組成物質(zhì)的基本粒子

1、一、組成物質(zhì)的基本粒子世界上的物質(zhì)形形色色，有好幾百萬(wàn)種，它們是由什么組成的呢？有很長(zhǎng)一 段時(shí)間，人們以為構(gòu)成物質(zhì)的最小微粒就是原子。直至20世紀(jì)初，物理學(xué)家才發(fā)現(xiàn)原子并不是最小的 微?！彼怯稍雍撕?電子組成的，而且原子核還可以分成更小的 小不點(diǎn)兒”這些 小不點(diǎn)兒”都是原 子世界的 居民”它們的種類(lèi)很多。一開(kāi)始人們只發(fā)現(xiàn)了電子、光子、質(zhì)子和中子， 后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了正電子、中微子、介子、超子、變子等等，物理學(xué)家把它們統(tǒng)稱為 基本粒子”。1972年，我國(guó)高能物理研究所云南宇宙線觀測(cè)站，在宇宙線中發(fā)現(xiàn)了一種 新的重質(zhì)量荷電粒子。1974年秋天，以美籍物理學(xué)家丁肇中教授為首的研究小組，發(fā)現(xiàn)了一種新 的

2、重光子，命名為J粒子。1979年，丁肇中教授又發(fā)現(xiàn)了一種新的重要的基本粒 一一膠子。據(jù)統(tǒng)計(jì)，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了 300多種基本粒子，科學(xué)家們根據(jù)作用力的不同 把這些粒子分成了四個(gè)大類(lèi)：（1）強(qiáng)子：所有參與強(qiáng)力作用的粒子的總稱。它們由夸克組成，已發(fā)現(xiàn)的夸克有五種，它們是：上夸克（u）、下夸克（d）、奇異夸克（s）、粲夸克（c） 和底夸克（b）。理論預(yù)言還有第六種夸克存在，已命名為頂夸克（t），但目前 尚未發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)有粒子中絕大部分是強(qiáng)子，質(zhì)子、中子、n介子等都屬于強(qiáng)子。（2）輕子：只參與弱力、電磁力和引力作用，而不參與強(qiáng)相互作用的粒子的總稱。輕子共有六種，包括電子 e、電子中微子，、卩子、卩子中微子

3、t 子、T子中微子'。電子、卩子和T子是帶電的，所有的中微子都不帶電；T子是1975年發(fā)現(xiàn)的重要粒子，不參與強(qiáng)作用，屬于輕子，但是它的質(zhì)量很重，是 電子的3600倍，質(zhì)子的1.8倍，因此又叫重輕子。（3）傳播子，傳遞力的粒子。其中有傳遞強(qiáng)力或核力的膠子，傳遞電磁力 的光子和傳遞弱力的中間玻色子和 Z粒子。（4）反粒子，它是指對(duì)于強(qiáng)子和輕子中每一種粒子都有相對(duì)應(yīng)的反粒子， 反粒子的特點(diǎn)是與原粒子的質(zhì)量相同，但所帶的電荷相反。若按粒子的自旋情況來(lái)分類(lèi)，科學(xué)家有把粒子分為三大類(lèi)：（1） 13種規(guī)范玻色子，自旋為整數(shù)的粒子，包括 8種膠子g、還有光子、 W w-,z和引力子各1種；（2）48種

4、費(fèi)米子，自旋為半整數(shù)的粒子，包括 6種輕子（e、-、e、工、一I、 、： .），18種夸克（6種夸克d、u、s、c、b、t，且每種夸克有紅、黃、藍(lán) 3 種顏色）及其它們的反粒子；（3）1種希格斯（Higgs）粒子，自旋為零的粒子，不帶電。這些基本粒子，是不是物質(zhì)世界最基本”的微粒呢？科學(xué)家的回答是否定的，他們還在繼續(xù)探索，不久的將來(lái)，人們將進(jìn)入更小的微觀世界。、由宇宙談到原子地球是人類(lèi)的根據(jù)地，但地球上的人類(lèi)，因?yàn)樗〉牡赜虿煌孕纬筛?種思想言語(yǔ)習(xí)慣的不同，因此人類(lèi)中間就難免產(chǎn)生了許多隔閡。不要說(shuō)幾個(gè)能到 北極去探險(xiǎn)的人，被視為英雄好漢；就是今天能在東西兩半球跑來(lái)跑去的人， 究 竟有多少

5、呢？還不是占極少數(shù)。但地球的周長(zhǎng)不過(guò)二萬(wàn)五千英里而已。誰(shuí)都知道地球僅為太陽(yáng)系中的一顆小行星。天王星比地球大 14 倍，海王星 大 17 倍，土星大 93 倍，木星大 1279 倍，所以那些太陽(yáng)系中的行星都比地球大 得多；但地球若與太陽(yáng)比較，那才是小巫見(jiàn)大巫了。有人講過(guò)一個(gè)比方，太陽(yáng)的 肚子里，可以裝一百三十萬(wàn)個(gè)地球，這就是說(shuō)，一百三十萬(wàn)個(gè)地球，等于一個(gè)太 陽(yáng)。太陽(yáng)雖大，但是天狼星比太陽(yáng)還大 12 倍。據(jù)天文學(xué)家說(shuō)，比太陽(yáng)更大的星 球有5X 108個(gè)之多。維格星球(The Sun Vega)，夏天時(shí)可以看到，比太陽(yáng)大 五萬(wàn)五千倍。在宇宙中，整個(gè)太陽(yáng)系僅如滄海一粟，因?yàn)橄裉?yáng)系一樣的，至少 還有一

6、百多萬(wàn)星云。除了星體之龐大外， 第二件令人驚奇的， 乃是天空的偉大， 這些星球之間的 不可思議的距離， 我們真不知道天的邊緣在那里。 天文學(xué)上距離的單位， 不能用 公里來(lái)計(jì)算，因?yàn)樘环奖?，所以改用一種標(biāo)準(zhǔn)，叫做“光年”。光每秒鐘走三 十萬(wàn)公里，以每秒鐘的速度，行走一年的距離，即為光年。一光年即等于十萬(wàn)億 公里。我們先從近距離來(lái)說(shuō)，地球距太陽(yáng)為九萬(wàn)萬(wàn)英里，但其他的恒星，就不便 用英里或公里來(lái)計(jì)數(shù)了。 恒星就是夜間我們所看到的那些似滅不滅在空中眨眼的 微星，它們因距離太遠(yuǎn)，所以好像不動(dòng)似的，距地球最近的恒星是A Centauri ，它的光線射到地球上需要走四年又四個(gè)月， 北極星則需要四十個(gè)年又六

7、個(gè)月。 普 通稱為銀河的那一團(tuán)星叢， 離開(kāi)我們就有二十萬(wàn)光年之距。 自太陽(yáng)至最近的星云， 距離大約有一百萬(wàn)光年，星云與星云間相互的距離，平均大概也有一百萬(wàn)光年。 就觀察所能及，最遠(yuǎn)的星云，約為一萬(wàn)萬(wàn)五千萬(wàn)光年。以后天文學(xué)器械發(fā)達(dá)，將 來(lái)所發(fā)現(xiàn)的，一定會(huì)千百倍于現(xiàn)在所能觀察的。現(xiàn)在我們撇開(kāi)龐大的宇宙，再來(lái)看一個(gè)無(wú)限小的宇宙，就是原子世界。 “原 子能”可以說(shuō)是現(xiàn)代最時(shí)髦的名詞了。 那末， 原子是什么東西呢？原子是組成物 質(zhì)的一個(gè)單位。 誰(shuí)都知道宇宙系的一切， 是由各種物質(zhì)組成的， 但物質(zhì)是由分子 組成，分子是由原子組成， 而原子本身是具體而微的一個(gè)宇宙系統(tǒng)， 其組織的精 密，非筆墨所能形容。那末

8、，原子究竟有多大呢？根據(jù)科學(xué)家計(jì)算，大約要把七 千萬(wàn)個(gè)氫原子， 排成一條直線才有一分長(zhǎng)， 大約二萬(wàn)萬(wàn)萬(wàn)萬(wàn)萬(wàn)萬(wàn)個(gè)氫原子， 才有 一錢(qián)重。又如，一英兩的鈾(原子彈的原料)就有一千萬(wàn)萬(wàn)萬(wàn)萬(wàn)萬(wàn)個(gè)原子。如以 一滴水放大到地球那么大； 則其間原子不過(guò)是橘子那么大小而已。 又如 1 克水中： 氧原子的重量?jī)H為 0,000,000,000,000,000,000,000,264 克，而鈾原子的重量 約為氧原子的 1469 倍。可是原子雖小，原子的本身不是一個(gè)實(shí)心的質(zhì)點(diǎn)。有人常用太陽(yáng)系來(lái)解釋原子的構(gòu)造。 原子的中央為原子核， 由若干更小的質(zhì) 點(diǎn)，即質(zhì)子和中子組成；核的周?chē)腥舾呻娮痈髟谲壍郎侠@著旋轉(zhuǎn)，電子的多

9、 少，隨原子的種類(lèi)而不同， 有些原子有許多電子， 軌道分?jǐn)?shù)層， 每層有數(shù)個(gè)電子， 同時(shí)繞核旋轉(zhuǎn)。電子帶陰電，質(zhì)子帶陽(yáng)電，電子的質(zhì)量，只有質(zhì)子的一千八百四 十分之一， 中子與質(zhì)子差不多大與重， 不過(guò)中子是中性， 不帶電的。 質(zhì)子、中子、 電子只占原子空間的一小部分； 猶如太陽(yáng)， 地球與其他行星僅占太陽(yáng)系全部空間 的一小部分一樣。每個(gè)原子有堅(jiān)強(qiáng)的結(jié)合力， 電子在原子中每秒鐘旋轉(zhuǎn)數(shù)百萬(wàn)次， 能拒絕任何物質(zhì)進(jìn)入。所謂原子能就是使原子的核心發(fā)生分裂時(shí)所放出來(lái)的能 力。例如一公分重的鈾在原子反應(yīng)中，要比一公分重的碳燃燒時(shí)所發(fā)生的能力， 大一千萬(wàn)倍。 一磅重的鈾就等于五百萬(wàn)磅煤， 或三百萬(wàn)磅汽油。 按愛(ài)因斯

10、坦的質(zhì) 量與能量的公式計(jì)算，則一公分重的物質(zhì)，將其里面所蘊(yùn)藏的能力全部釋放時(shí)， 足夠?qū)⒁恢涣f(wàn)噸重的軍艦， 吹起空中一百哩高。 上次投在日本的原子彈僅取用 了全部的原子能百分之幾而已。 據(jù)說(shuō)其主要彈料不過(guò)橘子那么大， 但當(dāng)投在日本 廣島時(shí)，立刻使該城夷為平地，半徑三十公里內(nèi)均受影響，死者十三萬(wàn)六千人， 傷者十一萬(wàn)八千人。 現(xiàn)在原子彈造得更進(jìn)步， 爆炸的威力更大， 那么死傷率亦必 更大。原子能不但可供戰(zhàn)時(shí)用，亦可用在工業(yè)和交通上。但請(qǐng)記得，整個(gè)宇宙是 由物質(zhì)組成的，物質(zhì)是由原子而成，那末這宇宙的本質(zhì)就蘊(yùn)藏著無(wú)窮的能量了。三、宇宙大爆炸理論介紹宇宙是如何起源的 ?自古以來(lái)一直是人類(lèi)最感興趣和不懈探

11、索的問(wèn)題。歷史 上曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)各種各樣的神話傳說(shuō)，但宇宙的起源本身卻是一個(gè)科學(xué)問(wèn)題。 20 世紀(jì)以來(lái)， 由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 人們?cè)趯?duì)宇宙觀測(cè)中取得了越來(lái)越多的重大發(fā) 現(xiàn)，從而逐漸建立起科學(xué)的宇宙模型棗大爆炸宇宙學(xué)模型。一、提出大爆炸宇宙學(xué)模型的背景20世紀(jì) 20 年代，美國(guó)天文學(xué)家斯萊弗在研究遠(yuǎn)處的旋渦星云發(fā)出的光譜時(shí)， 首先發(fā)現(xiàn)了光譜的紅移，認(rèn)識(shí)到了旋渦星云正快速遠(yuǎn)離人們而去。 1929 年哈勃 把這種退行紅移的測(cè)量與星系的距離的測(cè)量結(jié)合起來(lái)，總結(jié)出了著名的哈勃定 律：星系的退行速度v與它的距離r成正比，即v= Hr。根據(jù)哈勃定律和后來(lái)更多天體紅移的測(cè)定， 人們相信宇宙在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)一直在 膨脹

12、，物質(zhì)密度一直在變稀。由此反推，宇宙的結(jié)構(gòu)在某一時(shí)刻前是不存在的， 它只能是演化的產(chǎn)物。因而 1948 年伽莫夫等人首先提出了大爆炸宇宙學(xué)模型。二、大爆炸宇宙學(xué)模型1948 年，伽莫夫等在美國(guó)物理評(píng)論雜志上發(fā)表了關(guān)于大爆炸宇宙學(xué)模 型的文章： 提出宇宙是由甚早期溫度極高且密度極大， 體積極小的物質(zhì)迅速膨脹 形成的，這是一個(gè)由熱到冷、由密到稀，不斷膨脹的過(guò)程，尤如一次規(guī)模極其巨 大的超級(jí)大爆炸。根據(jù)這一學(xué)說(shuō)， 在宇宙的最早期， 即距今大約 150 億年前， 今天所觀測(cè)到的 全部物質(zhì)世界統(tǒng)統(tǒng)都集中在一個(gè)很小的范圍內(nèi)， 溫度極高， 密度極大。 大爆炸開(kāi) 始后 0.01 秒，宇宙的溫度約為 1000

13、億攝氏度，其物質(zhì)的主要成分為輕粒子 （如光 子、電子或中微子 ），而質(zhì)子和中子只占十億分之一。所有這些粒子都處于熱平 衡狀態(tài)。由于整個(gè)體系在快速膨脹，因此溫度很快下降。大爆炸后 0.1 秒，溫度 下降到 300億攝氏度，中子與質(zhì)子之比從原來(lái)的 1下降到 0.61。 1秒鐘后，溫度 已下降到 100 億攝氏度。 隨著密度的減小， 中微子不再處于熱平衡狀態(tài)， 開(kāi)始向 外逃逸。正負(fù)電子對(duì)開(kāi)始發(fā)生湮沒(méi)反應(yīng)，中子與質(zhì)子之比進(jìn)一步下降到0.3。但這時(shí)溫度還太高，核子仍不足以把中子和質(zhì)子束縛在一起。大爆炸后 13.8 秒， 宇宙溫度下降到 30 億攝氏度。這時(shí)質(zhì)子和中子已可形成像氘、氦那樣穩(wěn)定的原 子核?；?/p>

14、學(xué)元素從這時(shí)候開(kāi)始形成。 35 分鐘后，宇宙溫度進(jìn)一步下降到 3 億攝 氏度，核形成停止了。氦和自由質(zhì)子的質(zhì)量之比大致保持在 0.220.28這一范圍 內(nèi)。由于溫度還很高， 質(zhì)子仍不能和電子結(jié)合起來(lái)形成中性原子。 中性原子大約 是在大爆炸發(fā)生后 30 萬(wàn)年才開(kāi)始形成的， 這時(shí)的溫度已降到 3000攝氏度，化學(xué) 結(jié)合作用已足以將絕大部分自由電子束縛在中性原子中。 到這一階段， 宇宙的主 要成份是氣態(tài)物質(zhì)， 隨著溫度的進(jìn)一步降低， 它們慢慢地凝聚成密度較高的氣體 云，到 109 年后，進(jìn)一步形成各種星系， 1010年形成恒星系統(tǒng)。這些恒星系統(tǒng)又 經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的演化，才形成了我們今天所看到的宇宙。三、

15、大爆炸宇宙學(xué)模型的成就宇宙早期的溫度極高，今天的溫度已降到極低 （絕對(duì)溫度3K）。如此巨大的 溫度跨度是任何實(shí)驗(yàn)室條件都無(wú)法辦到的。但是人們可以把已有的關(guān)于粒子物 理、核物理、等離子體物理以及其他的物理知識(shí)應(yīng)用于不同的宇宙演化階段來(lái)預(yù) 言各種宇宙學(xué)效應(yīng)。 例如， 大爆炸核合成及微波背景輻射等。 通過(guò)多年的天文觀 測(cè)，這些預(yù)言已逐漸被證實(shí)，從而成為大爆炸宇宙模型的有力證據(jù)。1大尺度的均勻和各向同性 這是大爆炸宇宙模型的基礎(chǔ)， 對(duì)宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的觀測(cè)結(jié)果已經(jīng)證實(shí)宇宙學(xué) 原理的正確性。即宇宙在大尺度上一定是均勻各向同性， 1989 年發(fā)射的 COBE 衛(wèi)星對(duì)微波背景輻射的精密測(cè)量進(jìn)一步表明在10-4

16、 精度內(nèi)宇宙是各向均勻、 同性的。2哈勃定律 從哈勃定律得到啟示建立的大爆炸宇宙模型反過(guò)來(lái)可以預(yù)言這種定律。 它已 被 28000 個(gè)星系的紅移 （ 或退行速度 ）與距離的關(guān)系的觀測(cè)數(shù)據(jù)所證實(shí)。3宇宙的年齡宇宙既然是在一次大爆炸中誕生， 那就可以談?wù)撍哪挲g。 大爆炸宇宙學(xué)預(yù) 言宇宙今天的年齡約為 150 億年，宇宙中的結(jié)構(gòu)，例如恒星、星系等，都是在宇 宙形成以后逐漸形成的， 所以它們的年齡必須小于宇宙年齡。 近年來(lái)， 人們通過(guò) 采用多種不同的方式來(lái)測(cè)定星系和恒星的年齡， 例如測(cè)量放射性元素及其衰變產(chǎn) 物在星體中的豐度等， 最后得到的結(jié)果是完全一致的。 即星系和恒星的年齡， 都 在幾十億年的數(shù)

17、量級(jí)，這與宇宙的年齡是相容的。4大爆炸的核合成大爆炸宇宙學(xué)認(rèn)為最初的宇宙中， 既沒(méi)有分子， 也沒(méi)有原子。 第一批原子核 是在大爆炸后 10-2秒到 3分鐘這一時(shí)間內(nèi)，由質(zhì)子和中子組合而成并遺留至今的。 因而預(yù)言了宇宙中輕元素的豐度 （如氦的豐度約為 25%，氫的豐度約為 75%）。多 年來(lái)人們對(duì)天體范圍內(nèi)的輕元素豐度的觀測(cè)結(jié)果，正好與大爆炸的預(yù)言相一致。 從而成為大爆炸宇宙學(xué)的最早證據(jù)。5 微波背景輻射大爆炸宇宙學(xué)模型認(rèn)為溫度降低到 3000K 左右時(shí)，中性原子將大量形成， 光子與他們失去耦合，從而作為宇宙中的一個(gè)獨(dú)立組分存留下來(lái)。伽莫夫預(yù)言， 這種作為歷史遺跡的背景光子應(yīng)當(dāng)可以在今天觀測(cè)到，并估計(jì)出大約溫度為 10k。1964 年就在物理學(xué)家們計(jì)劃用輻射計(jì)觀測(cè)這種背景輻射的時(shí)候，美國(guó)貝爾 實(shí)驗(yàn)室的兩位工程師， 彭齊亞斯和威爾遜在安裝調(diào)試衛(wèi)星天線的過(guò)程中， 發(fā)現(xiàn)天 空各個(gè)不同方向上都存在一種不變的相當(dāng)于3.5K的黑體輻射背景（即微波背景輻射）。他們因此獲得了 1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 后來(lái)， 1989年發(fā)射的 COBE （宇宙背景探測(cè)者）衛(wèi)星則最終測(cè)定出在10-4 精度內(nèi)