這個物質世界是由什麼構成的？之二

書接上文——《這個物質世界是由什麼構成的？》

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探索物質深層結構——更小更神秘的粒子

1869年，俄國化學家門捷列夫將化學元素分類排序，組成了第一個真正意義上的元素周期表，元素分類的這種重複模式，啟發了物理學家，去探索物質深層結構——更小更神秘的粒子。

湯姆遜發現電子

1897年，英國物理學家約瑟夫·湯姆遜發現一種帶負電荷的微粒，這就是電子——科學史上發現的第一個微觀粒子，也是迄今為止一直被認為是基本粒子（不可再分）的一種粒子。從此以後，越來越多的微觀粒子被陸續發現，有關粒子物理、量子世界的大門也由此打開。

原子的西瓜模型，也有叫草莓模型的

湯姆遜發現電子後並沒有止步，而是進一步提出了原子結構模型。1904年，他提出了著名的原子西瓜模型——把原子想像成一個西瓜，均勻帶正電荷的部分是紅色的瓜瓤，帶負電荷的電子就是嵌在瓜瓤里的西瓜子。

盧瑟福創建了原子的行星模型

不過，長江後浪推前浪，湯姆遜的原子西瓜模型很快就被他的得意門生——盧瑟福給否定了。

盧瑟福創建了行星模型，原子內部結構就像太陽系，原子中心有個原子核，電子就像各行星一樣圍繞原子核轉。

以至於1957年成立的國際原子能機構IAEA，至今還沿用這一模型作為LOGO。

不過，行星模型後來又遇到經典電磁場理論的當頭一棒。因為根據麥克斯韋理論，電子圍繞原子核轉，就會不停地發出電磁波，也會不停地損失能量，旋轉半徑也會越來越小，最後一頭扎進原子核的懷抱。這樣，原子行星模型不會穩定，也站不住腳。

玻爾建立半經典、半量子的原子模型

就在這時，尼爾斯·玻爾登場了，這位量子力學的開山祖師建立了半經典、半量子的原子理論，既保留了行星模型的電子軌道，又提出這些軌道不是任意、連續的，而是量子化的。

也就是說電子會在一個軌道消失後立即出現在另一個軌道上，而不是通過中間的空間移動過去的——這就是著名的量子躍遷。這看起來極其怪異的理論，卻在實驗中表現得讓人折服。

當然，玻爾模型並非完美，也不是徹底的量子態模型。

後來，在薛定諤建立了波動方程之後，物理學界才完善了原子的電子云模型——圍繞原子核運動的並不是量子躍遷的單個電子，而是一個帶負電荷的雲團。至今，這個模型仍然極其成功，因為它跟實驗符合得很完美。

20世紀上半葉，原子模型的演進，自左至右依次是：西瓜模型、行星模型、玻爾模型、電子云模型。

原子模型既然已經OK了，下面就該輪到解剖原子核啦。

標記為紅色的粒子為質子。

早在20世紀初，科學家們就認為原子核是由電子和不同數量的帶正電的粒子組成的。

人們把這種粒子叫做質子，借用希臘文「第一」這個單詞，顧名思義，當時的人們已經把它當作不可再分的基本粒子了。

中子

然而，早在盧瑟福創建原子行星模型的時候，他就認為原子核裡帶正電的質子旁邊，一定存在不帶電的粒子，這樣才能中和它的電性，盧瑟福把這種粒子叫做中子，意為「不帶電的中性粒子」。

之所以他會引入「中子說」，就因為有了中子，帶負電荷的電子才不會被質子捕獲，理論模型才可能站得住腳。

查德威克發現中子

儘管說起來很簡單，卻不容易被證明。直到盧瑟福的同事——英國物理學家查德威克整整忙乎了11年，才終於發現中子。時間是在1932年。

就在同一年，實驗物理學家還驚人地發現了另一種神奇的微觀粒子——跟電子正好相反的正電子，這就是人類發現的第一個反粒子。

保羅·狄拉克

早在1928年，大名鼎鼎的英國物理學家保羅·狄拉克做出一個驚人預測——宇宙中的每個基本粒子，都會有一個相對的反粒子，就像是一對雙胞胎，一旦它們相遇，就會相互湮滅，釋放巨大能量。

歐洲核子研究中心推出的卡通版「粒子動物園」

從此以後，一大波的粒子、反粒子湧現出來，就好像突然打開了潘多拉魔盒一樣。不過用不著害怕，它們都是無害的，況且還為物理學創造了一個「粒子動物園」！

從20世紀30年代，人類開始建造粒子加速器，一直到1960年代，總共發現的粒子總數多達200多種。

「粒子動物園」里的200多種粒子，難道都是基本粒子？

質子、中子能不能再細分下去？

我們下期細說。

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