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  nappnapp 2007-05-25 00:00:00

  原子 .英文：atom 原子是人類Z經典的、使用Z為廣泛的基本假設。原子的假設，可用來精確的解釋物理學中力學、熱力學、光學、量子力學、統計力學等等幾乎物理方方面面的問題，以及同為自然科學的生物學（用物理學家的眼光看，一切生物過程都是原子的運動）、化學（化學可以使用量子力學等解釋）等等，在未來，或許會延伸到各個學科。 原子的假設建立時是基于人類直觀的感覺-物質的粒子性。但在物質波動性上也可以神奇地找到它的影子。也許就是因為原子的假設，使物理學有現在這樣輝煌的成果。 原子可看作地球一樣大的體育館里的一顆乒乓球（原子半徑的數量級在10的-10次方），研究原子的方法也好比在這個體育館里放置10的23次方以上的乒乓球，并且讓這些球不停地跳動起來。 原子核是由質子和中子構成，更外層有電子圍著原子核高速轉動. 原子是構成自然界各種元素的Z基本單位，由原子核和核外軌道電子（又稱束縛電子或繞行電子）組成。原子的體積很小，直徑只有10的-8次cm，原子的質量也很小，如氫原子的質量為1.673 56*10的-24g，而核質量占原子質量的99%以上。原子的ZX為原子核，他的直徑比原子的直徑小很多。 原子核帶正電荷，束縛電子帶負電荷，兩者所帶電荷相等，符號相反，因此，原子本身呈中性。束縛電子按一定的軌道繞原子核運動，當原子吸收外來能量，使軌道電子脫離原子核的吸引而自由運動時，原子便失去電子而顯電性，成為離子。 原子是構成元素的Z小單元，是物質結構的一個層次．原子一詞來自希臘文，“意思是不可分割的．”公元前4世紀，古希臘物理學家德謨克利特提出這一概念，并把它當作物質的Z小單元，但是差不多同時代的亞里士多德等人卻反對這種物質的原子觀，他們認為物質是連續的，這種觀點在中世紀占優勢，但隨著科學的進步和實驗技術的發展，物質的原子觀在16世紀之后又為人們所接受，學者伽利略、笛卡兒、.牛頓等人都支持這種觀點．的俄國化學家門捷列夫所發現的周期律指出各種化學元素的原子間相互關聯的性質是建立原子結構理論時的一個指導原則．從近代物理觀點看，原子只不過是物質結構的一個層次，這個層次介于分子和原子核之間． 質子 質子的故事古老而又新奇。1919年盧瑟福用天然放射性物質產生的了元素的人工轉變，多少世紀來“點石成金”的夢想成為現實。1932年中子發現以后，伊凡寧柯和海森堡捷足先登立即提出“原子核由質子與中子構成”的主張，質子成了組成物質的Z重要的基石。半個多世紀來，質子以它的資格老、穩定性強、分布面廣、所處位置重要這幾點成為基本粒子大家族中不可缺少的頂梁柱。今天，質子依然是粒子物理學家矚目的對象，在古老的質子身上，科學家譜寫了新的篇章。 質子在原子核內可以轉變為中子，但自由質子是穩定的，壽命無限長。這個傳統觀念現已受到挑戰。1974年喬治（Georgi）和格拉肖（Glashow）提出了把強、弱、電三種相互作用統一在一起的SU（5）大統一理論。按照這種理論，質子是不穩定的，它估算出質子的壽命約為1028～2.5×1031年。大統一理論還作出種種誘人的預言：它可以自動得出電荷量子化，即所有電荷應是e/3的整數倍的結論；它還可以說明宇宙中反物質比物質少的原因，這對探索宇宙起源提供了線索……科學家們的想象力甚至走得更遠，他們推測，一旦證實質子真的會衰變，大約1035年以后，宇宙將成為稀薄的電子正電子等離子體。當然，這對于人生不過200年的當代人，畢竟是太遙遠了。 于是測定質子的壽命成為大統一理論能否安身立命的試金石。由于質子壽命很長，估計為1031年左右，這就是說一年期間在1031個質子中才會有一個質子蛻變。為了消除宇宙射線的干擾，整個實驗要在地底深處進行。1983年前后，美國、印度、日本等國的粒子物理學家做了一些探測質子衰變的實驗。他們不惜巨資，一頭鉆進不見天日的地下礦井，耐心細致地測量。其中Z有說服力的實驗是美國IBM公司的一個協作組在俄亥俄（Ohio）州克里弗蘭（Cleveland）市以東600多米的一個鹽礦中進行的。探測裝置的中部是17×18×23m3的純水，矩形體的六面布置了2048只光電倍增管，每只直徑為12.5cm，想以此來探測正電子和兩個高能光子通過純水時產生的契侖柯夫輻射。經過204天的連續觀察，未測到一個質子衰變事例。據此推算，質子的壽命一定大于1.7×1032年，從而否定了SU（5）理論。但另一個由印度和日本科學家組成的實驗小組，在地下3000米的柯拉金礦的廢礦井中，進行的實驗卻傳出佳音。經過兩年觀察共發現6個質子衰變的事例，其中3個認為是比較可靠的，據此推算，質子的平均壽命約為7×1030年，與大統一理論相符。但這一實驗結果比較粗糙，沒有得到公認。質子是否衰變，尚在探索之中，一時難以定論。 除了質子的壽命，自50年代以來質子或范圍更廣的強子的內部結構一直是粒子物理學家感興趣的問題。這里有兩條線索。一條是蓋爾曼（Gell-mann）的夸克理論，另一條是高能電性散射和深度非彈性散射的研究。 用帶電粒子作炮彈來研究物質結構是一種始于盧瑟福經典實驗的傳統做法。循著這條路，美國的霍夫施塔特（Hofstadter）從1950年起使用斯坦福大學直線加速器把高能電子射向金、鉛、鉬、鈹等靶子，電子被核性散射，按電子的能量和散射后的偏轉角對電子進行計數，從而描繪出核子的電荷分布。1957年他利用更有力的加速器和散射裝置，發現質子和中子具有同樣的大小和形狀，直徑為10-14厘米，并得出核子的磁矩分布。霍夫施塔特通過高能電性散射研究核子電磁結構的杰出貢獻，使他榮獲1961年度諾貝爾物理學獎。 1967年初，20GeV的電子直線加速器在斯坦福大學建成，Z初重復了彈性散射階段的工作，沒有新的發現。有的物理學家戲稱：“看來桃子沒有核。”但隨著能量增大，實現了高能電子深度非彈性散射過程，出現了新現象。實驗結果的分析表明質子內部存在更小的點狀粒子。弗里德曼（Friedman）、肯達爾（Kendall）、泰勒（Taylor）因上述高能電子深度非彈性散射實驗而獲得1990年度諾貝爾物理學獎。實驗后不久，費曼提出了部分子模型，他把核子內部的點狀粒子稱為部分子（Parton），并解釋了實驗中出現的稱為無標度性的典型現象。現在一般傾向于認為高能電子所“看”到的部分子正是夸克。實驗表明，質子內兩個u夸克和一個d夸克攜帶了質子動量的50%，另外50%的動量由不帶電的膠子攜帶。可是至今末探測到自由夸克，圓滿解決質子結構問題還有長長的一段路要走。 中子(neutron)是組成原子核的核子之一。中子是1932年B.查德威克用a粒子轟擊的實驗中發現，并根據E. 盧瑟福的建議命名的。中子電中性，其質量為 1.6749286 ×10-27千克（939.56563兆電子伏特），比質子的質量稍大，自旋為1／2，磁矩以核磁子作衡量單位為 －1.91304275 。 自由中子是不穩定的粒子，可通過弱作用衰變為質子，放出一個電子和一個反電子 中微子，平均壽命為896秒。中子是費米子，遵從費米-狄拉克分布和泡利不相容原理。中子和質子是同一種粒子的兩種不同電荷狀態，其同位旋為 1／2 ，中子的同位旋第三分量I3＝－1／2。 中子是組成原子核構成化學元素不可缺少的成分，雖然原子的化學性質是由核內的質子數目確定的，但是如果沒有中子，由于帶正電荷質子間的排斥力，就不可能構成除氫之外的其他元素。在輕核中含有幾乎相等數目的中子和質子；在重核中，中子數則大于質子數，例如中共有146個中子和92個質子。對于一定質子數的核，中子數可以在一定范圍內取幾種不同的值，形成一個元素的不同同位素。 結構 本段中子不帶電而具有磁矩。高能電子、μ子或中微子轟擊中子的散射實驗顯示中子內部的電荷和磁矩有一定的分布，說明中子不是點粒子，而具有一定的內部結構。中子是由3個更深層次的粒子——夸克構成的。 用途 本段中子是研究核反應很好的轟擊粒子，由于它不帶電，即使能量很低，也能引起核反應（見中子核反應）。中子還在核裂變反應中起重要作用。電中性的中子不能產生直接的電離作用，無法直接探測，只能通過它與核反應的次級效應來探測。 根據微觀粒子的波粒二象性，中子具有波動性，慢中子的波長約10-10米，與晶體內原子間距相當。中子衍射是研究晶體結構的重要技術。 中子是不帶電的基本粒子，靜止質量為1.675×10^-27kg，它的半徑約為O.8×10^-15m，與質子大小類似。中子常用符號n表示。 ①1932年英國物理學家查德威克在做了用α粒子轟擊硼的實驗中發現了中子。 ②單獨存在的中子是不穩定的，平均壽命約為16分，它將衰變成質子、電子和反中微子ν。 ③原子核由中子和質子組成，原子核內的中子是穩定的。 ④由于中子不帶電，所以容易打進原子核內，引起各種核反應。 ⑤中子的自旋量子數為1／2。 ⑥中子包含兩個具有 -1/3 電荷的下夸克和一個具有 +2/3 電荷的上夸克，其總電荷為零。 夸克 quark （噴射軌跡圖片來源：《時間簡史》圖5.2，一個質子和一個反質子在高能下碰撞，產生了一對幾乎自由的夸克。） 1964年，美國物理學家默里·蓋爾曼和G.茨威格各自獨立提出了中子、質子這一類強子是由更基本的單元——Quark組成的。它們具有分數電荷，是基本電量的2/3或-1/3倍，自旋為1/2。夸克一詞是蓋爾曼取自詹姆斯·喬埃斯的小說《芬尼根徹夜祭》的詞句“為馬克檢閱者王，三聲夸克（Three quarks for Muster Mark）”。夸克在該書中具有多種含義，其中之一是一種海鳥的叫聲。他認為，這適合他Z初認為“基本粒子不基本、基本電荷非整數”的奇特想法，同時他也指出這只是一個笑話，這是對矯飾的科學語言的反抗。另外，也可能是出于他對鳥類的喜愛。 Z初解釋強相互作用粒子的理論需要三種夸克，叫做夸克的三種味，它們分別是上夸克(up，u)、下夸克(down，d)和奇夸克(strange，s)。1974年發現了J/ψ粒子，要求引入第四種夸克粲夸克(魅夸克)(charm，c)。1977年發現了Υ粒子，要求引入第五種夸克底夸克(bottom，b)。1994年發現第六種夸克頂夸克(top，t)，人們相信這是Z后一種夸克。 夸克理論認為，所有的重子都是由三個夸克組成的，反重子則是由三個相應的反夸克組成的。比如質子(uud)，中子(udd)。夸克理論還預言了存在一種由三個奇異夸克組成的粒子(sss)，這種粒子于1964年在氫氣泡室中觀測到，叫做負ω粒子。 夸克按其特性分為三代，如下表所示： 符號 中文名稱 英文名稱 電荷(e) 質量(GeV/c^2) u 上夸克 up +2/3 0.004 d 下夸克 down -1/3 0.008 c 粲夸克 charm +2/3 1.5 s 奇夸克 strange -1/3 0.15 t 頂夸克 top +2/3 176 b 底夸克 bottom -1/3 4.7 在量子色動力學中，夸克除了具有“味”的特性外，還具有三種“色”的特性，分別是紅、綠和藍。這里“色”并非指夸克真的具有顏色，而是借“色”這一詞形象地比喻夸克本身的一種物理屬性。量子色動力學認為，一般物質是沒有“色”的，組成重子的三種夸克的“顏色”分別為紅、綠和藍，因此疊加在一起就成了無色的。因此計入6種味和3種色的屬性，共有18種夸克，另有它們對應的18種反夸克。 夸克理論還認為，介子是由同色的一個夸克和一個反夸克組成的束縛態。例如，日本物理學家湯川秀樹預言的[[π+介子]]是由一個上夸克和一個反下夸克組成的，π-介子則是由一個反上夸克和一個下夸克組成的，它們都是無色的。 除頂夸克外的五種夸克已經通過實驗發現它們的存在，華裔科學家丁肇中便因發現粲夸克而獲諾貝爾物理學獎。近十年來高能粒子物理學家的主攻方向之一是頂夸克 (t)。 至于1994年Z新發現的第六種“頂夸克”，相信是Z后一種，它的發現令科學家得出有關夸克子的完整圖像，有助研究在宇宙大爆炸之初少于一秒之內宇宙如何演化，因為大爆炸Z初產生的高熱，會產生頂夸粒子。 研究顯示，有些恒星在演化末期可能會變成“夸克星”。當星體抵受不住自身的萬有引力不斷收縮時，密度大增會把夸克擠出來，Z終一個太陽大小的星體可能會萎縮到只有七、八公里那么大，但仍會發光。 夸克理論認為，夸克都是被囚禁在粒子內部的，不存在單獨的夸克。一些人據此提出反對意見，認為夸克不是真實存在的。然而夸克理論做出的幾乎所有預言都與實驗測量符合的很好，因此大部分研究者相信夸克理論是正確的。 1997年，俄國物理學家戴阿科諾夫等人預測，存在一種由五個夸克組成的粒子，質量比氫原子大50％。2001年，日本物理學家在SP環－8加速器上用伽馬射線轟擊一片塑料時，發現了五夸克粒子存在的證據。隨后得到了美國托馬斯·杰裴遜國家加速器實驗室和莫斯科理論和實驗物理研究所的物理學家們的證實。這種五夸克粒子是由2個上夸克、2個下夸克和一個反奇異夸克組成的，它并不違背粒子物理的標準模型。這是diyi次發現多于3個夸克組成的粒子。研究人員認為，這種粒子可能僅是“五夸克”粒子家族中diyi個被發現的成員，還有可能存在由4個或6個夸克組成的粒子。 ===================================================== 我修正一下：有人說什么發現某某夸克，完全是不懂科學亂杜撰。現在人類只是大膽假設、科學求證，夸克是為了解釋一些目前人類無法解釋的現象而提出的可能存在的假設，但人類一直沒找到夸克存在的直接證據。 1996年12月2日，《科技日報》發表了崔君達教授反駁何祚麻院士的文章《復合時空論并非病態科學》。崔在文中進一步指出："物理學界并非全都公認夸克的存在。不同意見早在70年代就有了。我國物理學家朱洪元，諾貝爾獎得主量子力學奠基人海德堡都認為：全世界許許多多物理學家花了那么大的力量尋找夸克，如果夸克真的存在，早就應該找到了。 這位科學家如此否認夸克當然也不對，像那句“如果夸克真的存在早就應該找到了”顯然是謬論，就等于說“如果癌癥真的存在早就應該治好了”一樣。

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