第一篇 第四章 宇宙结构层次与物质基本单元

第一篇第四章宇宙的结构层次与物质的基本单元（p78-79）

第一节宇宙的宇观、宏观和微观三个层次

构成物质的基本单位是夸克、轻子和传播子。

宇宙按其空间尺度和质量大小可分为宇观、宏观和微观三个层次。一、微观层次（弱、强相互作用和电磁相互作用是支配微观层次的决定性因素）

微观层次通常又分为粒子亚原子和原子分子两个层次。

随着原子核增大，质子间静电排斥逐渐增大，最终超过核力的约束，就不存在稳定的原子核，强相互作用与电磁相互作用的平衡条件决定原子大小的上限。

二、宏观层次（电磁相互作用是支配宏观层次的决定性因素）

宏观物质是由大量原子分子形成的凝聚体系，其稳定条件是电子受原子核的为库伦吸引与电子之间因泡利不相容而有的排斥之间的平衡。密度随体积或质量的增加而略有增加，万有引力逐渐增强并开始起作用。

三、宇观层次（万有引力相互作用则是支配宇观层次的决定性因素。）在这个系列中，随着尺度和质量的增加，密度逐渐减小。万有引力作用与电磁相互作用不同，它不能屏蔽和中和，随着质量的增加，万有引力逐渐占支配地位的相互作用。

弱强相互作用和电脑相互作用是支配微观层次的决定性因素，电磁相互作用是支配宏观层次的决定性因素，而万有引力相互作用则是支配宇观层次的决定性因素。

1661年，英国科学家玻意耳提出了化学元素概念，为科学地研究化学奠定了基础。

1803年，英国化学家和物理学家道尔顿用原子的概念阐明化合物的组成及其所服从的定量规律，并通过实验来测定不同元素的原子质量之比。这种始于化学的原子假说叫做“化学原子论”。

1811年，意大利科学家阿伏伽德罗提出了分子假说，弥补了道尔顿原子学说中忽视了原子和分子区别的缺陷，两者结合成为“原子——分子学说”。

1869年，俄国科学家门捷列夫发现了元素的周期性递变规律并制成了元素周期表。在人类认识物质结构的进程中，这是一个重大的成就。第三节物质结构的基本单元

1964年，盖尔曼提出了夸克模型，认为强子，包括质子和中子，都是由夸克组成的。

一、第一粒子——电子的发展

1897年，汤姆孙发现阴极射线粒子称为“电子”。

电子有一种运动属性，叫做自旋，自旋是微观世界粒子特有的属性，电子是人类发现体现这种特性的第一个粒子。只参与电磁相互作用和弱相互作用，电子是质量很小的粒子，成为轻子。电子的Q=-1，轻子数L=+1。

汤姆孙1906年获诺贝尔物理学奖，被誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。

二、质子的发现

英国物理学家卢瑟福证实了质子的存在。参与包括强相互作用在内的一切相互作用。质子的质量大，称为重子。质子的重子数B=1。三、中子的发现

查德威克由于发现中子而获1935年度诺贝尔物理学奖。证明了原子包含质子，中子（氢原子例外），其质量数等于质子和中子相对质量的总和，原子序数等于质子数目。中子不带电，参与强相互作用在内的一切相互作用。重子数B=1，自由中子是不稳定的，它会蜕变为（一个质子、一个电子、一个反中微子）（参见p84）反中微子是一种既无质量又不带电的粒子。

四、反粒子——正电子的发现

安德森通过观测云室照片，发现了正电子e+，正电子的发现具有十分重要的意义，它是人类认识反粒子的开端。正电子参与磁相互作用和弱相互作用，电子的Q=+1，轻子数L=-1。同样，互为正反粒子的质子和反质子的质量m、寿命r、自旋J都相同，仅电荷数Q、重子数B等符号相反。正反粒子相互作用的特征是它们碰撞时湮没，生成相加量子数为零的态。

五、原子核结构模型与π介子的发现

1936年，玻尔发现原子核的密度几乎都相同，因此提出了液滴模型。这个模型比较好地解释了核裂变现象。

宇宙间有两种普遍的相互作用，一是万有引力，一是电磁力。

1935年，日本物理学家汤川秀树为了解释核子之间的相互作用，提出了它们之间是通过交换π介子而实现的。汤川秀树指出，π介子的

自旋角动量J=0，参与强相互作用在内的一切相互作用。π介子有三种：π+介子，Q=+1；π0介子，Q=0；π-介子，Q=-1。汤川秀树还预言了π介子的质量mπ。

1937年，安德森在宇宙射线的研究中发现了一种质量为电子207倍的粒子，它并不是传递核力的那种介子，而是另一种粒子叫做μ，属于轻子类。

1947年，英国物理学家鲍威尔用乳胶研究宇宙射线终于发现了π介子，其质量是电子的273倍。以π介子传递方式产生的相互作用具有这样的特点：强度极大、独立于电荷、作用距离和作用时间均极短。这种相互作用被称为强相互作用。

六、第一代“基本粒子”

物理学家认识到原子核由质子P和中子n组成，通常就把质子和中子称为核子。核子由比电磁相互作用（电磁力）更强的相互作用——该相互作用（核力）结合成原子核，原子核就会因为带正电荷的质子间的斥力而崩解。核力就是强相互作用力。核力仅在原子核线度（约10-13cm）范围内呈现，它是短程力。核力是一种强吸引的短程力。

七、超子的发现

1.∧超子的发现与奇异数S的引入

∧粒子有自旋角动量J，参与强相互作用的一切相互作用。Q=0。

∧粒子质量比核子（质子和中子）大，称为超子。超子也属于重子一类，∧超子的重子数B=1。奇异数是强子（重子和介子）的重要属性，它在相互作用过程前后的变化量的值是过程能否发生，是强作用、电磁作用或弱作用的判据。

2.Ω超子的寻找

1964年，在美国的布洛克海文国家实验室在氢气泡室中发现了Ω-粒子，Ω-粒子的发现是超多重态理论的重大胜利。超子是奇异数S不为零的重子的通称。超子的寿命大于10-22s，以发射光子或以弱相互作用方式衰变。超子的发现说明，第一代基本粒子并不是构成物质结构的基本单位。

八、夸克模型

1964年，盖尔曼和茨威格分别独立提出了形象的、易于理解的强子结构模型——夸克模型，该模型认为“强子是由三个更基本的粒子（上夸克、下夸克和奇异夸克）组成”。