物质的基本结构

第四章物质的基本结构

本章导读

世界是物质的。物质的结构层次是怎样的？构成物质的基本单元是什么？这是自然科学研究的重大基本问题，也是从古到今，人类一直不断探索的问题。

从微观角度，物质的基本结构分为三个层次：分子和原子层次、原子核层次、基本粒子层次。它们分别是原子物理和化学、原子核物理学和粒子物理学研究的内容。目前，人们对微观世界的认识尺度已经达到19

10 米，已发现的基本粒子有400多种，构成物质的基本单元是夸克、轻子和传播子。基本粒子研究的内容：四种基本相互作用力，粒子的物理性质、粒子的分类、粒子的波粒二象性。

第一节 物质的基本结构

人类对物质组成的最小结构的不断探索，推进了人类对微观世界的认识。所谓的微观世界是指m 1010-（原子的直径为m 1010-）

以下的物质世界。微观世界的研究可分为三个层次：

分子和原子层次

微观世界 原子核层次

基本粒子层次

它们分别是原子物理和化学、原子核物理学和粒子物理学研究的内容。

图4-1 从分子到夸克和轻子

一、对分子、原子层次的认识过程

从古代开始，人类在探索自然奥秘的过程中，就不断探求物质的最小结构单元。但运用实验和数学分析等手段和方法，真正对物质的基本结构进行科学的研究和解释，是从17世纪开始的。

1661年，英国科学家玻义耳提出了化学元素的概念，为科学地研究化学奠定了基础。1803年，被誉为近代化学之父的英国化学家和物理学家道尔顿提出了原子论。认为：元素的最小单元—原子是不可再分割的物质粒子。1811年，意大利科学家阿伏加德罗提出了分子学说，弥补了道尔顿原子论中忽视了分子和原子区别的缺陷，两者结合形成了“原子—分子学说”。使化学有了惊人的发展，许多新的化学元素不断被发现。1871年，俄国化学家门捷列夫研究了原子量与元素性质之间的关系，提出了较完整的化学元素周期表。周期表揭示出：元素性质的规律性变化与物质结构有关。启示人们对物质更高层次的探索。

二、对原子核层次的认识过程

19世纪，物理学家通过光谱分析技术，发现不同元素的原子都有不同的光谱结构，而同种元素的原子其光谱结构也相当复杂。这表明原子有内部结构。于是，探索物质基本结构的任务就落到了物理学家的肩上。

1、电子的发现

1897年，英国物理学家汤姆逊通过阴极射线实验的研究发现了电子，

电子带一个单位的负电荷，重量只有氢原子的1/1840，并推算出原子直径约为10

10-m。1913年，美国科学家密立根完成了著名的油滴实验，首次测得电子所带的电量为e＝1.6×19

10-C，并由此算出每个电子的质量为31

10

⨯kg。可见，电子是极其微小的。它的体积小到无法测量；若用1.9-

200V的电压，点亮一个约36W的灯泡，导线中的电流强度为0.16A，则每秒钟通过导线横截面的电子数为1亿亿个；电子是质量很轻的粒子，属于轻子。

由于汤姆逊打破了统治人们思想多年的“原子是物质不可再分的最小单元”的禁锢，勇敢地提出了“有比原子小得多的粒子存在”的正确观点，于1906年荣获诺贝尔物理学奖。被誉为“最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。

2、质子的发现

1911年，卢瑟福用α粒子轰击金属箔发现了原子核，并提出了原子行星模型：原子是由带正电的、占有原子质量的大部分的原子核和围绕它运动的电子构成的，其结构与太阳系类似。

1914年，卢瑟福用阴极射线轰击氢，结果使氢原子的电子被打掉，变成了带正电的阳离子，实际上就是氢原子核。卢瑟福将之命名为质子。1919年，卢瑟福用加速了的高能α粒子轰击氮原子，有一个质子从氮原子核中被打出来，证实了质子的存在。质子带一个单位的正电荷，其电量为

19

.1-

⨯kg。质子比电子重得多，属于重子。

10

673

10

6.1-

⨯C，静止质量为27

3、中子的发现

原子核被发现之后，原子核的构成又是怎样的？如果原子核仅由质子组成的，则在解释原子核的电荷、质量等问题时将出现困难。于是早在1920年卢瑟福就猜测在原子核内可能存在一种电中性的粒子。

卢瑟福的学生查德威克在实验室中开始了寻找这种电中性粒子的实验。与此同时，德国物理学家波特和他的学生贝克尔在做用α粒子对铍原子核的轰击实验时，发现了一种穿透力极强的、呈电中性的射线，他们断定这是一种特殊的γ射线。同时，在法国居里夫人的女婿约里奥和女儿伊雷娜·居里也在做类似的实验，同样，他们也认为新射线是一种γ射线。1932年，查德威克获知了上述同行的实验结果后，立刻意识到这种新射线很可能就是卢瑟福猜测的“在粒子家族中可能存在由质子和电子‘做成’的，其质量与质子差不多的”中子，于是，他立即动手实验，仅用了不到1个月的时间，就发表了“中子可能存在”的论文。论文中指出：γ射线没有质量，根本就不可能用α粒子将它从原子核中撞出来，只有那些与α粒子质量相当的粒子才有这种可能。并且，查德威克还测量了中子的质量，证实了中子是电中性的。约里奥和居里后来谈到，如果他们在1932年去听了卢瑟福在法国的一次关于“中子可能存在”的演讲，就不至于失去这次重大发现的良机。查德威克因发现中子于1935年获得诺贝尔物理学奖。中子不带电，其静止质量与质

子大体相同，为27

10

675

.1-

⨯kg。

中子的出现立刻受到了所有粒子物理学家的欢迎，因为这一粒子的引进，自动解决了当时在解释原子核的电荷、质量等问题时遇到的困难。按照前苏联科学家依万宁柯和德国物理学家海森堡所提出的原子核的质子、中子模型，原子核将由Z个质子和N个中子组成，原子核的质量数是A＝Z＋N，即原子核由A个核子（质子和中子的通称）所组成，任何一种原子核可表示为：

A

Z

元素

如：1

1H，238

92

U ……等等。实验上发现有电荷相同但质量不同的原子核，

称为同位素，例如：氢有1

1H（氢），2

1

H（氘）和3

1

H（氚）三种同位素；铀

有235

92U，238

92

U ……等等同位素。

质子和中子的发现，不仅使原子核模型得到了确立，同时，也使人们对物质结构的认识进入更高层次—基本粒子层次。但新的问题也随之而来：原子核中的质子同带正电，它们之间应该存在相当大的斥力。那么，核子又是如何组成原子核并保持稳定的呢？

三、对基本粒子的认识过程

1、正电子的发现

中子发现不久，美国物理学家安德森通过观测云室照片，发现了正电子，正电子与电子质量相同，但带正电荷。正电子的发现具有十分重要的意义，