什么是原子电子质子中子夸克放射和散射,光子、中微子和渺子?

什么是原子电子质子中子夸克放射和散射,光子、中微子和渺子?
什么是原子电子质子中子夸克放射和散射,光子、中微子和渺子?

什么是原子电子质子中子夸克放射和散射,光子、中微子和渺子?
原子
.英文：atom
原子是人类最经典的、使用最为广泛的基本假设.原子的假设,可用来精确的解释物理学中力学、热力学、光学、量子力学、统计力学等等几乎物理方方面面的问题,以及同为自然科学的生物学（用物理学家的眼光看,一切生物过程都是原子的运动）、化学（化学可以使用量子力学等解释）等等,在未来,或许会延伸到各个学科.
原子的假设建立时是基于人类直观的感觉-物质的粒子性.但在物质波动性上也可以神奇地找到它的影子.也许就是因为原子的假设,使物理学有现在这样辉煌的成果.
原子可看作地球一样大的体育馆里的一颗乒乓球（原子半径的数量级在10的-10次方）,研究原子的方法也好比在这个体育馆里放置10的23次方以上的乒乓球,并且让这些球不停地跳动起来.
原子核是由质子和中子构成,更外层有电子围着原子核高速转动.
原子是构成自然界各种元素的最基本单位,由原子核和核外轨道电子（又称束缚电子或绕行电子）组成.原子的体积很小,直径只有10的-8次cm,原子的质量也很小,如氢原子的质量为1.673 56*10的-24g,而核质量占原子质量的99%以上.原子的中心为原子核,他的直径比原子的直径小很多.
原子核带正电荷,束缚电子带负电荷,两者所带电荷相等,符号相反,因此,原子本身呈中性.束缚电子按一定的轨道绕原子核运动,当原子吸收外来能量,使轨道电子脱离原子核的吸引而自由运动时,原子便失去电子而显电性,成为离子.
原子是构成元素的最小单元,是物质结构的一个层次．原子一词来自希腊文,“意思是不可分割的．”公元前4世纪,古希腊物理学家德谟克利特提出这一概念,并把它当作物质的最小单元,但是差不多同时代的亚里士多德等人却反对这种物质的原子观,他们认为物质是连续的,这种观点在中世纪占优势,但随着科学的进步和实验技术的发展,物质的原子观在16世纪之后又为人们所接受,著名学者伽利略、笛卡儿、.牛顿等人都支持这种观点．著名的俄国化学家门捷列夫所发现的周期律指出各种化学元素的原子间相互关联的性质是建立原子结构理论时的一个指导原则．从近代物理观点看,原子只不过是物质结构的一个层次,这个层次介于分子和原子核之间．
质子
质子的故事古老而又新奇.1919年卢瑟福用天然放射性物质产生的了元素的人工转变,多少世纪来“点石成金”的梦想成为现实.1932年中子发现以后,伊凡宁柯和海森堡捷足先登立即提出“原子核由质子与中子构成”的主张,质子成了组成物质的最重要的基石.半个多世纪来,质子以它的资格老、稳定性强、分布面广、所处位置重要这几点成为基本粒子大家族中不可缺少的顶梁柱.今天,质子依然是粒子物理学家瞩目的对象,在古老的质子身上,科学家谱写了新的篇章.
质子在原子核内可以转变为中子,但自由质子是稳定的,寿命无限长.这个传统观念现已受到挑战.1974年乔治（Georgi）和格拉肖（Glashow）提出了把强、弱、电三种相互作用统一在一起的SU（5）大统一理论.按照这种理论,质子是不稳定的,它估算出质子的寿命约为1028～2.5×1031年.大统一理论还作出种种诱人的预言：它可以自动得出电荷量子化,即所有电荷应是e/3的整数倍的结论；它还可以说明宇宙中反物质比物质少的原因,这对探索宇宙起源提供了线索……科学家们的想象力甚至走得更远,他们推测,一旦证实质子真的会衰变,大约1035年以后,宇宙将成为稀薄的电子正电子等离子体.当然,这对于人生不过200年的当代人,毕竟是太遥远了.
于是测定质子的寿命成为大统一理论能否安身立命的试金石.由于质子寿命很长,估计为1031年左右,这就是说一年期间在1031个质子中才会有一个质子蜕变.为了消除宇宙射线的干扰,整个实验要在地底深处进行.1983年前后,美国、印度、日本等国的粒子物理学家做了一些探测质子衰变的实验.他们不惜巨资,一头钻进不见天日的地下矿井,耐心细致地测量.其中最有说服力的实验是美国IBM公司的一个协作组在俄亥俄（Ohio）州克里弗兰（Cleveland）市以东600多米的一个盐矿中进行的.探测装置的中部是17×18×23m3的纯水,矩形体的六面布置了2048只光电倍增管,每只直径为12.5cm,想以此来探测正电子和两个高能光子通过纯水时产生的契仑柯夫辐射.经过204天的连续观察,未测到一个质子衰变事例.据此推算,质子的寿命一定大于1.7×1032年,从而否定了SU（5）理论.但另一个由印度和日本科学家组成的实验小组,在地下3000米的柯拉金矿的废矿井中,进行的实验却传出佳音.经过两年观察共发现6个质子衰变的事例,其中3个认为是比较可靠的,据此推算,质子的平均寿命约为7×1030年,与大统一理论相符.但这一实验结果比较粗糙,没有得到公认.质子是否衰变,尚在探索之中,一时难以定论.
除了质子的寿命,自50年代以来质子或范围更广的强子的内部结构一直是粒子物理学家感兴趣的问题.这里有两条线索.一条是盖尔曼（Gell-mann）的夸克理论,另一条是高能电子弹性散射和深度非弹性散射的研究.
用带电粒子作炮弹来研究物质结构是一种始于卢瑟福经典实验的传统做法.循着这条路,美国的霍夫施塔特（Hofstadter）从1950年起使用斯坦福大学直线加速器把高能电子射向金、铅、钼、铍等靶子,电子被核子弹性散射,按电子的能量和散射后的偏转角对电子进行计数,从而描绘出核子的电荷分布.1957年他利用更有力的加速器和散射装置,发现质子和中子具有同样的大小和形状,直径为10-14厘米,并得出核子的磁矩分布.霍夫施塔特通过高能电子弹性散射研究核子电磁结构的杰出贡献,使他荣获1961年度诺贝尔物理学奖.
1967年初,20GeV的电子直线加速器在斯坦福大学建成,最初重复了弹性散射阶段的工作,没有新的发现.有的物理学家戏称：“看来桃子没有核.”但随着能量增大,实现了高能电子深度非弹性散射过程,出现了新现象.实验结果的分析表明质子内部存在更小的点状粒子.弗里德曼（Friedman）、肯达尔（Kendall）、泰勒（Taylor）因上述高能电子深度非弹性散射实验而获得1990年度诺贝尔物理学奖.实验后不久,费曼提出了部分子模型,他把核子内部的点状粒子称为部分子（Parton）,并解释了实验中出现的称为无标度性的典型现象.现在一般倾向于认为高能电子所“看”到的部分子正是夸克.实验表明,质子内两个u夸克和一个d夸克携带了质子动量的50%,另外50%的动量由不带电的胶子携带.可是至今末探测到自由夸克,圆满解决质子结构问题还有长长的一段路要走.
中子(neutron)是组成原子核的核子之一.中子是1932年B.查德威克用a粒子轰击的实验中发现,并根据E. 卢瑟福的建议命名的.中子电中性,其质量为 1.6749286 ×10-27千克（939.56563兆电子伏特）,比质子的质量稍大,自旋为1／2,磁矩以核磁子作衡量单位为 －1.91304275 . 自由中子是不稳定的粒子,可通过弱作用衰变为质子,放出一个电子和一个反电子 中微子,平均寿命为896秒.中子是费米子,遵从费米-狄拉克分布和泡利不相容原理.中子和质子是同一种粒子的两种不同电荷状态,其同位旋为 1／2 ,中子的同位旋第三分量I3＝－1／2. 中子是组成原子核构成化学元素不可缺少的成分,虽然原子的化学性质是由核内的质子数目确定的,但是如果没有中子,由于带正电荷质子间的排斥力,就不可能构成除氢之外的其他元素.在轻核中含有几乎相等数目的中子和质子；在重核中,中子数则大于质子数,例如中共有146个中子和92个质子.对于一定质子数的核,中子数可以在一定范围内取几种不同的值,形成一个元素的不同同位素.
结构
本段中子不带电而具有磁矩.高能电子、μ子或中微子轰击中子的散射实验显示中子内部的电荷和磁矩有一定的分布,说明中子不是点粒子,而具有一定的内部结构.中子是由3个更深层次的粒子——夸克构成的.
用途
本段中子是研究核反应很好的轰击粒子,由于它不带电,即使能量很低,也能引起核反应（见中子核反应）.中子还在核裂变反应中起重要作用.电中性的中子不能产生直接的电离作用,无法直接探测,只能通过它与核反应的次级效应来探测.
根据微观粒子的波粒二象性,中子具有波动性,慢中子的波长约10-10米,与晶体内原子间距相当.中子衍射是研究晶体结构的重要技术.
中子是不带电的基本粒子,静止质量为1.675×10^-27kg,它的半径约为O.8×10^-15m,与质子大小类似.中子常用符号n表示.
①1932年英国物理学家查德威克在做了用α粒子轰击硼的实验中发现了中子.
②单独存在的中子是不稳定的,平均寿命约为16分,它将衰变成质子、电子和反中微子ν.
③原子核由中子和质子组成,原子核内的中子是稳定的.
④由于中子不带电,所以容易打进原子核内,引起各种核反应.
⑤中子的自旋量子数为1／2.
⑥中子包含两个具有 -1/3 电荷的下夸克和一个具有 +2/3 电荷的上夸克,其总电荷为零.
夸克
quark
（喷射轨迹图片来源：《时间简史》图5.2,一个质子和一个反质子在高能下碰撞,产生了一对几乎自由的夸克.）
1964年,美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——Quark组成的.它们具有分数电荷,是基本电量的2/3或-1/3倍,自旋为1/2.夸克一词是盖尔曼取自詹姆斯·乔埃斯的小说《芬尼根彻夜祭》的词句“为马克检阅者王,三声夸克（Three quarks for Muster Mark）”.夸克在该书中具有多种含义,其中之一是一种海鸟的叫声.他认为,这适合他最初认为“基本粒子不基本、基本电荷非整数”的奇特想法,同时他也指出这只是一个笑话,这是对矫饰的科学语言的反抗.另外,也可能是出于他对鸟类的喜爱.
最初解释强相互作用粒子的理论需要三种夸克,叫做夸克的三种味,它们分别是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇夸克(strange,s).1974年发现了J/ψ粒子,要求引入第四种夸克粲夸克(魅夸克)(charm,c).1977年发现了Υ粒子,要求引入第五种夸克底夸克(bottom,b).1994年发现第六种夸克顶夸克(top,t),人们相信这是最后一种夸克.
夸克理论认为,所有的重子都是由三个夸克组成的,反重子则是由三个相应的反夸克组成的.比如质子(uud),中子(udd).夸克理论还预言了存在一种由三个奇异夸克组成的粒子(sss),这种粒子于1964年在氢气泡室中观测到,叫做负ω粒子.
夸克按其特性分为三代,如下表所示：
符号 中文名称 英文名称 电荷(e) 质量(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 顶夸克 top +2/3 176
b 底夸克 bottom -1/3 4.7
在量子色动力学中,夸克除了具有“味”的特性外,还具有三种“色”的特性,分别是红、绿和蓝.这里“色”并非指夸克真的具有颜色,而是借“色”这一词形象地比喻夸克本身的一种物理属性.量子色动力学认为,一般物质是没有“色”的,组成重子的三种夸克的“颜色”分别为红、绿和蓝,因此叠加在一起就成了无色的.因此计入6种味和3种色的属性,共有18种夸克,另有它们对应的18种反夸克.
夸克理论还认为,介子是由同色的一个夸克和一个反夸克组成的束缚态.例如,日本物理学家汤川秀树预言的[[π+介子]]是由一个上夸克和一个反下夸克组成的,π-介子则是由一个反上夸克和一个下夸克组成的,它们都是无色的.
除顶夸克外的五种夸克已经通过实验发现它们的存在,华裔科学家丁肇中便因发现粲夸克而获诺贝尔物理学奖.近十年来高能粒子物理学家的主攻方向之一是顶夸克 (t).
至于1994年最新发现的第六种“顶夸克”,相信是最后一种,它的发现令科学家得出有关夸克子的完整图像,有助研究在宇宙大爆炸之初少于一秒之内宇宙如何演化,因为大爆炸最初产生的高热,会产生顶夸粒子.
研究显示,有些恒星在演化末期可能会变成“夸克星”.当星体抵受不住自身的万有引力不断收缩时,密度大增会把夸克挤出来,最终一个太阳大小的星体可能会萎缩到只有七、八公里那么大,但仍会发光.
夸克理论认为,夸克都是被囚禁在粒子内部的,不存在单独的夸克.一些人据此提出反对意见,认为夸克不是真实存在的.然而夸克理论做出的几乎所有预言都与实验测量符合的很好,因此大部分研究者相信夸克理论是正确的.
1997年,俄国物理学家戴阿科诺夫等人预测,存在一种由五个夸克组成的粒子,质量比氢原子大50％.2001年,日本物理学家在SP环－8加速器上用伽马射线轰击一片塑料时,发现了五夸克粒子存在的证据.随后得到了美国托马斯·杰裴逊国家加速器实验室和莫斯科理论和实验物理研究所的物理学家们的证实.这种五夸克粒子是由2个上夸克、2个下夸克和一个反奇异夸克组成的,它并不违背粒子物理的标准模型.这是第一次发现多于3个夸克组成的粒子.研究人员认为,这种粒子可能仅是“五夸克”粒子家族中第一个被发现的成员,还有可能存在由4个或6个夸克组成的粒子.

我修正一下：有人说什么发现某某夸克,完全是不懂科学乱杜撰.现在人类只是大胆假设、科学求证,夸克是为了解释一些目前人类无法解释的现象而提出的可能存在的假设,但人类一直没找到夸克存在的直接证据.
1996年12月2日,《科技日报》发表了崔君达教授反驳何祚麻院士的文章《复合时空论并非病态科学》.崔在文中进一步指出："物理学界并非全都公认夸克的存在.不同意见早在70年代就有了.我国物理学家朱洪元,诺贝尔奖得主量子力学奠基人海德堡都认为：全世界许许多多物理学家花了那么大的力量寻找夸克,如果夸克真的存在,早就应该找到了.
这位科学家如此否认夸克当然也不对,像那句“如果夸克真的存在早就应该找到了”显然是谬论,就等于说“如果癌症真的存在早就应该治好了”一样.