如何從通俗地理解 原子核 的結構,它是如何被發現的?

時間 2021-05-05 20:06:59

1樓:張嘉年

圖中+-號代表不可分割的最小正負電磁資訊單位-量子位元(qubit)

(名物理學家約翰.惠勒John Wheeler曾有句名言:萬物源於位元 It from bit

量子資訊研究興盛後,此概念昇華為,萬物源於量子位元)

2樓:太行雪滿山

中學化學教材上這樣講微觀原子理論:

2023年道爾頓提出近代原子學說,認為原子不可再分。

這個理論持續了近100年,直到2023年JJ湯姆生發現電子,原來還有比原子更小的粒子。湯姆生提出了葡萄乾布丁模型,認為原子表面鑲嵌的有電子。

2023年,湯姆生的學生盧瑟福,做了物理最美實驗「α粒子散射」,提出了原子核式結構模型,也就是行星結構。

2023年,玻爾把量子學說引入原子核結構,把蒲朗克的量子學說和盧瑟福的原子模型結合起來,解釋了原子結構中用經典物理理論無法解決的電子躍遷問題。隨後,玻爾又對週期表中各元素原子的結構作了說明,詮釋了週期表的形成原因。

2023年,盧瑟福又發現了原子核內部帶正電的質子。

2023年,盧瑟福的學生查德威克(湯姆生的徒孫),發現了原子核內部不帶電的中子。

以上,是高中教材對原子結構的介紹。

「原子是由原子核和核外電子構成的,原子核內部有帶正電的質子和不帶電的中子。在含多個電子的原子裡,電子分別在能量不同的區域內運動。」來自高中教材。

選修內容中,把電子運動替換為電子雲的概念。

之後物理學在微觀粒子領域的研究成果,教材上就不再介紹。

質子、中子、電子是不是不可再分的基本粒子呢?

又乙個100年過去,物質微觀結構研究到了哪一步呢?

20世紀30年代之後,隨著物理實驗水平的提高,其實又發現了許多基本粒子,中微子、夸克、光子、膠子、玻色子、陶子、繆子等。

科學家們到底發現了多少中基本粒子,它們與電子、質子、中子之間又是什麼關係?

要先從四種基本相互作用說起,又叫四種「宇宙基本力」。

微觀粒子通過什麼樣的方式結合形成了宇宙中的各種巨集觀物質,而且保持相對穩定呢?

就靠這四種相互作用,他們分別是強力、弱力、電磁力、引力。引力和電磁力在中學階段學過,它們的計算方程很相似。

強力是把質子和中子維持在原子核內部的一種相互作用。原子核內部的質子和中子距離非常的近,結合的非常緊密,極難分開,它們一旦分開就是核反應級別的能量釋放。

但原子又會發生衰變,衰變的時候會從原子核內部釋放出質子和中子(比如碳原子的一種同位素碳14),使原子發生衰變的這種相互作用,就是弱力。

兩種力聽上去相互矛盾,乙個力使粒子結合在一起,乙個力使粒子分開。

我們可以這樣理解:強力是使粒子存在的機制,它來自於粒子自身具有的屬性。弱力是使粒子衰變的機制,它是外因的作用,是空間係數產生的一種作用力。

為什麼會產生這幾種作用力呢?兩個有質量的物體之間有引力,引力只是一種結果,而不是產生的原因。

其他的幾種力也一樣。

物質之間產生相互作用力的原因是,兩個粒子(或者說物體)之間在相互交換更小的粒子。

電磁力的產生是有光子在相互交換,強力的產生是交換膠子,弱力的產生是交換W及Z玻色子(基本粒子的名字),由此推斷引力的產生是交換引力子。

目前引力子只是個概念,還沒有被發現。

我們常聽到乙個名詞「弱電統一」,就是指強、弱作用力和電磁力理論相統一,都是通過這種方式來產生相互作用。引力是不是這樣乙個體系,還不確定。

四個力從作用力強度來講,是強力》電磁力》弱力》引力,。

四個力從作用遠近來講,電磁力和引力是長程力,強力和弱力是短程力,距離超過0.00000000001公尺,這兩種力就消失不見。

回頭說粒子。

所以,微觀粒子要分兩類,一類是組成物質的粒子叫「費公尺子」,一類是產生相互作用的粒子叫「玻色子」。質子、中子不是基本粒子(又叫點粒子),它們還有內部結構,質子、中子都由夸克通過膠子在強相互作用下組成。

但夸克還沒有現出真身,因為一種叫「夸克禁閉」的效應,無法將夸克從質子中分離出來。(夸克可以組合成乙個粒子,但無法單獨存在)

電子是基本粒子,沒有內部結構。

組成物質的基本粒子不止夸克和電子,形成相互作用的基本粒子也不止是電子和膠子。

現在確定的有61個基本粒子。

組成物質的費公尺子有兩類,分別是夸克和輕子。

夸克有36種。

怎麼這麼多?夸克是沒有內部結構的點粒子,而又具有不同的性質,我們可以把他想象成是具有不同「味道」的誇客。分別命名為上夸克、下夸克、底夸克、頂夸克等。

輕子有12種。包括電子 (e)、渺子 (μ)、陶子 (τ)、三種中微子,及對應的 6 種反粒子。比如通常電子帶負電,它的反粒子就是正電子。

起傳遞作用力的玻色子有三類,共12種。

膠子,有8種,是強相互作用的媒介粒子。

光子,只有1種,是電磁作用的媒介粒子。

W 及Z 玻色子,有3種,是弱相互作用的媒介粒子。

引力相互作用的媒介粒子,引力子,尚未發現。

一共是60種,怎麼說共61種呢?

還有一種,就是上帝粒子「希格斯玻色子」,2023年剛被發現。

上帝粒子現身,到底是物質微觀結構的大結局還是新開始?就說不清楚嘮。

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