福建省永安市第七中学九年级物理《11.1宇宙和微观世界》课外阅读素材1 人教新课标版

物质构成之谜望着茫茫大海，巍巍山峦，历史的长河里有多少人在思考：世界万物是由什么构成的？它有最小结构吗？如果有，那是什么呢？前人的猜测早在周代，我们的祖先就提出了五行说，即万物由金、木、水、火、土五种原料组成。

《周易》中有“无极生太极，无极生太极，太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦”的哲学思想。

这里，无极指的是物质世界诞生之前的情况，而所谓的太极即世界的本源，两极分别指代天和地，四象即春、夏、秋、冬四季，八卦则是天、地、雷、风、水、火、山、泽，它们演绎出了世界万物。

战国时代的道学家老子在《道德经》里写到：“道生一，一生二，二生三，三生万物。

”二指的是阴和阳，阴阳统一为“冲气”，三者产生万物。

而到了汉代，又出现了天地万物由“元气”组成的哲学观。

虽然这些学说现在看起来非常幼稚，但是它们还是有其科学的地方，即所有的物质都是由一些最基本的单位组成的，只不过古人们对这些最基本的单位认识不能统一而已。

同样的，在其它一些国家的历史上也有类似的学说。

比如古希腊人就认为水、火、空气和泥土是构成物质的基本元素。

但是，人们普遍认为，古希腊哲学家德谟克利特等人建立了早期的原子论。

德谟克利特和泰勒斯等根据有关各种自然现象的思辩性的考虑，提出了原子论的想法试图以之来阐明宇宙见形形色色的自然现象。

他们认为：宇宙间存在一种或多种微小的实体，叫做“原子”（现在欧洲各国文字中的“原子”都来源于希腊文“ａｔｏｍｏｓ”，是“不可分割”的意思）；这些原子在虚空中运动着，并可以按照各种不同的方式互相结合或重新分散。

虽然在这种意义上的原子论远远不是人们今天所了解的严密的科学理论，但是它无疑是和现代科学的结论比较吻合的。

事实上，这种原子学说的早期论点也见诸于中国的史书。

战国时代的思想家墨翟在《墨经》的《经下》篇中就曾经提出过：“端，体之无厚，而最前者也”。

端是物的起始，把物体分割到“无厚”，便达到最前的质点。

就是说：物体可以两半两半地分下去，如果剖到“无”，就不能再剖下去了。

此外，在这本书里还有其它一些原始的元素论思想。

但是无论中外古代思想家或是哲学家，他们对物质结构的认识都只是靠思辩和猜想，真正对物质的构成进行科学的研究和解释，只是近二三百年来的事情。

300多年以前，英国物理学家、化学家玻意耳（Boyle）在物质的结构上迈出了人类较为重要的一步。

他主张物质的微粒学说，提出了接近于现代的化学元素的概念，并且对化合物和混合物进行了区分。

1808年，道尔顿（Dalton）提出了原子是元素最小单元的概念，不同元素的原子互不相同。

几十年之后，俄国科学家门捷列夫从已发现的元素中发现了它们的性质呈现出规律性，据此制成了元素周期表。

根据这种规律性，他还预测了未发现的元素的特性。

从此，人们认识到，我们周围的一切物质都是由元素组成的，每一种元素都有化学性质相同的原子。

在人类就要跨入本世纪的门槛时，人们对物质的结构有了更深刻的了解。

当时，低压气体的放电现象引起了许多物理学者的兴趣。

大多数人都认为，阴极射线是带电粒子流。

但是后来，英国物理学家Ｊ·汤姆孙（Joseph John Thomson）在一些新发现的物理现象的基础上产生了一个新的想法，阴极射线可能是质量和线度小于原子的粒子射线。

为了证实这个想法和弄清楚这些粒子的物理性质，汤姆孙作了一些关键性的实验。

通过实验，汤姆孙令人信服的证明了，这种带负电的粒子是组成一切基本原子的基本成员之一。

于是，汤姆孙在1897年4月30日正式宣布，他发现了一种新的粒子，并称其为“微粒”。

这就是被后人称为“电子”的一种小于原子的粒子。

电子的发现是原子具有内部结构的有力证据。

电子的发现，第一次确切的打开了原子世界的大门，第一次使人类真实的看到比原子还小的东西。

在此之前，从古希腊的德谟克里特开始的2000多年中，原子一直被当作是物质世界的最小单元。

在世人的眼里，原子是最小不可分，最坚不可入，运动不停息的世界物质之砖。

虽然人们认识到了原子的运动、离合构成了丰富多彩、色彩纷呈的大千世界，但是人们却一直认为，原子自身却是永远不变的。

就连发现元素周期律——这种建立在原子结构基础之上的规律的化学家门捷列夫也是至死否认原子的复杂性。

于是，电子的发现，引起了世界的震惊和恐慌。

一些人惊呼，原子没有了，物质不存在了——这仿佛构成了一幅世界末日来临的恐怖场景。

而列宁却对此指出，电子的发现，不但不能否认，而且恰恰证明了物质的客观实在性。

电子的发现再一次将人们对物质结构的认识引向深入。

20世纪初，向原子内部探索和“分裂原子”成为了物理领域中最振奋人心的口号。

而1909年的α粒子散射实验成为了探索原子结构的先声。

卢瑟福（Rutherford）是一位英国物理学家，曾经师从汤姆孙。

中性的原子中发现了带负电的电子，使得人们对原子中正负电的分布提出了一些猜想，也引起了卢瑟福的兴趣。

1909年，卢瑟福及其助手们做了一个极其著名的实验。

他们用α粒子作“炮弹”去轰击一片金属铂。

结果发现：大部分粒子能穿过金属铂，其轨迹是直线，但是有少数的α粒子会发生大角度的偏转，个别α粒子还会弹回来。

卢瑟福把这个现象叫做α粒子的散射现象。

于是，他提出原子里面有一个质量大、体积小、带正电的硬东西——原子核。

而这个硬东西，决不会是电子。

因为电子的质量只是α粒子质量的几千万分之一，电子不会影响α粒子运动轨道，所以大部分α粒子通过金属铂薄片的时候，运动轨迹不变。

只有当极少数α粒子接近原子核的时候，由于α粒子和原子核都带正电，相互排斥，就发生了角度偏转，个别α粒子的方向正对着原子核，就被反弹回来。

1911年，卢瑟福在α粒子散射实验的结论基础之上提出了“行星式原子结构模型”。

从此，人类对原子的认识得到了彻底的改观，原子的面貌变的更加清晰、明朗了。

那么，既然原子并不是“最小不可分，最坚不可入”的，它的内部结构是怎么样的呢？是否有比电子和原子核更小的微粒呢？如前所述，电子是原子里带负电的粒子，而原子是呈中性的，那么原子核必然是由带正电的粒子组成的。

卢瑟福在自己的发现上更进一步，设想应该有更小的微粒存在。

卢瑟福想到，氢原子是最轻的原子，那么氢原子核也许就是组成一切原子核的更小微粒，它带一个单位正电荷，质量也是一个单位。

卢瑟福将其命名为“质子”。

1919年，卢瑟福用速度是2万公里／秒的α粒子做“炮弹”去轰击氮、氟、钾等元素的原子核，结果都发现有一种微粒产生，电量是＋1，质量是1。

从而发现了他自己所假设的质子。

“质子”这个名称的含义就是“第一个”、“最重要”的意思。

1920年，卢瑟福提出了中子的假说。

他认为，如果原子核完全由质子组成，那么某种元素的原子核所带的正电荷，在数值上一定等于那种元素的原子量，因为元素的原子量，主要是由原子核决定的。

核外电子的质量是微不足道的。

但是，事实上元素的原子量总是比它的核所带的正电荷数大一倍或一倍半以上。

这说明原子核里除了质子之外，必然还有一种质量核质子相仿，但却不带电的粒子存在。

卢瑟福把它叫做“中子”。

1930年，法国物理学家约里奥·居里（Joliot Curie）夫妇继续使用卢瑟福的方法用α粒子去轰击钋、锂、硼的原子核，产生了一种穿透力很强的辐射线。

1931年，他们用这种辐射线击破原子核，得到了一种不带电的粒子。

他们把这种中性粒子就假定为中子。

就在他们将实验的结果公布之后，另一位英国物理学家查得威克（Chardwick）立即在剑桥重复了同样的实验，并且证明了这种粒子不是无质量的，而是具有和质子相似的质量，这正是卢瑟福预言过的中子。

随着原子核、质子、中子的发现，1932年，科学家总结了前人的研究工作，提出了原子核结构的理论：原子核是由质子和中子组成的；一个质子的质量是一个单位、电量是一个单位的正电荷。

原子核里质子的数目等于核所带的正电荷数，也等于元素在门捷列夫周期表里的原子序数，由等于核外电子数；一个中子的质量是一个单位，电量是零，中子数目等于原子质量数与原子序数之差。

从此，在研究物质组成的道路上人类迈出了具有重要意义的一步，建立起了研究基本粒子的组成和结构及其运动的粒子物理学。

物质世界里人们探求自身的奥秘的脚步迈得更加踏实和坚定了。

更小的微粒粒子物理学的目标是探索物质的基本组元和它们之间相互作用的规律。

但是它研究的是比原子核更深层次的微观世界中物质的结构性质和在很高的能量下，这些物质相互转化的现象，以及产生这些现象的原因和规律。

从几千年前人们对物质的基本结构建立了最初的认识到本世纪30年代科学家们陆续发现中子、质子，可以称作粒子物理学发展的第一阶段。

但是在此之后，粒子物理学很快就进入了一个崭新的阶段。

1934年，日本科学家为了解释核子之间的强作用短程力，基于同电磁作用的对比，提出这种力是由质子和（或）中子之间交换的一种具有质量（电子质量的200～300倍）的基本粒子——介子引起的。

1936年两位科学家安德森和尼德迈耶在实验的基础上确认了一种新粒子，这就是后来人们被称为μ子的粒子。

1937人类终于在宇宙线中又发现了μ子。

之后，人们又陆续发现了π介子和奇异粒子等粒子。

进入本世纪50年代以后，科学技术的进步帮助人类制造出了高能加速器，又发现了大批新粒子。

需要注意的是，这里所说的“粒子”是指比原子核更小的下一个层次的微小颗粒。

这样，到目前为止，已发现的粒子有几百种之多，但是它们当中绝大多数在自然界中并不存在，是在高能实验室中产生出来的。

这期间科学家们证实了包括电子在内的所有的粒子，都有它的反粒子（有些粒子的反粒子就是它们本身）。

对此，我国高能物理学家也作出了大量的贡献。

第一个带电的反超子就是我国物理学家王淦昌等在1959年发现的。

对于如此众多的基本粒子，科学家们根据作用力的特点，将它们分为强子、轻子和传播子三大类：强子是所有参与强力作用的粒子的总称，它们由夸克组成。

已发现的夸克有五种：上夸克、下夸克、奇异夸克、桀夸克、底夸克和顶夸克（顶夸克被称为“最后的夸克”，是由美国研究人员于1995年新近被发现的）。

现有的粒子中绝大部分是强子，质子、中子、π介子等都属于强子；轻子只参与弱力、电磁力和引力作用，而不参与强相互作用。

轻子共有六种，即电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子（尚待发现）。

电子、μ子、τ子是带电的，所有的中微子则不带电；传播子也属于基本粒子。

传递强作用的胶子共有8种，1979年它们在某一现象种被间接发现，但至今尚未被直接发现。

基本粒子的大量发现，使人们开始怀疑这些基本粒子的基本性。

基本粒子的概念，面临着一个突变。

夸克假说的提出使得人们对人们对微观世界认识的尺度分别缩小到原来的十亿分之一（相对于原子）和万分之一（相对于原子核）。

可是，夸克和轻子有没有结构？它们是不是最基本的？基本粒子是否还能再分下去？夸克和轻子为什么会有不同的质量？质量的来源是什么？这一系列的疑问都在等待着给出解答。