关于物质构成的探究

常战军

在《普通高中课程标准》实验教科书物理选修3～5中，最后一节谈到了粒子和宇宙。至此，学生在中学阶段对物质构成的认识到了一个新的高度。为使中学生更加系统地认识物质的构成，对中学阶段的所学总结归纳，本文对物质的构成进行简述。

在对物质组成的认识上，基本上存在两种不同的观点：一种认为存在组成物质的最小单元，一种认为物质可不断分下去，没有最小的或最基本的单元。

在19世纪以前，人们基本上都认为原子是组成物质的最小微粒，但是后来科学家的足迹证明事实并非如此。

1897年汤姆逊通过测定阴极射线离子的比荷从而发现了电子。在1910年前夕，对物质构成的认识大致是这样的：原子是组成宏观世界的一种微观实体，原子是电中性的，它由质量很小的电子和集中了原子的几乎全部质量的正电荷构成；处于稳定状态的电子是不动的，因此它也不辐射能量，处于激发态的电子的振动导致辐射光波。由于电子的发现，光电效应、放射性、X射线的发现，原子不可分割的思想禁锢被冲破了。

然后科学家对原子结构至少提出过三种不同的假设，如汤姆逊模型认为原子中带正电的部分是一个均匀的带电球体，电子撒在球体中。

对原子结构的研究迈出决定性一步的是卢瑟福和他的学生盖革、马斯登所进行的对阿尔法粒子散射的研究。

卢瑟福在详细分析阿尔法粒子的大角度散射实验的基础上于1911年提出了原子的核式结构模型。根据这一模型，原子的带正电的核几乎集中着原子的全部质量，核的半径远小于原子自身的半径。原子的线度是由核与电子间的距离所决定的，这些电子是不停地绕核转动着的。所以，这一模型又称行星模型。是原子核和电子间的库仑力提供了电子的向心力。

1911年卢瑟福在研究和反应时认为氢原子核也是组成别的原子核的一个基元。

1919年卢瑟福用阿尔法粒子轰击氮核从而发现了质子。后来科学家又发现，用阿尔法粒子轰击其他一些原子核，也能打出质子来，说明了每种元素的原子核中都有质子。

1931年，查德威克在研究从铍发出的一种中性的穿透力很强的射线的过程中，认为只有假定从铍放出的是一种质量跟质子差不多的中性粒子，才能解释实验现象。他把这种中性粒子叫作“中子”。不久，这个假定被实验证实了。科学家证实了中子也是原子核的组成部分。

质子和中子的发现，使人们知道了原子核是由质子和中子所组成。人们在轰击各种元素的原子核时都发现里面有质子和中子。这样，人们认识到质子、中子、电子构成一切稳定的物质。

那么，质子、中子是构成物质的最小单元吗？

后来人们发现，强子是有内部结构的。（质子、中子属于

强子）

强子由更基本的夸克组成。根据已知粒子的一些固有特性推测，夸克须具备一些奇怪的特性，比如组成一个重子需要三个夸克，组成一个介子需要一个夸克和反夸克。夸克必须携带三分之一或三分之二个电子电荷单位。在夸克模型刚刚建立的时候，只需要三种夸克即上夸克、下夸克、奇异夸克，就足以构造当时所发现的所有强子。可到了20世纪70年代，理论和实验上的深入研究表明，应该存在六种夸克，还应有粲夸克、底夸克和顶夸克。

人们在探索物质组成的过程中，又发现了许多基本粒子。

1937年在宇宙射线中发现了μ轻子。

1947年在宇宙射线中发现了一种介子（π介子）。

理论和实验证明，任何粒子都有反粒子。

1947年到60年代初，人们利用加速器和宇宙射线发现了一批新粒子，由于它们的特殊性质，被称为奇异粒子。后来又陆续发现一组K介子和另一组超子。

至此，基本粒子可以这样分类。

（1）按质量递增的次序排列：可分为光子、轻子、介子和重子。光子的概念是爱因斯坦在1905年为解释光电效应现象而提出的。中子主要有中微子和电子，因其质量很小而得名。强子可分为介子和重子，而重子中的质子和中子，称为普通强子。重子中不同类型的超子称为奇异粒子。

（2）按其主要作用可以分为三类：①强子：主要参与强相互作用的粒子，强子也参与弱相互作用，电磁作用。②轻子：主要参与弱相互作用的粒子，带电的粒子也参与电磁作用。③媒介子：媒介子主要有光子，中间玻色子和饺子。光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用。

综上，质子、中子、电子构成一切稳定的物质，而其他基本粒子属于实物粒子，但不是稳定的物质的组成部分。

物质除了由实物粒子构成之为，还包括场。

场是物质存在的基本形态之一。相互作用场存在于整个空间，如电磁场、引力场等实物之间是通过场来相互作用的。

电磁场是物因为它能脱离任何其他东西而独立存在。它有自己的质量、能量、速度等性质。

引力场是一个有质量的物体造成旁边的空间中每点都有一个引力的大小和方向。

场不能理解为由任何元素或实物粒子构成，而是一种可以引起其他物质或者事物产生相应物理行为的状态。它是以能量的形式存在的。

以上是对物质构成的基本概述，科学探索的脚步是永不停息的，人们对物质的构成会有更深入的认识，随着科学的进步与技术的革新，人们的认识会不断深入和发展。我们对自然的认识会在大的宏观尺度上越来越宽广，在小的微观尺度上会越来越精细。从肉眼的分辨到光学显微镜的出现，人们对微观世界的认识向前迈出了一大步；从光学显微镜到扫描电子隧道显微镜的出现，人们的认识又前进了一大步。相信会在不远的将来，已知的四种力会统一到统一场理论中，夸克模型在统一场理论中会是一个清晰的、自然而然的结果；人们对场的认识也会更加具体深入。场将不再显得那么模糊。物质世界的构成，将以简单、明晰的形式呈现在世人面前。

（甘肃通渭县通渭三中）