粒子模型

基本粒子原意是物質(zhì)存在的基本單元，它是隨著人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)認識進展而不斷發(fā)展的，現(xiàn)已認識到不能把它看成是最后的、最簡單的組成單元。

粒子模型基本粒子的自旋量子數(shù)

1921年，德國史特恩和格拉赫在實驗中將堿金屬原子束經(jīng)過一不均勻磁場射到屏幕上時，發(fā)現(xiàn)射線束分裂成兩束，并向不同方向偏轉(zhuǎn)?；诋敃r的認知人們認為，電子除了有軌道運動外，還有自旋運動，上述現(xiàn)象是電子自旋磁矩順著或逆著磁場方向取向的結(jié)果。1925年，荷蘭物理學家烏倫貝克和哥希密特提出，電子有不依賴于軌道運動的固有磁矩(自旋磁矩)的假設(shè) 。

粒子物理學認為，電子自旋量子數(shù)s=1/2，它是表征電子自旋角動量的量子數(shù)。自旋為1/2的基本粒子還包括正電子、中微子和夸克。光子是自旋為1的粒子，理論假設(shè)的希格斯玻色子的自旋為0。

粒子物理研究表明，自旋是和空間旋轉(zhuǎn)對稱性相聯(lián)系的。系統(tǒng)相對論認為，所謂自旋就是指粒子的自轉(zhuǎn)，所謂自旋量子數(shù)是對處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)下的粒子場的結(jié)構(gòu)對稱性的一種描述。

在微觀環(huán)境中，粒子總是在不停地轉(zhuǎn)動。如圖2-2所示，自旋為1的粒子(如光子)，是指粒子的場在旋轉(zhuǎn)一圈后看起來一樣，即該粒子場在轉(zhuǎn)動面上是360度對稱結(jié)構(gòu)；自旋為1/2的粒子(如電子和質(zhì)子)，是指粒子的場在旋轉(zhuǎn)1/2圈后看起來一樣，即該粒子場在轉(zhuǎn)動面上是180度對稱結(jié)構(gòu)；自旋為0的粒子(如普通天體)，是指該粒子的場從任意角度看都一樣，即該粒子是各向同性的全對稱結(jié)構(gòu)。通常粒子自旋量子數(shù)介于0和1之間。

值得注意的是，在量子力學中，自旋為2的粒子在旋轉(zhuǎn)180度后看起來一樣、自旋為1/2的粒子必須旋轉(zhuǎn)2圈才會一樣。這一點正好與系統(tǒng)相對論的描述相反，也正因如此，才使得自旋概念變得更加神秘。

對于史特恩和格拉赫的堿金屬實驗，根據(jù)系統(tǒng)相對論原子模型可知，核外電子是在原子核的場域中做環(huán)繞運動的，核外電子不可能與外界磁場發(fā)生直接作用(否則，電子將不再圍繞原子核運行)。換言之，與外界磁場發(fā)生相互作用的是原子核的極性場。因此，將原子束分裂的原因歸結(jié)于核外電子是不正確的。

系統(tǒng)相對論的解釋是：根據(jù)場域原理，在強磁場中，堿金屬原子的場域都較小，原子場域都相對獨立而幾乎不存在相互作用。當進入弱磁場時，堿金屬原子的場域迅速增大，導致相鄰原子之間產(chǎn)生相互作用，自轉(zhuǎn)方向相反的原子之間因相互排斥而遠離，同向轉(zhuǎn)動的原子之間因相互協(xié)變而形成一束穩(wěn)定的粒子流，這就是原子束分裂的原因。

粒子模型基本粒子并不基本

現(xiàn)代物理學認為，基本粒子理論在本質(zhì)上是一個發(fā)展中的理論，它在許多方面還不能令人滿意，其中有兩個具有哲學意義的理論問題尚待澄清，即：層次結(jié)構(gòu)問題和相互作用統(tǒng)一問題 。

在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的原子層次上，可以把原子中的電子和原子核分割開來；在原子核層次上，也可以把組成原子核的質(zhì)子和中子從原子核中分割出來?？墒沁M入到“基本粒子”層次后，強子雖然是由帶“色”的層子和反層子組成的，但卻不能把層子或反層子從強子中分割出來。這種現(xiàn)象被稱為“色”禁閉，對于“色”禁閉現(xiàn)象的原因，至今還未能從理論上找到明確答案。

上世紀80年代已知的層子、反層子已達36種，輕子、反輕子已達12種，再加上作為力的傳遞者的規(guī)范場粒子以及希格斯粒子，總數(shù)已很多，這就使人們?nèi)ピO(shè)想這些粒子的結(jié)構(gòu)。對此物理學家們已經(jīng)給出許多理論模型，但各模型之間差別很大，近期內(nèi)還很難由實驗驗證和判斷究竟哪個模型正確。

系統(tǒng)相對論認為，現(xiàn)代物理學所定義的基本粒子并不基本，真正的基本粒子是cn粒子。

現(xiàn)代物理學認為，電子是一種帶負電的穩(wěn)定的基本粒子。然而，對于電子為什么既有質(zhì)量又帶電荷，尚給不出合理的解釋。

粒子模型電子存在結(jié)構(gòu)的啟示

在電磁理論中，通常將電子視為一個電荷均勻分布的帶電小球，如圖2-4所示。在這個經(jīng)典的電子小球模型中沒有給質(zhì)量留下位置，而且對1/2的自旋也無法給出合理解釋，顯然這個模型過于粗糙。細致觀察電子的一些特性，可以窺見電子存在結(jié)構(gòu)的信息。

電子的自旋量子數(shù)為1/2，從2.2節(jié)可知，電子每轉(zhuǎn)動1/2圈我們就看到相同的面，即在轉(zhuǎn)動方向上電子是180度對稱結(jié)構(gòu)。如果將電子的磁矩和宏觀磁體的性質(zhì)聯(lián)系起來，電子可以理解為四個三角條形磁鐵的組合體，如圖2-5所示。那么，這個磁鐵組合體轉(zhuǎn)動180度時我們看到的將是相同磁極方向的另一個條形磁鐵。因此，從電子的自旋量子數(shù)，我們獲得電子可能存在四個極面的信息。

電子既帶電荷又有質(zhì)量，而電荷和質(zhì)量本質(zhì)上是表征庫侖力和萬有引力的一種計量方式，這兩種不同性質(zhì)的力反映出電子具有兩種不同性質(zhì)的場?？梢?，電子同時具有表征質(zhì)量性質(zhì)和電荷性質(zhì)兩種類型的場。

粒子模型電子的長方體模型

如上所述，系統(tǒng)相對論構(gòu)建的電子模型如下：

電子是由若干光子凝聚成的近長方體的穩(wěn)態(tài)粒子，如圖2-6中a所示。電子中的光子是對稱的凌形排列，相鄰光子的極向相反，它們之間的耦合渦環(huán)(中性場線)，如同一條條繩索將它們緊緊地捆綁在一起，光子的層數(shù)是2的倍數(shù)，圖2-6中b為上下對稱的8層光子構(gòu)成的電子正方形端面。

和光子一樣，電子的場從內(nèi)到外也分為內(nèi)場、臨界場和外場三層結(jié)構(gòu)，如圖2-6中c所示。電子中光子的獨立場線(是指未與相鄰光子耦合的場線，參見圖2-3中b)的包絡面圍成的區(qū)域稱作電子的內(nèi)場，又稱電子的本體。

在電子內(nèi)場外側(cè)，場強衰減步長(見3.1節(jié))從光子間距逐步增大、最終達到一個常數(shù)r₀，半徑r₀圍成的區(qū)域稱作電子的臨界場，又稱作電子體；相應地，將這個臨界場的外邊界稱作電子的表面，臨界場的半徑r₀稱作電子的半徑。

在電子體的外部，場強衰減步長為常數(shù)r₀，這個區(qū)域稱作電子的外場，簡稱電子場。如圖2-6中c所示，電子場由中性場和極性場兩部分構(gòu)成，這為電子的電荷和質(zhì)量的來源提供了解釋，即電子的中性場決定了它的質(zhì)量性質(zhì)、極性場決定了它的帶電性質(zhì)。

粒子模型電子場的結(jié)構(gòu)

如圖2-6中c所示，電子場在兩個端面上屬中性場；在四個側(cè)面上的場是極性場，且相對兩側(cè)面極性方向相同，相鄰兩側(cè)面極性方向相反。從電子場的結(jié)構(gòu)，我們可以推導出電子的一些性質(zhì) 。

電子的四個側(cè)面如同四個條形磁鐵，從每個端面看都是相對兩側(cè)面極性相同，相鄰兩側(cè)面極性相反，稱之為四極場。質(zhì)子場的極性場也屬四極場(見后文)，因此電子和質(zhì)子一樣，也具有電四極矩性質(zhì)。

粒子模型中微子與長方體粒子族

1930年，德國科學家泡利預言了中微子的存在，1956年美國萊因斯和柯萬在實驗中直接觀測到中微子。根據(jù)現(xiàn)代物理學研究的結(jié)果，中微子自旋為1/2，質(zhì)量非常輕，小于電子質(zhì)量的百萬分之一。

據(jù)此系統(tǒng)相對論認為，中微子與電子結(jié)構(gòu)類似，是由較小光子聚合而成近長方體的穩(wěn)態(tài)粒子，但所含光子的層數(shù)和尺寸遠小于電子。一方面，由于中微子尺度小，而呈現(xiàn)出具有極強的穿透力；另一方面，由于中微子場非常弱，這使它難以探測。

中微子具有與電子類似的特性，它們屬同一類型的粒子，中微子和電子統(tǒng)稱為長方體粒子族。

光是人類認識最早的事物之一，然而對于光的本性，直到今天人們尚未形成一致的觀點、還在爭論。當前物理學面臨的各種困難與挑戰(zhàn)、矛盾與困惑，或多或少都與光本性的認識有關(guān) 。

粒子模型光子存在結(jié)構(gòu)的啟示

盡管粒子物理學把光子定義為一種基本粒子，然而還是有人提出了光的光子模型和光波模型，這兩類光的模型與許多實驗事實相矛盾、是錯誤的。可以看出，這些模型的構(gòu)建受到了正負電概念的深刻影響。細致觀察光的一些特性，可以窺見光子存在結(jié)構(gòu)的信息。

1.光子的頻率與自旋

根據(jù)我們在宏觀上獲得的經(jīng)驗，將光子頻率視為光子的轉(zhuǎn)動頻率是一個容易理解的方案。然而，對于各向同性(即沒有極性)的粒子，我們是無法探測它的轉(zhuǎn)動頻率的，因此光子頻率的存在，意味著光子是非各向同性的，即光子是有極性的，而極性又意味著結(jié)構(gòu)的存在。因此，光子的頻率特性給出了光子存在結(jié)構(gòu)的暗示。

光子的自旋量子數(shù)為1。從2.2節(jié)可知，光子每轉(zhuǎn)動1圈我們才看到相同的面(場)，即在轉(zhuǎn)動方向上光子是360度對稱結(jié)構(gòu)。如果將光子理解為一個條形磁鐵，這個磁鐵水平放置且在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，那么這個磁鐵轉(zhuǎn)動360度時，我們看到的將是同一個磁極。因此，從光子的自旋量子數(shù)，我們可以獲得光子可能存在兩個極的信息。

2.對普朗克“能量子”的推導

1900年，普朗克從適用于高頻的維恩位移定律和適用于低頻的瑞利-瓊斯分布公式，擬合出了普朗克黑體輻射公式，該公式完全符合于實驗。為了給出公式的解釋，普朗克認為，產(chǎn)生電磁波的源可看成是“諧振子”，進而假設(shè)諧振子的振動能量(E_r)只可能取離散值，即E_r=nhv₀=nε₀ 。與此不同，1905年愛因斯坦假設(shè)電磁波(光)本身是量子化的，即光由粒子組成，這種粒子稱為光子，光子的能量E_v=hv，進而給出了光電效應的解釋。

實際上，諧振子的概念是普朗克為了理解他的黑體輻射公式而提出的，它未必是一種真實的存在，因為諧振子無法被直接觀測。事實上，我們是通過觀測諧振子發(fā)出的光子來間接理解它的。換言之，諧振子的能量E_r是通過它發(fā)出的光子的能量E_v反映出來的，可見E_r與E_v是完全等價的概念。于是有：

E_v=E_r=nε₀=hv (2-1)

上式中，ε₀不再是諧振子中的能量子，而應理解為光子中的能量子，可見光子的能量E_v是能量子ε₀的整數(shù)倍。換言之，一個光子是由若干能量子ε₀構(gòu)成的，光子所含能量子的數(shù)量越多，光子的能量就越高，在真空中它的頻率也越高。

上述推導出的光子中的能量子ε₀與系統(tǒng)相對論中的剛體態(tài)能量子e₀(即cn粒子)是完全等價的概念。由此我們獲得光子是由更基本的粒子構(gòu)成的啟示。

粒子模型光子的管狀體模型

如上所述，系統(tǒng)相對論構(gòu)建的光子模型如下：

光子是由若干cn粒子通過疊加方式凝聚成的管狀粒子，cn粒子是構(gòu)成光子的基本單元，也是最小的光子。光子中的cn粒子按極性同向排列，cn粒子之間的耦合渦環(huán)(場環(huán))如同一條條繩索將它們緊緊捆在一起。光子是軸對稱結(jié)構(gòu)，如圖2-3中a所示。

光子的場結(jié)構(gòu)如圖2-3中b所示，光子的場是由內(nèi)場、臨界場和外場組成的三層結(jié)構(gòu)。光子中，各cn粒子獨立渦環(huán)的包絡線圍成的區(qū)域稱作光子的內(nèi)場，又稱光子的本體。

在內(nèi)場外側(cè)，部分cn粒子之間耦合渦環(huán)的包絡圓圍成的區(qū)域，稱作光子的臨界場，這個包絡球又稱作光子體；相應地，將這個臨界場的外邊界稱作光子的表面，臨界場的半徑r₀稱作光子的半徑。

在光子體的外部，彌散著所有cn粒子共同的耦合渦環(huán)，稱作光子的外場，簡稱光子場。與cn粒子一樣，光子也如同一個微小的磁體，它的場是具有一個陽極N和一個陰極S的極性場，又稱雙極場。

從單個cn粒子到若干cn粒子構(gòu)成的光子，它們都具有管狀體的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)相對論稱之為管狀體粒子族。依據(jù)這個光子模型，我們可以更好地理解光子的橫波、偏振等特性 。

現(xiàn)代物理學認為，粒子具有波粒二象性。然而，波和粒子的解釋相互不協(xié)調(diào)，粒子將其能量集中于一個小的區(qū)域內(nèi)，波的能量是均勻分布在整個波前上。對于波粒二象性的困境，自量子論誕生以來，許多物理學家和哲學家都頑強地拼搏過這個問題 ，遺憾的是都無果而終。雖然波粒二象性已被科學界廣泛接受，但這僅是一種限于當時科技和認識水平而被迫妥協(xié)的結(jié)果，許多人將它視為一個權(quán)宜之計，而不是一個終極的答案。

粒子模型對單粒子雙縫干涉實驗的考查

在物理學上，單粒子的雙縫干涉實驗被視為粒子具有波動性的最有力證據(jù)。在該實驗中(以光子為例)，入射光里只包含一個光子，在屏幕上光子將整體的為其上某個感光單元所接收。在底片上起初星星點點、繼而干涉條紋漸露端倪、最終呈現(xiàn)出完整的干涉圖樣。如果交替地每次擋住其中一條縫，就可以肯定每個光子通過的是另一條縫，結(jié)果是雙縫干涉條紋消失了，屏幕上顯示單縫衍射圖樣。

物理學界對上述實驗的通常推理是：干涉條紋是兩束光相干疊加的結(jié)果，按經(jīng)典粒子的概念，一個光子只通過雙縫之一，另一個縫的存在與否，似乎對它的行蹤沒有影響。它打在屏幕上的概率怎么會受另一縫的制約？如果說下一個光子通過了另一條縫，前后兩光子在時間上相隔甚遠，干涉效應絕不可能在它們之間發(fā)生。所以，是一個光子自己和自己發(fā)生干涉，即一個光子同時通過了兩條縫。

1.單光子與光束在干涉機制上的矛盾

理性比較光束和單光子的雙縫實驗不難發(fā)現(xiàn)，一方面，前者要求光束必須為相干光 ，否則不能干涉；而后者單光子之間不存在相干，也能出現(xiàn)干涉條紋。顯然這兩個實驗本身就存在無法調(diào)和的矛盾。

另一方面，前者的解釋是：通過雙縫后的不同光子之間發(fā)生干涉；而后者的解釋：是同一個光子同時通過雙縫后與自身干涉。顯然，對于同一套實驗裝置產(chǎn)生的干涉條紋，出現(xiàn)了兩種完全不同的干涉機制。難道自然界為我們準備了多套干涉方式，以供我們根據(jù)需要來任意選擇嗎？

面對上述兩種實驗事實，我們已經(jīng)陷入干涉機制的困境。

2. 單光子雙縫干涉效應的系統(tǒng)相對論解釋

在單光子雙縫實驗中，實驗裝置的兩縫間隔為微米級，如圖2-1所示。由于間隔的截面尺度極小，在間隔的臨界場中作無規(guī)則運動的自由電子，具有圍繞“間隔”做環(huán)繞運動的分量。這些自由電子相互誘導運動，最終它們都圍繞 “間隔”作同向的環(huán)繞運動。這種規(guī)則的運動導致自由電子之間相互耦合，形成電子對或電子鏈。于是，在間隔周圍形成了一個電流磁場 。

在這個電流磁場的誘導作用下，縫的另一側(cè)上產(chǎn)生一個其表面原子核形成的協(xié)變磁場，這兩個場統(tǒng)稱縫隙場。單光子在通過任意一條縫時，在縫隙場的作用下發(fā)生偏向運動，即物理學上的衍射。

在間隔上做環(huán)繞運動的自由電子具有一個穩(wěn)定轉(zhuǎn)動周期T₁，設(shè)T₁=nτ₀ ，其中n為整數(shù)，τ₀為某個時間單位。一般，從光源發(fā)出的光子也具有固定的周期T₂，可表示為：T₂=mτ₀ ，其中m為整數(shù)。那么，光源和雙縫構(gòu)成的系統(tǒng)也存在一個周期T，即：T=0。這里未考慮入射單光子的隨機路徑。

如上所述，相隔時間T的兩個光子受到縫隙場的作用相同，設(shè)光子與縫隙場的作用共分x種情況，則有：x=T/T₂=

可見，光子與縫隙場的作用共有T/T₂種類型。換言之，通過縫隙后的光子具有T/T₂個運動方向，形成T/T₂條亮紋。由此推測，實驗顯示的亮紋是將兩縫亮紋重疊而成，當然這需要精細調(diào)制。顯然，這與所謂的自身干涉毫無關(guān)聯(lián)。

當任意一個縫被擋住，間隔消失了，間隔上的電流磁場也就消失，縫隙場也就不存在了，所謂干涉條紋也就消失了。于是，在屏幕上呈現(xiàn)出因受縫隙邊沿臨界場影響而形成的衍射圖案。

粒子模型對波粒二象適用范圍的考查

現(xiàn)代物理學認為，對于粒子的波動性和粒子性，它們的使用范圍是不同的，即在討論與物質(zhì)(物體)相互作用時粒子性有效，在討論在空間中的運動時波動性有效。

我們知道，不論任何物體，構(gòu)成物體的分子或原子之間存在著間隙、原子核與電子之間也存在間隙。因此，一個物體就是由懸浮于空間中的各級粒子通過不同作用關(guān)系逐級構(gòu)成的一個松散結(jié)構(gòu)的聚合體。

一方面，根據(jù)接觸的相對性原理，任何物體或粒子之間的相互作用都是在一定間隙下通過場傳遞的。也就是說，無論一個粒子與某個物體作用與否，粒子始終處于空間中。而無論物體內(nèi)的空間還是物體外的空間，它們都是整個連續(xù)空間的一部分，粒子性和波動性的精確分界線應在哪個位置呢？顯然，從連續(xù)空間的角度看，這個分界線并不存在。

另一方面，一個粒子與物體的相互作用，本質(zhì)是與物體中的某個粒子的相互作用(如核外電子、原子核等)，只不過這個粒子處于束縛態(tài)、具有我們可以描述的位置和狀態(tài)罷了。如果一個粒子與束縛態(tài)粒子相互作用就表現(xiàn)出粒子性，而與自由態(tài)粒子相互作用時就表現(xiàn)出波動性。這顯然是表明，一個粒子是根據(jù)與它作用粒子的束縛態(tài)或自由態(tài)，來決定它要表現(xiàn)出粒子性或波動性。難道一個粒子能夠識別與它作用粒子的狀態(tài)嗎？顯然，粒子是不可能有意識的。

綜上所述，系統(tǒng)相對論認為，包括光子、電子等各種粒子，它們都不具有波動本性，但在特定條件下可以顯示出波的某些特征。

現(xiàn)代物理學認為，質(zhì)子和中子是構(gòu)成原子核的基本單元，故統(tǒng)稱為核子。系統(tǒng)相對論認為，質(zhì)子和中子理論都是發(fā)展中的理論。

粒子模型質(zhì)子的正十四面體模型

在分析總結(jié)了原子、原子核的大量實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)相對論認為，質(zhì)子是由不同長度的光子凝聚成的正14面的四面-六面體的穩(wěn)態(tài)粒子。質(zhì)子中光子的排列方式與電子的相同，但光子的層數(shù)是4的倍數(shù)。

如圖2-7所示，質(zhì)子的表面由8個相等的正六邊形和6個相等的正方形組成。其中前后兩個正方形構(gòu)成了質(zhì)子的兩個端面，剩余四個正方形構(gòu)成質(zhì)子的四個側(cè)面；在質(zhì)子的前后兩端各有四個正六邊形的斜面。與電子相比，質(zhì)子更接近于一個球體 。

1. 質(zhì)子的場結(jié)構(gòu)

從質(zhì)子的一端看，質(zhì)子是一個八邊形，見圖2-7中b。四個側(cè)面上的場線分布，隨側(cè)面上光子極向的相間分布，而呈現(xiàn)出正、反向場線相間分布的特征，這種場不同于場線同向的極性場，也不同于質(zhì)子端面上的中性場，稱之為混合極性場。

在質(zhì)子前后斜面的共同邊界上是一個尺度相對較小的極性場，這是因為這個邊界上的光子非常小導致的。一般這個極性場位于質(zhì)子的臨界場中，不參與跟外界的相互作用。與之相比，側(cè)面上的混合極性場尺度要大得多，它參與跟外界的相互作用，并呈現(xiàn)為質(zhì)子的正電荷性質(zhì)和四極矩性質(zhì)。

從圖2-7中可以看出，中性場占據(jù)了質(zhì)子表面的絕大部分，因此質(zhì)子的場是以中性場為主的、由中性場和極性場構(gòu)成的復合場。

2. 質(zhì)子的質(zhì)量與電量

現(xiàn)代原子核物理公認，質(zhì)子帶正電荷e=1.6×10庫侖，其靜止質(zhì)量m_p=1.67×10千克。系統(tǒng)相對論認為，質(zhì)子的復合場性質(zhì)決定了它既有質(zhì)量又有“電量”，即質(zhì)子的中性場決定了它的質(zhì)量性質(zhì)、極性場決定了它的帶電性質(zhì)。

如同太陽場域可以容納下八大行星而太陽的質(zhì)量遠大于八大行星質(zhì)量之和一樣，作為氫原子，雖然一個質(zhì)子只能容納一個電子在核外環(huán)繞運行，這并不代表質(zhì)子的“電量”就等于電子的“電量”?？梢?，“質(zhì)子帶一個單位的正電荷e”的說法是值得商榷的。

實際上，作為氫原子，質(zhì)子與核外電子之間的相互作用并非主要是二者極性場之間的所謂電磁相互作用，二者中性場之間的引力作用也對電子的運行起著重要的作用，是不可忽略的。因此，認為“氫原子中質(zhì)子與電子的引力作用可以忽略不計”的觀點是不正確的。

粒子模型中子的復合粒子模型

現(xiàn)代物理學認為，中子是中性不帶電的、自旋為1/2的粒子。在原子核物理中，通常將中子和質(zhì)子視為同一種粒子的兩種不同的電荷狀態(tài)，以不同的同位旋量子數(shù)相區(qū)別。

1. 中子模型

高能電子、μ子或中微子轟擊中子的散射實驗顯示，中子內(nèi)部的電荷和磁矩有一定的分布，說明中子不是點粒子，具有一定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)相對論構(gòu)建的中子模型如圖2-8中a所示，電子一端的中性場與質(zhì)子一端的中性場相互耦合而形成的復合粒子，稱為中子。

如圖2-8中a所示(質(zhì)子斜面上的中性場未畫出，參見圖2-7)，一方面，電子與質(zhì)子端面上的中性場線相互耦合，即中性場之間的引力作用；另一方面，電子與質(zhì)子之間的極性場線也相互耦合，即極性場之間的所謂電磁相互作用。

從圖2-8中b可以看出，電子半個側(cè)面的極性場線與質(zhì)子半個側(cè)面上的同極向光子的極性場線之間相互耦合，這些耦合場線如圖2-8中a所示，向中子體內(nèi)進一步收縮、聚集。于是，質(zhì)子側(cè)面對稱兩半的、未與電子耦合的正反向的極性場線，向中線偏移、相遇而導致耦合，如圖2-8中b中紅線所示，紅色實線表示在前端耦合的場線，紅色虛線表示在后端耦合的場線。

如上所述，中子較質(zhì)子的極性渦通量斂聚于更小的區(qū)域內(nèi)，導致對外呈現(xiàn)出極性渦通量減?。涣硪环矫?，電子與質(zhì)子相互耦合而構(gòu)成的中子較質(zhì)子的半徑更大，相應地其表面場強較質(zhì)子減弱。這就是我們所觀測到的宏觀環(huán)境中“中子不帶電”的原因。

根據(jù)原子核的梭狀模型，原子核表面附著的電子與質(zhì)子共同構(gòu)成了中子，這就是人們將中子視為核子的原因，當然作為核子的中子只能位于核表面。

2. 中子的質(zhì)量

在原子核物理中，中子靜止質(zhì)量m_n=1.675×10千克。比較m_n、m_p、m_e的大小不難發(fā)現(xiàn)：m_n>m_p m_e。換言之，當一個質(zhì)子和一個電子結(jié)合成一個中子時，質(zhì)量出現(xiàn)增溢。N.玻爾據(jù)此認為，β衰變過程中能量守恒定律失效。

1931年春，國際核物理會議在羅馬召開，W.泡利在會上提出，β衰變過程中能量守恒定律仍然是正確的，能量虧損的原因是因為中子作為一種大質(zhì)量的中性粒子在衰變過程中變成了質(zhì)子、電子和一種質(zhì)量小的中性粒子，正是這種小質(zhì)量粒子將能量帶走了。W.泡利預言的這個竊走能量的“小偷”就是中微子。對此系統(tǒng)相對論有不同的觀點。

實際上，中子的質(zhì)量m_n與它的中性渦通量Ф_m成正比。根據(jù)原子核長毛原理和圖2-8中子模型可知，中子的半徑比質(zhì)子的半徑要大一些，因此中子表面附著的光子的能量比質(zhì)子的要高一些，而這些光子的能量主要以中性場的形式體現(xiàn)出來，即體現(xiàn)為質(zhì)量。因此，當一個質(zhì)子和一個電子結(jié)合成一個中子時，質(zhì)量就會出現(xiàn)增溢。反之，就會出現(xiàn)質(zhì)量虧損，這與中微子無關(guān)。

綜上所述，根據(jù)系統(tǒng)相對論的質(zhì)子和中子模型，同位旋的概念進而夸克模型都是值得商榷的。

近一個世紀以來，我們之所以沒有建立起一個相對完善的原子模型，是因為缺乏一個有效的原子核模型。

粒子模型原子核的場結(jié)構(gòu)與核外電子的運動軌道

首先讓我們先回顧一下氫原子的場結(jié)構(gòu)與核外電子的運動軌道，參見圖2-7。我們以硼11為例展開討論(忽略中性場的作用)。

圖7-3中c的中心縱向剖視圖如圖7-4所示。從圖7-4中可以看出，硼11原子核的極性場分列四個象限中，且相鄰象限的極性場相互垂直。每個象限的極性場由核表面兩個質(zhì)子側(cè)面上的(混合)極性場組成，且它們具有相同方向。這四個方向上的極性場，在原子核物理中稱作原子核的四極矩。

當核外電子進入原子核的極性場中時，電子受到極性耦合引力的作用而改變運動方向。不考慮原子核中性場的引力作用，繞核運動的電子軌道呈正八邊形，每個極性場對電子產(chǎn)生平均45度的偏轉(zhuǎn)作用。

所有原子核都具有四極矩的性質(zhì)，所不同的是每個極的極性場個數(shù)，最少的為1，如氫核、氦核；原子核越大每個極的極性場個數(shù)越多。但每個極都對核外電子產(chǎn)生90度的偏轉(zhuǎn)作用，每個極的極性場個數(shù)越多，電子軌道越接近于圓形。

粒子模型原子核的軸向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)與核外電子的分布

以碳12原子為例，如圖7-5所示。核外電子軌道沿原子核中軸線呈左右對稱分布，這就是電子殼層模型中電子的數(shù)量均為2的倍數(shù)的原因；從外到內(nèi)依次為1s、2s、2p軌道，且軌道半徑依次增大。

當分別從兩端觀察1s軌道兩個電子的運動方向時，我們會看到兩個電子的運動方向正好相反，即一個順時針運動，另一個逆時針運動。如果從同一端觀察，在軌道上所有核外電子沿相同的方向運動。由于電子的自轉(zhuǎn)方向與軌道運動方向是一致的，因此實際觀測1s軌道上的兩個電子的自轉(zhuǎn)方向相反。這就是W.泡利不相容原理的本質(zhì)。

粒子模型兩個質(zhì)子的凝聚

通常物理學上將質(zhì)子和中子稱作核子，即原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。從中子模型可知，中子是由質(zhì)子和電子構(gòu)成的復合粒子，因此將原子核理解為由質(zhì)子和電子構(gòu)成更為恰當。

原子核中的質(zhì)子之間和質(zhì)子與電子之間是通過場的耦合而凝聚在一起的。質(zhì)子與電子之間的耦合原理見中子模型。根據(jù)質(zhì)子模型可知，質(zhì)子端面的中性場是比其斜面和側(cè)面更強的場，因此兩個質(zhì)子是端面相對凝聚在一起的。

如圖7-1所示，凝聚在一起的兩個質(zhì)子，它們內(nèi)部的光子一一對應且極性相反，端面中性場之間、斜面中性場之間以及側(cè)面極性場之間的場線相互耦合，所有耦合場的耦合力共同構(gòu)成了物理學上所謂的強核力。

粒子模型原子核的梭狀模型

以氮原子核為例，如圖7-2所示，氮原子核存在上下、左右和前后三種結(jié)構(gòu)對稱性。原子核中心最長的一串質(zhì)子和電子稱作原子核的中軸，用R0/L0表示，L0對應的面又稱原子核的主面；圖7-2中a中上下兩側(cè)的兩串質(zhì)子和電子對應的軸記為R 1和R-1，相應地，前后兩側(cè)的兩串質(zhì)子和電子對應的軸記為L 1和L-1(見圖7-2中b)。氮14和氮15的原子核中各軸上的質(zhì)子和電子的數(shù)量見圖7-2c和d。不同軸上相鄰的兩個質(zhì)子，在軸上的位置相差半個質(zhì)子占位。

從氮原子核模型可以看出，原子核是由質(zhì)子和電子凝聚成的梭狀體。核內(nèi)質(zhì)子同向規(guī)則排列，相鄰軸上質(zhì)子相互咬合而不存在間隙，原子核的剖面圖呈肺泡結(jié)構(gòu)，可見原子核的物質(zhì)密度是極高的；所有相鄰的質(zhì)子間，它們相對的光子均極性相反而緊密耦合在一起(參見圖7-1)，這就形成了核力的強力性質(zhì)；電子如同毛發(fā)一樣附著在核表面的質(zhì)子上，電子和它所附著的質(zhì)子一起，我們稱作了中子，這就是實驗觀測到中子都分布在核表面的原因 。

從上述核結(jié)構(gòu)模型可以看出，核力是由核子之間多個中性場之間和極性場之間的耦合力共同構(gòu)成的，其中中性場之間的耦合力起主導作用。可見，核力和引力是性質(zhì)相同的力，關(guān)于核力的短程性，這是由質(zhì)子費米級的場強衰減步長(即質(zhì)子半徑)所決定的。

粒子模型部分原子核的結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)原子核的梭狀模型原理，參考元素豐度和元素周期理論，建立元素周期表的前兩個周期元素的核結(jié)構(gòu)模型和原子核中核子排列分別見圖7-3和下表。

從圖和表可以看出，豐度為100%的元素，其核結(jié)構(gòu)具有三個方向上的對稱性；豐度非常低的元素，其核結(jié)構(gòu)的對稱性也較差；同一種元素的不同同位素之間，核結(jié)構(gòu)對稱性較好的，其豐度也相對較高。據(jù)此推測，所謂幻數(shù)核就是核結(jié)構(gòu)對稱性較好的原子核。

由此可以得到如下結(jié)論：原子核中軸或主面上的質(zhì)子數(shù)最多，距離中軸或主面越遠，軸或面上的質(zhì)子數(shù)越少；中軸上質(zhì)子數(shù)不少于4時，其兩側(cè)軸上才會有質(zhì)子存在，依次類推，且二者的質(zhì)子數(shù)相差一般不小于3。

需要指出的是，上述核結(jié)構(gòu)模型還處于初級階段。尤其中軸以外各軸上的質(zhì)子和電子的排列，存在多種可能性。只有通過實驗觀測，才能從多個可能性中確定唯一的排列，或確認同位素存在進一步的細分。

值得一提的是“原子質(zhì)量單位”的概念。1960年物理學國際會議決定，定義一個C中性原子處于基態(tài)時靜止質(zhì)量的1/12為原子質(zhì)量單位。從上述原子核模型可知，原子核具有由中性場和極性場構(gòu)成的復雜的場結(jié)構(gòu)，“原子質(zhì)量單位”僅是一種極為粗造的描述原子核的一種方法而已。

分子物理學認為，分子由原子組成，原子間通過一定的相互作用力，按一定的方式結(jié)合成分子。系統(tǒng)相對論認為，分子是兩個或多個原子的原子核相互耦合而連接在一起的、有一定幾何結(jié)構(gòu)的聚合體。

粒子模型水分子模型

以水分子為例，如圖2-9所示，兩個氫原子核附著在氧原子核一端的兩個斜面上，形成120度夾角的幾何結(jié)構(gòu)。圖2-9中所示為氧16原子核。

氫原子核與氧原子核之間的相互作用包括兩部分，一是，兩核相接觸側(cè)面上中性場之間的耦合力，這個力類似強相互作用，稱之為亞核力，用F_m表示；另一個是兩核極性場之間的耦合力(圖2-9中未畫出，參見圖2-8中a)，用F_p表示。氫原子核與氧原子核之間的相互作用力F可表示為：

F= F_m F_p (2-2)

F_p類似化學上的共價鍵，但共價電子對這個力并沒有貢獻，相反共價電子是在這個耦合場中運動的。F_m和F_p渦通量表達式參見公式(3-11)。可見，水分子中原子之間的作用力是由核間的中性耦合力和極性耦合力兩部分構(gòu)成的，將這種復合作用簡單歸于某種化學鍵是不確切的。

另外，由于水分子中距離氧原子中軸越近場強越強，因此在氫原子與氧原子之間的作用面上，靠近中軸一側(cè)的耦合力強于遠離中軸一側(cè)的耦合力，而形成蹺蹺板效應，導致兩氫核之間的夾角減小，這就是實測鍵角為104.5°的原因。

粒子模型石墨晶體結(jié)構(gòu)模型

現(xiàn)代化學認為，石墨的結(jié)晶格架為六邊形層狀結(jié)構(gòu)，具有完整的層狀解理，解理面之間以分子鍵為主。在石墨晶體中，同層的碳原子以sp2雜化形成共價鍵，每一個碳原子以三個共價鍵與另外三個原子相連。六個碳原子在同一個平面上形成了六邊形的環(huán)，伸展成片層結(jié)構(gòu)，對于同一層來說，它是原子晶體。在同一平面的碳原子還各剩下一個p軌道，它們相互重疊，電子比較自由，相當于金屬中的自由電子，所以石墨能導熱和導電。

常見的石墨晶體結(jié)構(gòu)圖中都將碳原子作為點粒子看待，使得石墨的一些特性不容易直觀理解。根據(jù)系統(tǒng)相對論的碳原子模型(見圖7-5)，繪制石墨晶體結(jié)構(gòu)如圖2-10所示。圖2-10中的碳原子核為碳12，它呈對稱平面結(jié)構(gòu)。

從圖2-10可以看出，6個碳原子通過亞核力形成六邊形結(jié)構(gòu)，這種亞核力包括核間質(zhì)子端面之間的作用和核間質(zhì)子斜面之間的作用兩種類型。系統(tǒng)相對論推測，核間質(zhì)子端面之間的作用建立之前，它們端部的電子脫落而成為游離態(tài)電子；核間質(zhì)子斜面之間的作用建立后，其中一個2p軌道被占用(參見圖7-5)，該軌道上的束縛電子也成為游離態(tài)電子。正是大量游離電子的存在，使得石墨具有良好的導電性和導熱性。

相鄰解理面之間不存在上述核間直接相互作用，它們之間的作用主要是中性場之間的引力作用。這個引力作用較上述亞核力要弱得多，因此石墨晶體在層與層之間比較容易分離。

粒子模型分子力與分子的狀態(tài)

分子力又稱范德華力，是指分子間的相互作用。分子物理學認為，當兩分子相距較遠時，一個分子被另一個分子隨時間迅速變化的電偶極矩所極化，從而產(chǎn)生電的吸引力，這時分子力主要表現(xiàn)為引力；當兩分子非常接近時，各分子的外層電子云開始重疊，從而產(chǎn)生電的排斥力，分子間距離越近，排斥力越大，這時分子力主要表現(xiàn)為斥力。

根據(jù)系統(tǒng)相對論的分子模型可知，分子的場是由中性場和極性場構(gòu)成的復合場，因此分子之間的引力F_q包括中性耦合力F_m和極性耦合力F_p兩部分，即：

F_q=F_m F_p (2-3)

另一方面，分子之間的作用面上，除了耦合面以外還有剪切面，剪切面產(chǎn)生彼此排斥的斥力F_r。因此，分子之間的相互作用類似光子中cn粒子之間的相互作用，對于處于穩(wěn)定狀態(tài)的物體，其內(nèi)部分子之間的引力和斥力是相互平衡的，即處于平衡狀態(tài)的分子受力F可表示為：

F=F_q F_r=0 (2-4)

對于固體而言，內(nèi)部的每個分子都在相對固定的位置上不斷地振動，每個分子的運動與其周圍分子的運動是相互協(xié)同、密切關(guān)聯(lián)的。因此就一個物體而言，它是其內(nèi)分子共同構(gòu)成一個協(xié)變系統(tǒng)。2100433B

標準模型包括三代輕子和三代夸克，以及傳遞相互作用的光子、膠子、W、Z玻色子和已被實驗發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)生所有粒子質(zhì)量的希格斯粒子。標準模型是SU(3)XSU(2)XU(1)群產(chǎn)生出來的。描述夸克和膠子相互作用的是SU(3)群，研究本類相互作用的是量子色動力學；描述弱電相互作用的是SU(2)XU(1)群,描述他們的是量子電動力學。2100433B

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子達到400多種。

按照粒子與各種相互作用的不同關(guān)系，將粒子分為 ：

粒子媒介子

光子（傳遞電磁相互作用）

膠子（傳遞強相互作用）

粒子輕子

電子

電子中微子

μ子和μ子中微子

τ子和τ子中微子

粒子強子

質(zhì)子

中子

介子

超子

粒子夸克

上夸克

下夸克

奇夸克

粲夸克

底夸克

頂夸克

基本粒子是構(gòu)成一切物質(zhì)實體的基本成分；也指量子理論中有基本力的粒子。

嚴格地說，基本粒子是不能再分解為任何組成部分的粒子。在這一定義下，只有夸克和輕子兩種基本粒子。但是，雖然質(zhì)子和中子由夸克組成，這兩類重子都不可能分解為它們的夸克成分，因為獨立的夸克是不能存在的。所以，盡管質(zhì)子和中子以及其他重子由夸克組成，它們常被看成是基本粒子。

粒子電子發(fā)現(xiàn)

直到19世紀末，原子一直被認為是物質(zhì)的基本建筑砌塊。后來，英國粒子物理學先驅(qū)、劍橋卡文迪什實驗室的約瑟夫·約翰·湯姆遜(Joseph John Thomson，1856—1944)，發(fā)現(xiàn)原子產(chǎn)生的一種輻射能夠用原子自身分裂出來的帶電微粒流來解釋，知道這種帶電微粒就是電子 。

粒子原子核

既然電子帶負電荷 ，而原子呈電中性，很明顯，原子內(nèi)部必然有另外的帶正電荷的粒子，以抵消電子的負電荷。20世紀初葉，工作于曼徹斯特的新西蘭裔物理學家歐內(nèi)斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford，1871—1937) (后來繼湯姆孫任卡文迪什實驗室主任)證明，這一正電荷與原子的大部分質(zhì)量一起，都集中在很小的中心核內(nèi)。

起初人們認為，原子核是電子與荷正電的質(zhì)子的混合物。到了1932年，也在卡文迪什實驗室工作的詹姆斯·查特威克(James Chadwick，1891—1937)才發(fā)現(xiàn)了不帶電的質(zhì)量幾乎與質(zhì)子一樣的中子。于是原子核被解釋成由強核相互作用，或強力，維持在一起的質(zhì)子和中子的集合。

那時，這三種粒子——電子、質(zhì)子和中子

——似乎是構(gòu)成一切物質(zhì)的僅有基本粒子，但宇宙射線研究和粒子加速器中高能粒子束互相轟擊的實驗卻表明，還存在其他類型‘亞原子’粒子；不過這些‘新’粒子是不穩(wěn)定的，它們將迅速‘衰變’成其他粒子簇射，以我們熟悉的電子、質(zhì)子和中子告終。

重要的是應該懂得，這些新粒子根本不是存在于粒子加速器中互相轟擊的粒子(如質(zhì)子)的‘內(nèi)部’；它們是從注入加速器的能量中，按照阿爾伯特`愛因斯坦的公式 (或者，在所討論的情況下，更恰當?shù)氖?創(chuàng)造出來的。

然而，在它們的短暫壽命期間，它們是具備質(zhì)量和電荷等特征的真正粒子。這樣的粒子，應該曾經(jīng)在大爆炸的高能條件下大量出現(xiàn)。

粒子介子

物理學家不知道如何將這些粒子納入一個圓滿的物理理論，他們試圖解釋這些粒子之間基本力的作用方式。他們這樣做時，仿效光子攜有帶電粒子之間的電磁力，想借助另一類攜帶著力的粒子——介子。但介子又是用什么東西制造的呢？

粒子夸克

1964年物理學家蓋爾曼提出夸克模型，認為強子由更基本的成分組成，這種成分叫做夸克quark。夸克模型經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已被多數(shù)物理學家接受 。

有一段時期，局面極其混亂。但1960和1970年代發(fā)展的夸克理論使局面趨于明朗?？淇死碚撜J為，所有已知粒子可以分成兩族。一族由夸克組成，能夠‘感知’只在夸克之間起作用的強力，叫做強子。另一族叫做輕子，它們不能感知強力，但參與以所謂的弱力做媒介的相互作用(或稱弱相互作用)，比如，放射衰變(包括β衰變)過程就是弱相互作用引起的。強子既能參與強相互作用，也能感知弱力。

粒子輕子

是名副其實的基本粒子，它們不由任何別的東西構(gòu)成。典范的輕子就是電子，電子與另一種叫做中微子(嚴格說應是電子中微子)的輕子相伴生。當電子參與放射衰變這類過程時，總有中微子卷入。

由于一些無人知曉的原因，這一基本圖像已經(jīng)復制了兩次，產(chǎn)生了三‘代’輕子。除電子本身外，還有比較重的叫做μ介子，它們除了比電子重207倍外，完全像是電子；還有一種甚至更重的粒子叫做τ粒子，它的質(zhì)量接近質(zhì)子的兩倍。這兩種重電子各有其自己的中微子，所以輕子族有六種(三對)粒子。雖然μ介子和τ粒子都能在粒子加速器中用能量制造或從宇宙線產(chǎn)生，但它們很快衰變，轉(zhuǎn)化成電子或中微子。

粒子強子族

強子族本身又再分為兩類 。由三個夸克構(gòu)成的粒子叫做重子，就是我們常說的‘物質(zhì)’粒子，包括質(zhì)子和中子(重子和輕子都是費米子族的成員，費米子實際上是普通物質(zhì)粒子的別稱)。由成對的夸克構(gòu)成的粒子叫做介子，它們是攜帶基本力的粒子，盡管還有其他的介子(這些力的載體和其他介子又稱為玻色子)。

只需要兩種夸克(它們的名字很怪，叫做‘上’夸克和‘下’夸克)就能解釋質(zhì)子和中子的結(jié)構(gòu)。一個質(zhì)子由通過強力維持在一起的兩個上夸克和一個下夸克構(gòu)成，而一個中子由通過強力維持在一起的兩個下夸克和一個上夸克構(gòu)成。

力本身可視為膠子的交換，而膠子本身又由夸克對組成，因而是介子。

正如輕子族復制了三代，夸克族也如此。雖然只需要兩種夸克來解釋質(zhì)子和中子的本質(zhì)，但復制的兩代夸克卻一代比一代重，其中一代叫做‘奇’夸克和‘粲’夸克，最重的一代叫做‘底’夸克和‘頂’夸克。和重輕子一樣，這些粒子能夠在高能實驗中產(chǎn)生(因而大爆炸時必定大量存在過)，但迅速衰變成它們的較輕對應物。雖然不可能分離出單個夸克，但粒子加速器實驗已經(jīng)提供了夸克族所有這六個成員存在的直接證據(jù)；最后一種(頂)夸克是芝加哥費密實驗室的科學家于2007年找到的。

對夸克的質(zhì)量和其他性質(zhì)的研究表明，不可能有更多代的夸克，只能有三族夸克和三族輕子。幸而標準大爆炸模型也認為不可能存在多于三代的粒子；不然的話，極早期宇宙中額外中微子造成的壓力應該驅(qū)動宇宙過快地膨脹，從而使留存下來的氦含量與極年老恒星的觀測結(jié)果不符(見αβγ理論、核合成)。這是最美妙的證據(jù)之一，表明粒子物理學和宇宙學兩者的標準模型對宇宙行為的描述，都同基本真理相去不遠。

但是，除了大爆炸的最早片刻之外，第二和第三代粒子在宇宙的演化或其內(nèi)容物的行為中基本不起作用。我們在宇宙中看到的每樣東西都能用兩種夸克(上和下)和兩種輕子(電子和電子中微子)加以說明；確實，由于單個的夸克不能獨立存在，我們看到的每樣東西的行為，仍然能夠用1932年就已經(jīng)知道的電子、中子和質(zhì)子再加上電子中微子，以及四種基本力，相當準確地予以近似說明。