及对应的 6 种反粒子，包括 3 种反中微子　　中子、质子：都是由三种夸克组成，自旋为1/2　　奇数个核子组成的原子核因为中子、质子都是费米子，故奇数个核子组成的原子核自旋是半整数。

)人类生存的世界，是一个物质的世界过去，人们只知道物质有三态，即气态、液态和固态20世纪中期，科学家确认物质有第四态，即等离子体态(plasma)1995年，美国标准技术研究院和美国科罗拉多大学的科学家组成的联合研究小组，首次创造出物质的第五态，即“玻色—爱因斯坦凝聚态 　　2004年1月29日，又是这个联合研究小组宣布，他们创造出物质的第六种形态———费米子凝聚态消息传出，国际物理学界为之振奋专家们认为，这一成果为人类认识物质世界打开了又一扇大门，具有重大的理论和实践意义，将成为年度重大科技成果之一　　研究小组负责人德博拉·金表示，这项成果有助于下一代超导体的诞生而下一代超导体技术可在电能输送、超导磁悬浮列车、超导计算机、地球物理勘探、生物磁学、高能物理研究等众多领域和学科中大显身手下面就让我们一起进入神奇的粒子世界一探究竟吧表格 1基本粒子名称粒子自旋统计作用光子γ1玻色电磁轻子e±, μ±,νe,νeνμ,νμ12费米电磁，弱强子重子P,n,p,n12费米强，电磁，弱介子π+π0π-0玻色强，电磁，弱原子发现之旅最早的原子论是由留基伯提出，他的学生德谟克利特总结了他的观点大约在公元前450年，德谟克利特创造了原子这个词语，意思就是不可切割。

当然这里的原子只是停留在哲学的范畴　　1789年，拉瓦锡定义了原子一词，从此，原子就用来表示化学变化中的最小的单位　　 1803年，约翰·道尔顿用原子的概念解释了为什么不同元素总是呈整数倍反应，即倍比定律；也解释了为什么某些气体比另外一些更容易溶于水他提出每一种元素只包含唯一种原子，而这些原子相互结合起来就形成了化合物　　英国自然科学家约翰·道尔顿将古希腊思辨的原子论改造成定量的化学理论，提出了世界上第一个原子的理论模型他的理论主要有以下三点：　　①所有物质都是由非常微小的、不可再分的物质微粒即原子组成；　②同种元素的原子的各种性质和质量都相同，不同元素的原子，主要表现为质量的不同；　　③原子是微小的、不可再分的实心球体；　　④原子是参加化学变化的最小单位，在化学反应中，原子仅仅是重新排列，而不会被创造或者消失虽然，经过后人证实，这是一个失败的理论模型，但道尔顿第一次将原子从哲学带入化学研究中，明确了今后化学家们努力的方向，化学真正从古老的炼金术中摆脱出来，道尔顿也因此被后人誉为“近代化学之父”1897年，在关于阴极射线的工作中，物理学家约瑟夫·汤姆生发现了电子以及它的亚原子特性，粉碎了一直以来认为原子不可再分的设想。

汤姆生认为电子是平均的分布在整个原子上的，就如同散布在一个均匀的正电荷的海洋之中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消　　汤姆生在发现电子的基础上提出了原子的葡萄干布丁模型，汤姆生认为：　　①正电荷像流体一样均匀分布在原子中，电子就像葡萄干一样散布在正电荷中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消；　　②在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线汤姆生的学生卢瑟福完成的α粒子轰击金箔实验（散射实验），否认了葡萄干布丁模型的正确性1909年，在物理学家欧内斯特·卢瑟福用氦离子轰击金箔发现有很小一部分离子的偏转角度远远大于使用汤姆生假设所预测值卢瑟福根据这个金铂实验的结果指出：原子中大部分质量和正电荷都集中在位于原子中心的原子核当中，电子则像行星围绕太阳一样围绕着原子核带正电的氦离子在穿越原子核附近时，就会被大角度的反射[6]这就是原子核的核式结构——行星模型　　行星模型由卢瑟福在提出，以经典电磁学为理论基础，主要内容有：② 原子的大部分体积是空的； 　　②在原子的中心有一个体积很小、图表 1原子模型的改变密度极大的原子核； 　　③原子的全部正电荷在原子核内，且几乎全部质量均集中在原子核内部带负电的电子在核空间进行高速的绕核运动。

　　随着科学的进步，氢原子线状光谱的事实表明行星模型是不正确的　　玻尔的原子模型　　为了解释氢原子线状光谱这一事实，卢瑟福的学生玻尔接受了普朗克的量子论和爱因斯坦的光子概念在行星模型的基础上提出了核外电子分层排布的原子结构模型玻尔原子结构模型的基本观点是：　　①原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道上绕原子核运动，不辐射能量　　②在不同轨道上运动的电子具有不同的能量（E），且能量是量子化的，轨道能量值依n（1，2，3，...）的增大而升高，n称为量子数而不同的轨道则分别被命名为K（n=1)、L(n=2)、N(n=3)、O(n=4)、P(n=5)　　③当且仅当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才会辐射或吸收能量如果辐射或吸收的能量以光的形式表现并被记录下来，就形成了光谱玻尔的原子模型很好的解释了氢原子的线状光谱，但对于更加复杂的光谱现象却无能为力1926年，薛定谔使用路易斯·德布罗意于1924年提出的波粒二象性的假说，建立了一个原子的数学模型，用来将电子描述为一个三维波形但是在数学上不能够同时得到位置和动量的精确值，　　1926年，沃纳·海森堡提出了著名的测不准原理这个概念描述的是，对于测量的某个位置，只能得到一个不确定的动量范围，反之亦然。

尽管这个模型很难想象，但它能够解释一些以前观测到但是却不能解释的原子的性质，例如比氢更大的原子的谱线因此，人们不再使用玻尔的原子模型，而是将原子轨道视为电子高概率出现的区域　　 电子云模型电子具有波粒二象性，不能像描述普通图表 2通常状态下的氢原子原子云物体运动那样，他在某一瞬间处于空间的某一点，而只能指出它在原子核外某处出现的可能性（即几率）的大小电子在原子核各处出现的几率是不同的，有些地方出现的几率大，有些地方出现的几率很小，如果将电子在核外各处出现的几率用小黑点描绘出来（出现的几率越大，小黑点越密），那么便得到一种略具直观性的图像，这些图像中，原子核仿佛被带负电荷的电子云所笼罩故称电子云把核外电子出现几率相等的地方连接起来，作为电子云的界面，使界面内电子云出现的总几率很大（例如90％或95％），在界面外的几率很小，有这个界面所包括的空间范围，叫做原子轨道，这里的原子轨道与宏观的轨道具有不同的含义原子不是基本粒子，但原子的发现经历了一个漫长的过程，并且在原子的发现之旅中也打掀了基本粒子舞台的帷幕一角，所以是意义深远的，下面我们将逐一介绍组成物质的基本粒子基本粒子动物园之旅电子电子是人类发现的第一种亚原子，早在古希腊时期，人们就发现摩擦过的琥珀能吸引轻小物体，他们称这种现象为电。

在1878年英国人威廉·克鲁克斯利用一种水银真空泵，制造出了气体含量仅为盖斯勒管1/75000的，被人们称作克鲁克斯管的真空管克鲁克斯注意到，当逐渐抽出克鲁克斯管内的气体时，阴极附近开始出现黑暗区域，随着真空度的增加，这黑暗区域也会扩张克鲁克斯认为，这现象与阴极粒子的平均自由径有关；黑暗区域与辉光区域的界面，即为粒子与气体分子相互碰撞的起始面；在黑暗区域内，没有什么碰撞；而在辉光区域，发生了很多碰撞事件；在管面的萤光，则是因为粒子与管面发生碰撞克鲁克斯等英国物理学家认为阴极射线并不是射线，而是一种带电粒子这一理论再到了海因里希·赫兹的反对，并且他还在阴极射线真空管外加上电场，但由于他所用的电场太弱，没有观察到阴极射线的偏转，因此他断言阴极射线不是一种粒子1895年，让·佩兰发现阴极射线能够使真空管中的金属物体带上负电荷，支持了克鲁克斯的理论1897年，剑桥大学卡文迪许实验室的约瑟夫·汤姆逊重做了赫兹的实验使用真空度更高的真空管和更强的电场，他观察出阴极射线的偏转，并计算出了阴极射线粒子（电子）的质量-电荷比例，因此获得了1906年的诺贝尔物理学奖汤姆逊采用1891年乔治·斯托尼所起的名字——电子来称呼这种粒子。

至此，电子作为人类发现的第一个亚原子粒子和打开原子世界的大门被汤姆孙发现了 1896 年，在研究天然发萤光矿石的时候，法国物理学家亨利·贝克勒尔发现，不需要施加外能源，这些矿石就会自然地发射辐射这些放射性物质引起许多科学家的兴趣，包括发现这些放射性物质会发射粒子的新西兰物理学家欧尼斯特·卢瑟福按照这些粒子穿透物质的能力，卢瑟福替这些粒子分别取名为阿伐粒子和贝他粒子（“阿伐”是希腊字母的第一个字母“α”，“贝他”是第二个字母“β”） 1900 年，贝克勒尔发现，镭元素发射出的贝他射线，会被电场偏转；还有，贝他射线和阴极射线都有同样的质量-电荷比例这些证据使得物理学家更强烈地认为电子本是原子的一部分，贝他射线就是阴极射线 1909 年美国物理学家罗伯特·密立根做了一个著名实验，准确地测量出电子的带电量这实验称为油滴实验在这实验里，他使用电场的库仑力来平衡带电油滴所感受到的引力从电场强度，他计算出油滴的带电量他的仪器可以测量出含有 1-150 个离子的油滴的带电量，误差小于 0.3% 他发现每一颗油滴的带电量都是同一常数的倍数，因此，他推论这常数必是电子的带电量汤姆孙和学生约翰·汤森德使用电解的离子气体来将过饱和水蒸气凝结，经过测量带电水珠粒的带电量，也得到了相似结果。