物质探微——从电子到夸克

我们日常所见的任何东西，总是由更小的东西组成的。一栋高楼由砖、石、水泥等建筑材料构成；一本书由一页页纸构成。但是我们知道这些仍然是由更小的东西构成的，那就是分子。分子是表征物质特性的最小单元，也是物质保持其化学性质的最小单元。

当然，水分子还可以继续分割。事实上，一个水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成的，化学上通记为H2O。但是无论是H原子还是O原子，都不再有水的任何性质。分子组成世界万物，原子又组成分子。包括人工制造的在内，现在人们知道的原子种类已经有一百多种了。在过去人们对粒子的认识还不完全的时候，起的名字“原子”就是认为这是物质的最小单元了，不能再分割下去了。不过随着科学的发展，人们又发现了原子还有更深的结构。

19世纪末，汤姆逊（J. J. Thomson）发现了电子，这是人类认识的第一个基本粒子。他在真空管阴极射线实验中，根据带电粒子在电场以及此场中运动都受到偏转的原理，调整磁场和电场的大小，利用粒子公式中对粒子速度的不同依赖关系，就可以测定粒子的速度和质量等数值。汤姆逊从而发现了新的粒子。

由于电子质量极小，所以它很有可能是原子的一部分。为了弄清楚原子的具体结构，1911年英国物理学家卢瑟福（E. Rutherford）等人进行了阿尔法粒子轰击金箔实验。它发现有极小一部分射线发生的很大角度的偏转，这说明原子中除了电子还有一个很小的致密的核，这个核心就成为原子核。在此之后，1913年玻尔（N. Bohr）给出了原子的模型。电子在原子内一些特定的稳定轨道上围绕着原子核运行，一个轨道对应一个能量值。这样人们就解开了原子结构之谜。

1919年，卢瑟福接着做了阿尔法粒子轰击氮原子核的实验，使它变成了氧原子核，同时放出一个氢原子核来。可见，氢原子核识别的原子核的组成成分，人们称之为质子。奇怪的是原子序数为Z的原子，原子核的质量并不等于Z个质子。一种自然的想法是，原子核里除了带正电的质子外还有不带电的粒子存在。1932年，居里夫妇用铍射线轰击石蜡进行实验，根据实验结果，英国的查德威克设法测定出了这种不带电粒子的质量，根据卢瑟福的猜想，将其命名为中子。

至此我们已经对原子核有了一定的了解。但是比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质是怎样的呢？在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律又是什么呢？人们不断的探索者，并初步建立了量子力学的理论，粒子物理学开始迅速发展。

之后人们先后陆续发现了众多的粒子。1937年从宇宙线中发现μ子，后来证实它不参与强作用，它和与之相伴的μ中微子同电子及与之相伴的电子中微子可归入一类 ，统称为轻子 。1947年发现π±介子 ， 1950年发现π0介子 ， 1947 年还发现奇异粒子。50年代粒子加速器和各种粒子探测器有了很大发展，从而开始了用加速器研究并大量发现基本粒子的新时期，各种粒子的反粒子被证实；发现了为数不少的寿命极短的共振态。基本粒子的大量发现，其中大部分是强子，人们怀疑这些基本粒子的基本性。人们尝试将强子进行分类，提出颇为成功的强子分类的“八重法”。

以提出强子结构的夸克模型为标志，1964 年 M.盖耳曼和 G.兹韦克在强子 分类八重法的基础上分别提出强子由夸克构成，夸克共有上夸克u、下夸克d和奇异夸克s三种，它们的电荷 、重子数为分数 。夸克模型可以说明当时已发现的各种强子。夸克模型得到后来进行的高能电子、高能中微子对质子和中子的深度非弹性散射实验的支持，实验显示出质子和中子内部存在点状结构，这些点状结构可以认为是夸克存在的证据 。1974年发现J／ψ粒子，其独特性质必须引入一种新的粲夸克c ，1979年发现另外一种独特的新粒子Υ，必须引入第5种夸克，称为底夸克b。另一方面，1975年发现重轻子τ，并有迹象表明存在与τ相伴的τ中微子 ，于是轻子共有6种 。迄今的实验尚未发现轻子有内部结构。人们相信轻子是与夸克属于同一层次的粒子 。轻子与夸克的对称性意味着存在第6种顶夸克t 。 1994年4月26日，美国费米国家实验室宣布已找到顶夸克存在的证据。

对物质划分的工作仍然没有结束，粒子世界的未知海洋还在前面！胶子、夸克、磁单极等一系列的课题还摆在人们的面前。粒子世界的探索还有多长的征程啊！