關(guān)于物質(zhì)構(gòu)成的探究

常戰(zhàn)軍

在《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)》實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理選修3～5中，最后一節(jié)談到了粒子和宇宙。至此，學(xué)生在中學(xué)階段對(duì)物質(zhì)構(gòu)成的認(rèn)識(shí)到了一個(gè)新的高度。為使中學(xué)生更加系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)物質(zhì)的構(gòu)成，對(duì)中學(xué)階段的所學(xué)總結(jié)歸納，本文對(duì)物質(zhì)的構(gòu)成進(jìn)行簡(jiǎn)述。

在對(duì)物質(zhì)組成的認(rèn)識(shí)上，基本上存在兩種不同的觀點(diǎn)：一種認(rèn)為存在組成物質(zhì)的最小單元，一種認(rèn)為物質(zhì)可不斷分下去，沒(méi)有最小的或最基本的單元。

在19世紀(jì)以前，人們基本上都認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的最小微粒，但是后來(lái)科學(xué)家的足跡證明事實(shí)并非如此。

1897年湯姆遜通過(guò)測(cè)定陰極射線離子的比荷從而發(fā)現(xiàn)了電子。在1910年前夕，對(duì)物質(zhì)構(gòu)成的認(rèn)識(shí)大致是這樣的：原子是組成宏觀世界的一種微觀實(shí)體，原子是電中性的，它由質(zhì)量很小的電子和集中了原子的幾乎全部質(zhì)量的正電荷構(gòu)成；處于穩(wěn)定狀態(tài)的電子是不動(dòng)的，因此它也不輻射能量，處于激發(fā)態(tài)的電子的振動(dòng)導(dǎo)致輻射光波。由于電子的發(fā)現(xiàn)，光電效應(yīng)、放射性、X射線的發(fā)現(xiàn)，原子不可分割的思想禁錮被沖破了。

然后科學(xué)家對(duì)原子結(jié)構(gòu)至少提出過(guò)三種不同的假設(shè)，如湯姆遜模型認(rèn)為原子中帶正電的部分是一個(gè)均勻的帶電球體，電子撒在球體中。

對(duì)原子結(jié)構(gòu)的研究邁出決定性一步的是盧瑟福和他的學(xué)生蓋革、馬斯登所進(jìn)行的對(duì)阿爾法粒子散射的研究。

盧瑟福在詳細(xì)分析阿爾法粒子的大角度散射實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上于1911年提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)這一模型，原子的帶正電的核幾乎集中著原子的全部質(zhì)量，核的半徑遠(yuǎn)小于原子自身的半徑。原子的線度是由核與電子間的距離所決定的，這些電子是不停地繞核轉(zhuǎn)動(dòng)著的。所以，這一模型又稱行星模型。是原子核和電子間的庫(kù)侖力提供了電子的向心力。

1911年盧瑟福在研究和反應(yīng)時(shí)認(rèn)為氫原子核也是組成別的原子核的一個(gè)基元。

1919年盧瑟福用阿爾法粒子轟擊氮核從而發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子。后來(lái)科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)，用阿爾法粒子轟擊其他一些原子核，也能打出質(zhì)子來(lái)，說(shuō)明了每種元素的原子核中都有質(zhì)子。

1931年，查德威克在研究從鈹發(fā)出的一種中性的穿透力很強(qiáng)的射線的過(guò)程中，認(rèn)為只有假定從鈹放出的是一種質(zhì)量跟質(zhì)子差不多的中性粒子，才能解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。他把這種中性粒子叫作“中子”。不久，這個(gè)假定被實(shí)驗(yàn)證實(shí)了。科學(xué)家證實(shí)了中子也是原子核的組成部分。

質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn)，使人們知道了原子核是由質(zhì)子和中子所組成。人們?cè)谵Z擊各種元素的原子核時(shí)都發(fā)現(xiàn)里面有質(zhì)子和中子。這樣，人們認(rèn)識(shí)到質(zhì)子、中子、電子構(gòu)成一切穩(wěn)定的物質(zhì)。

那么，質(zhì)子、中子是構(gòu)成物質(zhì)的最小單元嗎？

后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)子是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的。（質(zhì)子、中子屬于

強(qiáng)子）

強(qiáng)子由更基本的夸克組成。根據(jù)已知粒子的一些固有特性推測(cè)，夸克須具備一些奇怪的特性，比如組成一個(gè)重子需要三個(gè)夸克，組成一個(gè)介子需要一個(gè)夸克和反夸克。夸克必須攜帶三分之一或三分之二個(gè)電子電荷單位。在夸克模型剛剛建立的時(shí)候，只需要三種夸克即上夸克、下夸克、奇異夸克，就足以構(gòu)造當(dāng)時(shí)所發(fā)現(xiàn)的所有強(qiáng)子。可到了20世紀(jì)70年代，理論和實(shí)驗(yàn)上的深入研究表明，應(yīng)該存在六種夸克，還應(yīng)有粲夸克、底夸克和頂夸克。

人們?cè)谔剿魑镔|(zhì)組成的過(guò)程中，又發(fā)現(xiàn)了許多基本粒子。

1937年在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了μ輕子。

1947年在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了一種介子（π介子）。

理論和實(shí)驗(yàn)證明，任何粒子都有反粒子。

1947年到60年代初，人們利用加速器和宇宙射線發(fā)現(xiàn)了一批新粒子，由于它們的特殊性質(zhì)，被稱為奇異粒子。后來(lái)又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一組K介子和另一組超子。

至此，基本粒子可以這樣分類。

（1）按質(zhì)量遞增的次序排列：可分為光子、輕子、介子和重子。光子的概念是愛(ài)因斯坦在1905年為解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象而提出的。中子主要有中微子和電子，因其質(zhì)量很小而得名。強(qiáng)子可分為介子和重子，而重子中的質(zhì)子和中子，稱為普通強(qiáng)子。重子中不同類型的超子稱為奇異粒子。

（2）按其主要作用可以分為三類：①?gòu)?qiáng)子：主要參與強(qiáng)相互作用的粒子，強(qiáng)子也參與弱相互作用，電磁作用。②輕子：主要參與弱相互作用的粒子，帶電的粒子也參與電磁作用。③媒介子：媒介子主要有光子，中間玻色子和餃子。光子傳遞電磁相互作用，中間玻色子傳遞弱相互作用，膠子傳遞強(qiáng)相互作用。

綜上，質(zhì)子、中子、電子構(gòu)成一切穩(wěn)定的物質(zhì)，而其他基本粒子屬于實(shí)物粒子，但不是穩(wěn)定的物質(zhì)的組成部分。

物質(zhì)除了由實(shí)物粒子構(gòu)成之為，還包括場(chǎng)。

場(chǎng)是物質(zhì)存在的基本形態(tài)之一。相互作用場(chǎng)存在于整個(gè)空間，如電磁場(chǎng)、引力場(chǎng)等實(shí)物之間是通過(guò)場(chǎng)來(lái)相互作用的。

電磁場(chǎng)是物因?yàn)樗苊撾x任何其他東西而獨(dú)立存在。它有自己的質(zhì)量、能量、速度等性質(zhì)。

引力場(chǎng)是一個(gè)有質(zhì)量的物體造成旁邊的空間中每點(diǎn)都有一個(gè)引力的大小和方向。

場(chǎng)不能理解為由任何元素或?qū)嵨锪Ｗ訕?gòu)成，而是一種可以引起其他物質(zhì)或者事物產(chǎn)生相應(yīng)物理行為的狀態(tài)。它是以能量的形式存在的。

以上是對(duì)物質(zhì)構(gòu)成的基本概述，科學(xué)探索的腳步是永不停息的，人們對(duì)物質(zhì)的構(gòu)成會(huì)有更深入的認(rèn)識(shí)，隨著科學(xué)的進(jìn)步與技術(shù)的革新，人們的認(rèn)識(shí)會(huì)不斷深入和發(fā)展。我們對(duì)自然的認(rèn)識(shí)會(huì)在大的宏觀尺度上越來(lái)越寬廣，在小的微觀尺度上會(huì)越來(lái)越精細(xì)。從肉眼的分辨到光學(xué)顯微鏡的出現(xiàn)，人們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)向前邁出了一大步；從光學(xué)顯微鏡到掃描電子隧道顯微鏡的出現(xiàn)，人們的認(rèn)識(shí)又前進(jìn)了一大步。相信會(huì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)，已知的四種力會(huì)統(tǒng)一到統(tǒng)一場(chǎng)理論中，夸克模型在統(tǒng)一場(chǎng)理論中會(huì)是一個(gè)清晰的、自然而然的結(jié)果；人們對(duì)場(chǎng)的認(rèn)識(shí)也會(huì)更加具體深入。場(chǎng)將不再顯得那么模糊。物質(zhì)世界的構(gòu)成，將以簡(jiǎn)單、明晰的形式呈現(xiàn)在世人面前。

（甘肅通渭縣通渭三中）