组成物质的基本粒子

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1、一、组成物质的基本粒子世界上的物质形形色色，有好几百万种，它们是由什么组成的呢？有很长一 段时间，人们以为构成物质的最小微粒就是原子。直至 20 世纪初，物理学家才发现原子并不是最小的“微粒”它是由原子核和 电子组成的，而且原子核还可以分成更小的“小不点儿”。这些“小不点儿”都是原 子世界的“居民”它们的种类很多。一开始人们只发现了电子、光子、质子和中子， 后来又发现了正电子、中微子、介子、超子、变子等等，物理学家把它们统称为 “基本粒子”。1972 年，我国高能物理研究所云南宇宙线观测站，在宇宙线中发现了一种 新的重质量荷电粒子。1974 年秋天，以美籍物理学家丁肇中教授为首的研究小组，发现

2、了一种新 的重光子，命名为 J 粒子。1979年，丁肇中教授又发现了一种新的重要的基本粒一一胶子。据统计，科学家已经发现了 300 多种基本粒子，科学家们根据作用力的不同 把这些粒子分成了四个大类：（1）强子：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，它们是：上夸克（u）、下夸克（d）、奇异夸克（s）、粲夸克（c） 和底夸克（b）。理论预言还有第六种夸克存在，已命名为顶夸克（t）,但目前 尚未发现。现有粒子中绝大部分是强子，质子、中子、n介子等都属于强子。（2）轻子：只参与弱力、电磁力和引力作用，而不参与强相互作用的粒子 的总称。轻子共有六种，包括电子e-、电子中微子

3、v、p子、p子中微子v、TeU子、T子中微子V。电子、p子和T子是带电的，所有的中微子都不带电；T子T1是 1975 年发现的重要粒子，不参与强作用，属于轻子，但是它的质量很重，是 电子的 3600 倍，质子的 1.8 倍，因此又叫重轻子。（3）传播子，传递力的粒子。其中有传递强力或核力的胶子，传递电磁力 的光子和传递弱力的中间玻色子和Z粒子。（4）反粒子，它是指对于强子和轻子中每一种粒子都有相对应的反粒子， 反粒子的特点是与原粒子的质量相同，但所带的电荷相反。若按粒子的自旋情况来分类，科学家有把粒子分为三大类：（1） 13种规范玻色子，自旋为整数的粒子，包括8种胶子g、还有光子Y、W+, W

4、-,Z 和引力子各 1 种；48种费米子，自旋为半整数的粒子，包括6种轻子（片、乙、 、v ）， 18种夸克（6种夸克d、u、s、c、b、t,且每种夸克有红、黄、监3T种颜色）及其它们的反粒子；（3） 1种希格斯（Higgs）粒子，自旋为零的粒子，不带电。这些基本粒子，是不是物质世界 “最基本”的微粒呢？科学家的回答是否定 的，他们还在继续探索，不久的将来，人们将进入更小的微观世界。二、由宇宙谈到原子地球是人类的根据地，但地球上的人类，因为所住的地域不同，所以形成各 种思想言语习惯的不同，因此人类中间就难免产生了许多隔阂。不要说几个能到 北极去探险的人，被视为英雄好汉；就是今天能在东西两半球跑

5、来跑去的人，究 竟有多少呢？还不是占极少数。但地球的周长不过二万五千英里而已。谁都知道地球仅为太阳系中的一颗小行星。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，所以那些太阳系中的行星都比地球大 得多；但地球若与太阳比较，那才是小巫见大巫了。有人讲过一个比方，太阳的 肚子里，可以装一百三十万个地球，这就是说，一百三十万个地球，等于一个太 阳。太阳虽大，但是天狼星比太阳还大 12 倍。据天文学家说，比太阳更大的星 球有5X108个之多。维格星球(The Sun Vega)，夏天时可以看到，比太阳大 五万五千倍。在宇宙中，整个太阳系仅如沧海一粟，因为像太阳

6、系一样的，至少 还有一百多万星云。除了星体之庞大外，第二件令人惊奇的，乃是天空的伟大，这些星球之间的 不可思议的距离，我们真不知道天的边缘在那里。天文学上距离的单位，不能用 公里来计算，因为太不方便，所以改用一种标准，叫做“光年”。光每秒钟走三 十万公里，以每秒钟的速度，行走一年的距离，即为光年。一光年即等于十万亿 公里。我们先从近距离来说，地球距太阳为九万万英里，但其他的恒星，就不便 用英里或公里来计数了。恒星就是夜间我们所看到的那些似灭不灭在空中眨眼的 微星，它们因距离太远，所以好像不动似的，距地球最近的恒星是 ACentauri， 它的光线射到地球上需要走四年又四个月，北极星则需要四十个

7、年又六个月。普 通称为银河的那一团星丛，离开我们就有二十万光年之距。自太阳至最近的星云， 距离大约有一百万光年，星云与星云间相互的距离，平均大概也有一百万光年。 就观察所能及，最远的星云，约为一万万五千万光年。以后天文学器械发达，将 来所发现的，一定会千百倍于现在所能观察的。现在我们撇开庞大的宇宙，再来看一个无限小的宇宙，就是原子世界。“原 子能”可以说是现代最时髦的名词了。那末，原子是什么东西呢？原子是组成物 质的一个单位。谁都知道宇宙系的一切，是由各种物质组成的，但物质是由分子 组成，分子是由原子组成，而原子本身是具体而微的一个宇宙系统，其组织的精 密，非笔墨所能形容。那末，原子究竟有多大

8、呢？根据科学家计算，大约要把七 千万个氢原子，排成一条直线才有一分长，大约二万万万万万万个氢原子，才有 一钱重。又如，一英两的铀(原子弹的原料)就有一千万万万万万个原子。如以 一滴水放大到地球那么大；则其间原子不过是橘子那么大小而已。又如 1 克水中： 氧原子的重量仅为 0,000,000,000,000,000,000,000,264 克，而铀原子的重量 约为氧原子的 1469 倍。可是原子虽小，原子的本身不是一个实心的质点。有人常用太阳系来解释原子的构造。原子的中央为原子核，由若干更小的质 点，即质子和中子组成；核的周围，有若干电子各在轨道上绕着旋转，电子的多 少，随原子的种类而不同，有些

9、原子有许多电子，轨道分数层，每层有数个电子， 同时绕核旋转。电子带阴电，质子带阳电，电子的质量，只有质子的一千八百四 十分之一，中子与质子差不多大与重，不过中子是中性，不带电的。质子、中子、 电子只占原子空间的一小部分；犹如太阳，地球与其他行星仅占太阳系全部空间 的一小部分一样。每个原子有坚强的结合力，电子在原子中每秒钟旋转数百万次， 能拒绝任何物质进入。所谓原子能就是使原子的核心发生分裂时所放出来的能 力。例如一公分重的铀在原子反应中，要比一公分重的碳燃烧时所发生的能力， 大一千万倍。一磅重的铀就等于五百万磅煤，或三百万磅汽油。按爱因斯坦的质 量与能量的公式计算，则一公分重的物质，将其里面所

10、蕴藏的能力全部释放时， 足够将一只六万吨重的军舰，吹起空中一百哩高。上次投在日本的原子弹仅取用 了全部的原子能百分之几而已。据说其主要弹料不过橘子那么大，但当投在日本 广岛时，立刻使该城夷为平地，半径三十公里内均受影响，死者十三万六千人， 伤者十一万八千人。现在原子弹造得更进步，爆炸的威力更大，那么死伤率亦必 更大。原子能不但可供战时用，亦可用在工业和交通上。但请记得，整个宇宙是 由物质组成的，物质是由原子而成，那末这宇宙的本质就蕴藏着无穷的能量了。三、宇宙大爆炸理论介绍宇宙是如何起源的?自古以来一直是人类最感兴趣和不懈探索的问题。历史 上曾经出现过各种各样的神话传说，但宇宙的起源本身却是一个

11、科学问题。 20 世纪以来，由于科学技术的发展，人们在对宇宙观测中取得了越来越多的重大发 现，从而逐渐建立起科学的宇宙模型棗大爆炸宇宙学模型。一、提出大爆炸宇宙学模型的背景20世纪20年代，美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱时， 首先发现了光谱的红移，认识到了旋涡星云正快速远离人们而去。1929 年哈勃 把这种退行红移的测量与星系的距离的测量结合起来，总结出了著名的哈勃定 律：星系的退行速度v与它的距离r成正比，即v=Hro根据哈勃定律和后来更多天体红移的测定，人们相信宇宙在长时间内一直在 膨胀，物质密度一直在变稀。由此反推，宇宙的结构在某一时刻前是不存在的， 它只能是演化的产物

12、。因而 1948年伽莫夫等人首先提出了大爆炸宇宙学模型。二、大爆炸宇宙学模型1948 年，伽莫夫等在美国物理评论杂志上发表了关于大爆炸宇宙学模 型的文章：提出宇宙是由甚早期温度极高且密度极大，体积极小的物质迅速膨胀 形成的，这是一个由热到冷、由密到稀，不断膨胀的过程，尤如一次规模极其巨 大的超级大爆炸。根据这一学说，在宇宙的最早期，即距今大约 150亿年前，今天所观测到的 全部物质世界统统都集中在一个很小的范围内，温度极高，密度极大。大爆炸开 始后0.01秒，宇宙的温度约为 1000 亿摄氏度，其物质的主要成分为轻粒子（如光 子、电子或中微子），而质子和中子只占十亿分之一。所有这些粒子都处于热

13、平 衡状态。由于整个体系在快速膨胀，因此温度很快下降。大爆炸后0.1 秒，温度 下降到300亿摄氏度，中子与质子之比从原来的1下降到0.61 。 1秒钟后，温度 已下降到100 亿摄氏度。随着密度的减小，中微子不再处于热平衡状态，开始向 外逃逸。正负电子对开始发生湮没反应，中子与质子之比进一步下降到 0.3。但 这时温度还太高，核子仍不足以把中子和质子束缚在一起。大爆炸后 13.8 秒， 宇宙温度下降到30 亿摄氏度。这时质子和中子已可形成像氘、氦那样稳定的原 子核。化学元素从这时候开始形成。 35 分钟后，宇宙温度进一步下降到 3 亿摄 氏度，核形成停止了。氦和自由质子的质量之比大致保持在0

14、.220.28这一范围 内。由于温度还很高，质子仍不能和电子结合起来形成中性原子。中性原子大约 是在大爆炸发生后30万年才开始形成的，这时的温度已降到3000摄氏度，化学 结合作用已足以将绝大部分自由电子束缚在中性原子中。到这一阶段，宇宙的主 要成份是气态物质，随着温度的进一步降低，它们慢慢地凝聚成密度较高的气体 云，到 109年后，进一步形成各种星系， 1010年形成恒星系统。这些恒星系统又 经历了漫长的演化，才形成了我们今天所看到的宇宙。三、大爆炸宇宙学模型的成就宇宙早期的温度极高，今天的温度已降到极低（绝对温度3K）。如此巨大的 温度跨度是任何实验室条件都无法办到的。但是人们可以把已有的

15、关于粒子物 理、核物理、等离子体物理以及其他的物理知识应用于不同的宇宙演化阶段来预 言各种宇宙学效应。例如，大爆炸核合成及微波背景辐射等。通过多年的天文观 测，这些预言已逐渐被证实，从而成为大爆炸宇宙模型的有力证据。1大尺度的均匀和各向同性这是大爆炸宇宙模型的基础，对宇宙大尺度结构的观测结果已经证实宇宙学 原理的正确性。即宇宙在大尺度上一定是均匀各向同性，1989 年发射的 COBE 卫星对微波背景辐射的精密测量进一步表明在 10-4精度内宇宙是各向均匀、同性 的。2哈勃定律 从哈勃定律得到启示建立的大爆炸宇宙模型反过来可以预言这种定律。它已 被 28000 个星系的红移 （ 或退行速度 ）与

16、距离的关系的观测数据所证实。3宇宙的年龄宇宙既然是在一次大爆炸中诞生，那就可以谈论它的年龄。大爆炸宇宙学预 言宇宙今天的年龄约为 150 亿年，宇宙中的结构，例如恒星、星系等，都是在宇 宙形成以后逐渐形成的，所以它们的年龄必须小于宇宙年龄。近年来，人们通过 采用多种不同的方式来测定星系和恒星的年龄，例如测量放射性元素及其衰变产 物在星体中的丰度等，最后得到的结果是完全一致的。即星系和恒星的年龄，都 在几十亿年的数量级，这与宇宙的年龄是相容的。4大爆炸的核合成大爆炸宇宙学认为最初的宇宙中，既没有分子，也没有原子。第一批原子核 是在大爆炸后10-2秒到3分钟这一时间内，由质子和中子组合而成并遗留至今的。 因而预言了宇宙中轻元素的丰度（如氦的丰度约为25%，氢的丰度约为 75%）。多 年来人们对天体范围内的轻元素丰度的观测结果，正好与大爆炸的预言相一致。 从而成为大爆炸宇宙学的最早