粒子模型電子模型

現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，電子是一種帶負(fù)電的穩(wěn)定的基本粒子。然而，對(duì)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(gè)電荷均勻分布的帶電小球，如圖2-4所示。在這個(gè)經(jīng)典的電子小球模型中沒(méi)有給質(zhì)量留下位置，而且對(duì)1/2的自旋也無(wú)法給出合理解釋?zhuān)@然這個(gè)模型過(guò)于粗糙。細(xì)致觀察電子的一些特性，可以窺見(jiàn)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(dòng)1/2圈我們就看到相同的面，即在轉(zhuǎn)動(dòng)方向上電子是180度對(duì)稱(chēng)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(lái)，電子可以理解為四個(gè)三角條形磁鐵的組合體，如圖2-5所示。那么，這個(gè)磁鐵組合體轉(zhuǎn)動(dòng)180度時(shí)我們看到的將是相同磁極方向的另一個(gè)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(gè)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(kù)侖力和萬(wàn)有引力的一種計(jì)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(chǎng)?？梢?jiàn)，電子同時(shí)具有表征質(zhì)量性質(zhì)和電荷性質(zhì)兩種類(lèi)型的場(chǎng)。

粒子模型電子的長(zhǎng)方體模型

如上所述，系統(tǒng)相對(duì)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(zhǎng)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(duì)稱(chēng)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(chǎng)線(xiàn))，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(duì)稱(chēng)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(chǎng)從內(nèi)到外也分為內(nèi)場(chǎng)、臨界場(chǎng)和外場(chǎng)三層結(jié)構(gòu)，如圖2-6中c所示。電子中光子的獨(dú)立場(chǎng)線(xiàn)(是指未與相鄰光子耦合的場(chǎng)線(xiàn)，參見(jiàn)圖2-3中b)的包絡(luò)面圍成的區(qū)域稱(chēng)作電子的內(nèi)場(chǎng)，又稱(chēng)電子的本體。

在電子內(nèi)場(chǎng)外側(cè)，場(chǎng)強(qiáng)衰減步長(zhǎng)(見(jiàn)3.1節(jié))從光子間距逐步增大、最終達(dá)到一個(gè)常數(shù)r₀，半徑r₀圍成的區(qū)域稱(chēng)作電子的臨界場(chǎng)，又稱(chēng)作電子體；相應(yīng)地，將這個(gè)臨界場(chǎng)的外邊界稱(chēng)作電子的表面，臨界場(chǎng)的半徑r₀稱(chēng)作電子的半徑。

在電子體的外部，場(chǎng)強(qiáng)衰減步長(zhǎng)為常數(shù)r₀，這個(gè)區(qū)域稱(chēng)作電子的外場(chǎng)，簡(jiǎn)稱(chēng)電子場(chǎng)。如圖2-6中c所示，電子場(chǎng)由中性場(chǎng)和極性場(chǎng)兩部分構(gòu)成，這為電子的電荷和質(zhì)量的來(lái)源提供了解釋?zhuān)措娮拥闹行詧?chǎng)決定了它的質(zhì)量性質(zhì)、極性場(chǎng)決定了它的帶電性質(zhì)。

粒子模型電子場(chǎng)的結(jié)構(gòu)

如圖2-6中c所示，電子場(chǎng)在兩個(gè)端面上屬中性場(chǎng)；在四個(gè)側(cè)面上的場(chǎng)是極性場(chǎng)，且相對(duì)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(chǎng)的結(jié)構(gòu)，我們可以推導(dǎo)出電子的一些性質(zhì) 。

電子的四個(gè)側(cè)面如同四個(gè)條形磁鐵，從每個(gè)端面看都是相對(duì)兩側(cè)面極性相同，相鄰兩側(cè)面極性相反，稱(chēng)之為四極場(chǎng)。質(zhì)子場(chǎng)的極性場(chǎng)也屬四極場(chǎng)(見(jiàn)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(zhǎng)方體粒子族

1930年，德國(guó)科學(xué)家泡利預(yù)言了中微子的存在，1956年美國(guó)萊因斯和柯萬(wàn)在實(shí)驗(yàn)中直接觀測(cè)到中微子。根據(jù)現(xiàn)代物理學(xué)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(wàn)分之一。

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

中微子具有與電子類(lèi)似的特性，它們屬同一類(lèi)型的粒子，中微子和電子統(tǒng)稱(chēng)為長(zhǎng)方體粒子族。

光是人類(lèi)認(rèn)識(shí)最早的事物之一，然而對(duì)于光的本性，直到今天人們尚未形成一致的觀點(diǎn)、還在爭(zhēng)論。當(dāng)前物理學(xué)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(rèn)識(shí)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(xué)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(lèi)光的模型與許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)相矛盾、是錯(cuò)誤的。可以看出，這些模型的構(gòu)建受到了正負(fù)電概念的深刻影響。細(xì)致觀察光的一些特性，可以窺見(jiàn)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?cè)诤暧^上獲得的經(jīng)驗(yàn)，將光子頻率視為光子的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率是一個(gè)容易理解的方案。然而，對(duì)于各向同性(即沒(méi)有極性)的粒子，我們是無(wú)法探測(cè)它的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)1圈我們才看到相同的面(場(chǎng))，即在轉(zhuǎn)動(dòng)方向上光子是360度對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。如果將光子理解為一個(gè)條形磁鐵，這個(gè)磁鐵水平放置且在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，那么這個(gè)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)360度時(shí)，我們看到的將是同一個(gè)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(gè)極的信息。

2.對(duì)普朗克“能量子”的推導(dǎo)

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(shí)驗(yàn)。為了給出公式的解釋?zhuān)绽士苏J(rèn)為，產(chǎn)生電磁波的源可看成是“諧振子”，進(jìn)而假設(shè)諧振子的振動(dòng)能量(E_r)只可能取離散值，即E_r=nhv₀=nε₀ 。與此不同，1905年愛(ài)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(chēng)為光子，光子的能量E_v=hv，進(jìn)而給出了光電效應(yīng)的解釋。

實(shí)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(shí)的存在，因?yàn)橹C振子無(wú)法被直接觀測(cè)。事實(shí)上，我們是通過(guò)觀測(cè)諧振子發(fā)出的光子來(lái)間接理解它的。換言之，諧振子的能量E_r是通過(guò)它發(fā)出的光子的能量E_v反映出來(lái)的，可見(jiàn)E_r與E_v是完全等價(jià)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(yīng)理解為光子中的能量子，可見(jiàn)光子的能量E_v是能量子ε₀的整數(shù)倍。換言之，一個(gè)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(dǎo)出的光子中的能量子ε₀與系統(tǒng)相對(duì)論中的剛體態(tài)能量子e₀(即cn粒子)是完全等價(jià)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(duì)論構(gòu)建的光子模型如下：

光子是由若干cn粒子通過(guò)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(chǎng)環(huán))如同一條條繩索將它們緊緊捆在一起。光子是軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，如圖2-3中a所示。

光子的場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖2-3中b所示，光子的場(chǎng)是由內(nèi)場(chǎng)、臨界場(chǎng)和外場(chǎng)組成的三層結(jié)構(gòu)。光子中，各cn粒子獨(dú)立渦環(huán)的包絡(luò)線(xiàn)圍成的區(qū)域稱(chēng)作光子的內(nèi)場(chǎng)，又稱(chēng)光子的本體。

在內(nèi)場(chǎng)外側(cè)，部分cn粒子之間耦合渦環(huán)的包絡(luò)圓圍成的區(qū)域，稱(chēng)作光子的臨界場(chǎng)，這個(gè)包絡(luò)球又稱(chēng)作光子體；相應(yīng)地，將這個(gè)臨界場(chǎng)的外邊界稱(chēng)作光子的表面，臨界場(chǎng)的半徑r₀稱(chēng)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(chēng)作光子的外場(chǎng)，簡(jiǎn)稱(chēng)光子場(chǎng)。與cn粒子一樣，光子也如同一個(gè)微小的磁體，它的場(chǎng)是具有一個(gè)陽(yáng)極N和一個(gè)陰極S的極性場(chǎng)，又稱(chēng)雙極場(chǎng)。

從單個(gè)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(duì)論稱(chēng)之為管狀體粒子族。依據(jù)這個(gè)光子模型，我們可以更好地理解光子的橫波、偏振等特性 。

基本粒子原意是物質(zhì)存在的基本單元，它是隨著人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)進(jìn)展而不斷發(fā)展的，現(xiàn)已認(rèn)識(shí)到不能把它看成是最后的、最簡(jiǎn)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(guó)史特恩和格拉赫在實(shí)驗(yàn)中將堿金屬原子束經(jīng)過(guò)一不均勻磁場(chǎng)射到屏幕上時(shí)，發(fā)現(xiàn)射線(xiàn)束分裂成兩束，并向不同方向偏轉(zhuǎn)?；诋?dāng)時(shí)的認(rèn)知人們認(rèn)為，電子除了有軌道運(yùn)動(dòng)外，還有自旋運(yùn)動(dòng)，上述現(xiàn)象是電子自旋磁矩順著或逆著磁場(chǎng)方向取向的結(jié)果。1925年，荷蘭物理學(xué)家烏倫貝克和哥希密特提出，電子有不依賴(lài)于軌道運(yùn)動(dòng)的固有磁矩(自旋磁矩)的假設(shè) 。

粒子物理學(xué)認(rèn)為，電子自旋量子數(shù)s=1/2，它是表征電子自旋角動(dòng)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(duì)稱(chēng)性相聯(lián)系的。系統(tǒng)相對(duì)論認(rèn)為，所謂自旋就是指粒子的自轉(zhuǎn)，所謂自旋量子數(shù)是對(duì)處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下的粒子場(chǎng)的結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性的一種描述。

在微觀環(huán)境中，粒子總是在不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖2-2所示，自旋為1的粒子(如光子)，是指粒子的場(chǎng)在旋轉(zhuǎn)一圈后看起來(lái)一樣，即該粒子場(chǎng)在轉(zhuǎn)動(dòng)面上是360度對(duì)稱(chēng)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(chǎng)在旋轉(zhuǎn)1/2圈后看起來(lái)一樣，即該粒子場(chǎng)在轉(zhuǎn)動(dòng)面上是180度對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)；自旋為0的粒子(如普通天體)，是指該粒子的場(chǎng)從任意角度看都一樣，即該粒子是各向同性的全對(duì)稱(chēng)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(xué)中，自旋為2的粒子在旋轉(zhuǎn)180度后看起來(lái)一樣、自旋為1/2的粒子必須旋轉(zhuǎn)2圈才會(huì)一樣。這一點(diǎn)正好與系統(tǒng)相對(duì)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(duì)于史特恩和格拉赫的堿金屬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)系統(tǒng)相對(duì)論原子模型可知，核外電子是在原子核的場(chǎng)域中做環(huán)繞運(yùn)動(dòng)的，核外電子不可能與外界磁場(chǎng)發(fā)生直接作用(否則，電子將不再?lài)@原子核運(yùn)行)。換言之，與外界磁場(chǎng)發(fā)生相互作用的是原子核的極性場(chǎng)。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(duì)論的解釋是：根據(jù)場(chǎng)域原理，在強(qiáng)磁場(chǎng)中，堿金屬原子的場(chǎng)域都較小，原子場(chǎng)域都相對(duì)獨(dú)立而幾乎不存在相互作用。當(dāng)進(jìn)入弱磁場(chǎng)時(shí)，堿金屬原子的場(chǎng)域迅速增大，導(dǎo)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(yuǎn)離，同向轉(zhuǎn)動(dòng)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(xué)認(rèn)為，基本粒子理論在本質(zhì)上是一個(gè)發(fā)展中的理論，它在許多方面還不能令人滿(mǎn)意，其中有兩個(gè)具有哲學(xué)意義的理論問(wèn)題尚待澄清，即：層次結(jié)構(gòu)問(wèn)題和相互作用統(tǒng)一問(wèn)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(kāi)來(lái)；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(lái)?？墒沁M(jìn)入到“基本粒子”層次后，強(qiáng)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(qiáng)子中分割出來(lái)。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“色”禁閉，對(duì)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(jì)80年代已知的層子、反層子已達(dá)36種，輕子、反輕子已達(dá)12種，再加上作為力的傳遞者的規(guī)范場(chǎng)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(duì)此物理學(xué)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和判斷究竟哪個(gè)模型正確。

系統(tǒng)相對(duì)論認(rèn)為，現(xiàn)代物理學(xué)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(xué)認(rèn)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(gè)小的區(qū)域內(nèi)，波的能量是均勻分布在整個(gè)波前上。對(duì)于波粒二象性的困境，自量子論誕生以來(lái)，許多物理學(xué)家和哲學(xué)家都頑強(qiáng)地拼搏過(guò)這個(gè)問(wèn)題 ，遺憾的是都無(wú)果而終。雖然波粒二象性已被科學(xué)界廣泛接受，但這僅是一種限于當(dāng)時(shí)科技和認(rèn)識(shí)水平而被迫妥協(xié)的結(jié)果，許多人將它視為一個(gè)權(quán)宜之計(jì)，而不是一個(gè)終極的答案。

粒子模型對(duì)單粒子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的考查

在物理學(xué)上，單粒子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)被視為粒子具有波動(dòng)性的最有力證據(jù)。在該實(shí)驗(yàn)中(以光子為例)，入射光里只包含一個(gè)光子，在屏幕上光子將整體的為其上某個(gè)感光單元所接收。在底片上起初星星點(diǎn)點(diǎn)、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(gè)光子通過(guò)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(xué)界對(duì)上述實(shí)驗(yàn)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(gè)光子只通過(guò)雙縫之一，另一個(gè)縫的存在與否，似乎對(duì)它的行蹤沒(méi)有影響。它打在屏幕上的概率怎么會(huì)受另一縫的制約？如果說(shuō)下一個(gè)光子通過(guò)了另一條縫，前后兩光子在時(shí)間上相隔甚遠(yuǎn)，干涉效應(yīng)絕不可能在它們之間發(fā)生。所以，是一個(gè)光子自己和自己發(fā)生干涉，即一個(gè)光子同時(shí)通過(guò)了兩條縫。

1.單光子與光束在干涉機(jī)制上的矛盾

理性比較光束和單光子的雙縫實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)本身就存在無(wú)法調(diào)和的矛盾。

另一方面，前者的解釋是：通過(guò)雙縫后的不同光子之間發(fā)生干涉；而后者的解釋?zhuān)菏峭粋€(gè)光子同時(shí)通過(guò)雙縫后與自身干涉。顯然，對(duì)于同一套實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生的干涉條紋，出現(xiàn)了兩種完全不同的干涉機(jī)制。難道自然界為我們準(zhǔn)備了多套干涉方式，以供我們根據(jù)需要來(lái)任意選擇嗎？

面對(duì)上述兩種實(shí)驗(yàn)事實(shí)，我們已經(jīng)陷入干涉機(jī)制的困境。

2. 單光子雙縫干涉效應(yīng)的系統(tǒng)相對(duì)論解釋

在單光子雙縫實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)裝置的兩縫間隔為微米級(jí)，如圖2-1所示。由于間隔的截面尺度極小，在間隔的臨界場(chǎng)中作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的自由電子，具有圍繞“間隔”做環(huán)繞運(yùn)動(dòng)的分量。這些自由電子相互誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)，最終它們都圍繞 “間隔”作同向的環(huán)繞運(yùn)動(dòng)。這種規(guī)則的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致自由電子之間相互耦合，形成電子對(duì)或電子鏈。于是，在間隔周?chē)纬闪艘粋€(gè)電流磁場(chǎng) 。

在這個(gè)電流磁場(chǎng)的誘導(dǎo)作用下，縫的另一側(cè)上產(chǎn)生一個(gè)其表面原子核形成的協(xié)變磁場(chǎng)，這兩個(gè)場(chǎng)統(tǒng)稱(chēng)縫隙場(chǎng)。單光子在通過(guò)任意一條縫時(shí)，在縫隙場(chǎng)的作用下發(fā)生偏向運(yùn)動(dòng)，即物理學(xué)上的衍射。

在間隔上做環(huán)繞運(yùn)動(dòng)的自由電子具有一個(gè)穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)周期T₁，設(shè)T₁=nτ₀ ，其中n為整數(shù)，τ₀為某個(gè)時(shí)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(gè)周期T，即：T=0。這里未考慮入射單光子的隨機(jī)路徑。

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

可見(jiàn)，光子與縫隙場(chǎng)的作用共有T/T₂種類(lèi)型。換言之，通過(guò)縫隙后的光子具有T/T₂個(gè)運(yùn)動(dòng)方向，形成T/T₂條亮紋。由此推測(cè)，實(shí)驗(yàn)顯示的亮紋是將兩縫亮紋重疊而成，當(dāng)然這需要精細(xì)調(diào)制。顯然，這與所謂的自身干涉毫無(wú)關(guān)聯(lián)。

當(dāng)任意一個(gè)縫被擋住，間隔消失了，間隔上的電流磁場(chǎng)也就消失，縫隙場(chǎng)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(chǎng)影響而形成的衍射圖案。

粒子模型對(duì)波粒二象適用范圍的考查

現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，對(duì)于粒子的波動(dòng)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(shí)粒子性有效，在討論在空間中的運(yùn)動(dòng)時(shí)波動(dòng)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(gè)物體就是由懸浮于空間中的各級(jí)粒子通過(guò)不同作用關(guān)系逐級(jí)構(gòu)成的一個(gè)松散結(jié)構(gòu)的聚合體。

一方面，根據(jù)接觸的相對(duì)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(guò)場(chǎng)傳遞的。也就是說(shuō)，無(wú)論一個(gè)粒子與某個(gè)物體作用與否，粒子始終處于空間中。而無(wú)論物體內(nèi)的空間還是物體外的空間，它們都是整個(gè)連續(xù)空間的一部分，粒子性和波動(dòng)性的精確分界線(xiàn)應(yīng)在哪個(gè)位置呢？顯然，從連續(xù)空間的角度看，這個(gè)分界線(xiàn)并不存在。

另一方面，一個(gè)粒子與物體的相互作用，本質(zhì)是與物體中的某個(gè)粒子的相互作用(如核外電子、原子核等)，只不過(guò)這個(gè)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(gè)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(shí)就表現(xiàn)出波動(dòng)性。這顯然是表明，一個(gè)粒子是根據(jù)與它作用粒子的束縛態(tài)或自由態(tài)，來(lái)決定它要表現(xiàn)出粒子性或波動(dòng)性。難道一個(gè)粒子能夠識(shí)別與它作用粒子的狀態(tài)嗎？顯然，粒子是不可能有意識(shí)的。

綜上所述，系統(tǒng)相對(duì)論認(rèn)為，包括光子、電子等各種粒子，它們都不具有波動(dòng)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(xué)認(rèn)為，質(zhì)子和中子是構(gòu)成原子核的基本單元，故統(tǒng)稱(chēng)為核子。系統(tǒng)相對(duì)論認(rèn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)相對(duì)論認(rèn)為，質(zhì)子是由不同長(zhǎng)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(gè)相等的正六邊形和6個(gè)相等的正方形組成。其中前后兩個(gè)正方形構(gòu)成了質(zhì)子的兩個(gè)端面，剩余四個(gè)正方形構(gòu)成質(zhì)子的四個(gè)側(cè)面；在質(zhì)子的前后兩端各有四個(gè)正六邊形的斜面。與電子相比，質(zhì)子更接近于一個(gè)球體 。

1. 質(zhì)子的場(chǎng)結(jié)構(gòu)

從質(zhì)子的一端看，質(zhì)子是一個(gè)八邊形，見(jiàn)圖2-7中b。四個(gè)側(cè)面上的場(chǎng)線(xiàn)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(chǎng)線(xiàn)相間分布的特征，這種場(chǎng)不同于場(chǎng)線(xiàn)同向的極性場(chǎng)，也不同于質(zhì)子端面上的中性場(chǎng)，稱(chēng)之為混合極性場(chǎng)。

在質(zhì)子前后斜面的共同邊界上是一個(gè)尺度相對(duì)較小的極性場(chǎng)，這是因?yàn)檫@個(gè)邊界上的光子非常小導(dǎo)致的。一般這個(gè)極性場(chǎng)位于質(zhì)子的臨界場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)占據(jù)了質(zhì)子表面的絕大部分，因此質(zhì)子的場(chǎng)是以中性場(chǎng)為主的、由中性場(chǎng)和極性場(chǎng)構(gòu)成的復(fù)合場(chǎng)。

2. 質(zhì)子的質(zhì)量與電量

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

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

實(shí)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(chǎng)之間的所謂電磁相互作用，二者中性場(chǎng)之間的引力作用也對(duì)電子的運(yùn)行起著重要的作用，是不可忽略的。因此，認(rèn)為“氫原子中質(zhì)子與電子的引力作用可以忽略不計(jì)”的觀點(diǎn)是不正確的。

粒子模型中子的復(fù)合粒子模型

現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)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(shí)驗(yàn)顯示，中子內(nèi)部的電荷和磁矩有一定的分布，說(shuō)明中子不是點(diǎn)粒子，具有一定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)相對(duì)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(chǎng)與質(zhì)子一端的中性場(chǎng)相互耦合而形成的復(fù)合粒子，稱(chēng)為中子。

如圖2-8中a所示(質(zhì)子斜面上的中性場(chǎng)未畫(huà)出，參見(jiàn)圖2-7)，一方面，電子與質(zhì)子端面上的中性場(chǎng)線(xiàn)相互耦合，即中性場(chǎng)之間的引力作用；另一方面，電子與質(zhì)子之間的極性場(chǎng)線(xiàn)也相互耦合，即極性場(chǎng)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(gè)側(cè)面的極性場(chǎng)線(xiàn)與質(zhì)子半個(gè)側(cè)面上的同極向光子的極性場(chǎng)線(xiàn)之間相互耦合，這些耦合場(chǎng)線(xiàn)如圖2-8中a所示，向中子體內(nèi)進(jìn)一步收縮、聚集。于是，質(zhì)子側(cè)面對(duì)稱(chēng)兩半的、未與電子耦合的正反向的極性場(chǎng)線(xiàn)，向中線(xiàn)偏移、相遇而導(dǎo)致耦合，如圖2-8中b中紅線(xiàn)所示，紅色實(shí)線(xiàn)表示在前端耦合的場(chǎng)線(xiàn)，紅色虛線(xiàn)表示在后端耦合的場(chǎng)線(xiàn)。

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(dǎo)致對(duì)外呈現(xiàn)出極性渦通量減小；另一方面，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(yīng)地其表面場(chǎng)強(qiáng)較質(zhì)子減弱。這就是我們所觀測(cè)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(dāng)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(dāng)一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子結(jié)合成一個(gè)中子時(shí)，質(zhì)量出現(xiàn)增溢。N.玻爾據(jù)此認(rèn)為，β衰變過(guò)程中能量守恒定律失效。

1931年春，國(guó)際核物理會(huì)議在羅馬召開(kāi)，W.泡利在會(huì)上提出，β衰變過(guò)程中能量守恒定律仍然是正確的，能量虧損的原因是因?yàn)橹凶幼鳛橐环N大質(zhì)量的中性粒子在衰變過(guò)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(yù)言的這個(gè)竊走能量的“小偷”就是中微子。對(duì)此系統(tǒng)相對(duì)論有不同的觀點(diǎn)。

實(shí)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(zhǎng)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(chǎng)的形式體現(xiàn)出來(lái)，即體現(xiàn)為質(zhì)量。因此，當(dāng)一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子結(jié)合成一個(gè)中子時(shí)，質(zhì)量就會(huì)出現(xiàn)增溢。反之，就會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量虧損，這與中微子無(wú)關(guān)。

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

粒子模型兩個(gè)質(zhì)子的凝聚

通常物理學(xué)上將質(zhì)子和中子稱(chēng)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(fù)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(dāng)。

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

如圖7-1所示，凝聚在一起的兩個(gè)質(zhì)子，它們內(nèi)部的光子一一對(duì)應(yīng)且極性相反，端面中性場(chǎng)之間、斜面中性場(chǎng)之間以及側(cè)面極性場(chǎng)之間的場(chǎng)線(xiàn)相互耦合，所有耦合場(chǎng)的耦合力共同構(gòu)成了物理學(xué)上所謂的強(qiáng)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(duì)稱(chēng)性。原子核中心最長(zhǎng)的一串質(zhì)子和電子稱(chēng)作原子核的中軸，用R0/L0表示，L0對(duì)應(yīng)的面又稱(chēng)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(duì)應(yīng)的軸記為R 1和R-1，相應(yīng)地，前后兩側(cè)的兩串質(zhì)子和電子對(duì)應(yīng)的軸記為L(zhǎng) 1和L-1(見(jiàn)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(jiàn)圖7-2c和d。不同軸上相鄰的兩個(gè)質(zhì)子，在軸上的位置相差半個(gè)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(jiàn)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(duì)的光子均極性相反而緊密耦合在一起(參見(jiàn)圖7-1)，這就形成了核力的強(qiáng)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(chēng)作了中子，這就是實(shí)驗(yàn)觀測(cè)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(gè)中性場(chǎng)之間和極性場(chǎng)之間的耦合力共同構(gòu)成的，其中中性場(chǎng)之間的耦合力起主導(dǎo)作用。可見(jiàn)，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(fèi)米級(jí)的場(chǎng)強(qiáng)衰減步長(zhǎng)(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(gè)周期元素的核結(jié)構(gòu)模型和原子核中核子排列分別見(jiàn)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(gè)方向上的對(duì)稱(chēng)性；豐度非常低的元素，其核結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性也較差；同一種元素的不同同位素之間，核結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性較好的，其豐度也相對(duì)較高。據(jù)此推測(cè)，所謂幻數(shù)核就是核結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)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(yuǎn)，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(shí)，其兩側(cè)軸上才會(huì)有質(zhì)子存在，依次類(lèi)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(jí)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(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，才能從多個(gè)可能性中確定唯一的排列，或確認(rèn)同位素存在進(jìn)一步的細(xì)分。

值得一提的是“原子質(zhì)量單位”的概念。1960年物理學(xué)國(guó)際會(huì)議決定，定義一個(gè)C中性原子處于基態(tài)時(shí)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(chǎng)和極性場(chǎng)構(gòu)成的復(fù)雜的場(chǎng)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。

近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，我們之所以沒(méi)有建立起一個(gè)相對(duì)完善的原子模型，是因?yàn)槿狈σ粋€(gè)有效的原子核模型。

粒子模型原子核的場(chǎng)結(jié)構(gòu)與核外電子的運(yùn)動(dòng)軌道

首先讓我們先回顧一下氫原子的場(chǎng)結(jié)構(gòu)與核外電子的運(yùn)動(dòng)軌道，參見(jiàn)圖2-7。我們以硼11為例展開(kāi)討論(忽略中性場(chǎng)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(chǎng)分列四個(gè)象限中，且相鄰象限的極性場(chǎng)相互垂直。每個(gè)象限的極性場(chǎng)由核表面兩個(gè)質(zhì)子側(cè)面上的(混合)極性場(chǎng)組成，且它們具有相同方向。這四個(gè)方向上的極性場(chǎng)，在原子核物理中稱(chēng)作原子核的四極矩。

當(dāng)核外電子進(jìn)入原子核的極性場(chǎng)中時(shí)，電子受到極性耦合引力的作用而改變運(yùn)動(dòng)方向。不考慮原子核中性場(chǎng)的引力作用，繞核運(yùn)動(dòng)的電子軌道呈正八邊形，每個(gè)極性場(chǎng)對(duì)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(gè)極的極性場(chǎng)個(gè)數(shù)，最少的為1，如氫核、氦核；原子核越大每個(gè)極的極性場(chǎng)個(gè)數(shù)越多。但每個(gè)極都對(duì)核外電子產(chǎn)生90度的偏轉(zhuǎn)作用，每個(gè)極的極性場(chǎng)個(gè)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(chēng)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(xiàn)呈左右對(duì)稱(chēng)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(dāng)分別從兩端觀察1s軌道兩個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，我們會(huì)看到兩個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)方向正好相反，即一個(gè)順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)。由于電子的自轉(zhuǎn)方向與軌道運(yùn)動(dòng)方向是一致的，因此實(shí)際觀測(cè)1s軌道上的兩個(gè)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)。

分子物理學(xué)認(rèn)為，分子由原子組成，原子間通過(guò)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(duì)論認(rèn)為，分子是兩個(gè)或多個(gè)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(gè)氫原子核附著在氧原子核一端的兩個(gè)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(chǎng)之間的耦合力，這個(gè)力類(lèi)似強(qiáng)相互作用，稱(chēng)之為亞核力，用F_m表示；另一個(gè)是兩核極性場(chǎng)之間的耦合力(圖2-9中未畫(huà)出，參見(jiàn)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(lèi)似化學(xué)上的共價(jià)鍵，但共價(jià)電子對(duì)這個(gè)力并沒(méi)有貢獻(xiàn)，相反共價(jià)電子是在這個(gè)耦合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的。F_m和F_p渦通量表達(dá)式參見(jiàn)公式(3-11)?？梢?jiàn)，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(fù)合作用簡(jiǎn)單歸于某種化學(xué)鍵是不確切的。

另外，由于水分子中距離氧原子中軸越近場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)，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(qiáng)于遠(yuǎn)離中軸一側(cè)的耦合力，而形成蹺蹺板效應(yīng)，導(dǎo)致兩氫核之間的夾角減小，這就是實(shí)測(cè)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(xué)認(rèn)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(jià)鍵，每一個(gè)碳原子以三個(gè)共價(jià)鍵與另外三個(gè)原子相連。六個(gè)碳原子在同一個(gè)平面上形成了六邊形的環(huán)，伸展成片層結(jié)構(gòu)，對(duì)于同一層來(lái)說(shuō)，它是原子晶體。在同一平面的碳原子還各剩下一個(gè)p軌道，它們相互重疊，電子比較自由，相當(dāng)于金屬中的自由電子，所以石墨能導(dǎo)熱和導(dǎo)電。

常見(jiàn)的石墨晶體結(jié)構(gòu)圖中都將碳原子作為點(diǎn)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(duì)論的碳原子模型(見(jiàn)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(duì)稱(chēng)平面結(jié)構(gòu)。

從圖2-10可以看出，6個(gè)碳原子通過(guò)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(lèi)型。系統(tǒng)相對(duì)論推測(cè)，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(gè)2p軌道被占用(參見(jiàn)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(dǎo)電性和導(dǎo)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(chǎng)之間的引力作用。這個(gè)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(chēng)范德華力，是指分子間的相互作用。分子物理學(xué)認(rèn)為，當(dāng)兩分子相距較遠(yuǎn)時(shí)，一個(gè)分子被另一個(gè)分子隨時(shí)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(shí)分子力主要表現(xiàn)為引力；當(dāng)兩分子非常接近時(shí)，各分子的外層電子云開(kāi)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(shí)分子力主要表現(xiàn)為斥力。

根據(jù)系統(tǒng)相對(duì)論的分子模型可知，分子的場(chǎng)是由中性場(chǎng)和極性場(chǎng)構(gòu)成的復(fù)合場(chǎng)，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(lèi)似光子中cn粒子之間的相互作用，對(duì)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(duì)于固體而言，內(nèi)部的每個(gè)分子都在相對(duì)固定的位置上不斷地振動(dòng)，每個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)與其周?chē)肿拥倪\(yùn)動(dòng)是相互協(xié)同、密切關(guān)聯(lián)的。因此就一個(gè)物體而言，它是其內(nèi)分子共同構(gòu)成一個(gè)協(xié)變系統(tǒng)。2100433B

標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)生所有粒子質(zhì)量的希格斯粒子。標(biāo)準(zhǔn)模型是SU(3)XSU(2)XU(1)群產(chǎn)生出來(lái)的。描述夸克和膠子相互作用的是SU(3)群，研究本類(lèi)相互作用的是量子色動(dòng)力學(xué)；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(dòng)力學(xué)。2100433B

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子達(dá)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)體的基本成分；也指量子理論中有基本力的粒子。

嚴(yán)格地說(shuō)，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(lèi)重子都不可能分解為它們的夸克成分，因?yàn)楠?dú)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(jì)末，原子一直被認(rèn)為是物質(zhì)的基本建筑砌塊。后來(lái)，英國(guó)粒子物理學(xué)先驅(qū)、劍橋卡文迪什實(shí)驗(yàn)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(lái)的帶電微粒流來(lái)解釋?zhuān)肋@種帶電微粒就是電子 。

粒子原子核

既然電子帶負(fù)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(fù)電荷。20世紀(jì)初葉，工作于曼徹斯特的新西蘭裔物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford，1871—1937) (后來(lái)繼湯姆孫任卡文迪什實(shí)驗(yàn)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(rèn)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)核相互作用，或強(qiáng)力，維持在一起的質(zhì)子和中子的集合。

那時(shí)，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(xiàn)研究和粒子加速器中高能粒子束互相轟擊的實(shí)驗(yàn)卻表明，還存在其他類(lèi)型‘亞原子’粒子；不過(guò)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(yīng)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(ài)因斯坦的公式 (或者，在所討論的情況下，更恰當(dāng)?shù)氖?創(chuàng)造出來(lái)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(yīng)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(xué)家不知道如何將這些粒子納入一個(gè)圓滿(mǎn)的物理理論，他們?cè)噲D解釋這些粒子之間基本力的作用方式。他們這樣做時(shí)，仿效光子攜有帶電粒子之間的電磁力，想借助另一類(lèi)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(xué)家蓋爾曼提出夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子由更基本的成分組成，這種成分叫做夸克quark?？淇四Ｐ徒?jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已被多數(shù)物理學(xué)家接受 。

有一段時(shí)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(rèn)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(qiáng)力，叫做強(qiáng)子。另一族叫做輕子，它們不能感知強(qiáng)力，但參與以所謂的弱力做媒介的相互作用(或稱(chēng)弱相互作用)，比如，放射衰變(包括β衰變)過(guò)程就是弱相互作用引起的。強(qiáng)子既能參與強(qiáng)相互作用，也能感知弱力。

粒子輕子

是名副其實(shí)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(yán)格說(shuō)應(yīng)是電子中微子)的輕子相伴生。當(dāng)電子參與放射衰變這類(lèi)過(guò)程時(shí)，總有中微子卷入。

由于一些無(wú)人知曉的原因，這一基本圖像已經(jīng)復(fù)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(duì))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(xiàn)產(chǎn)生，但它們很快衰變，轉(zhuǎn)化成電子或中微子。

粒子強(qiáng)子族

強(qiáng)子族本身又再分為兩類(lèi) 。由三個(gè)夸克構(gòu)成的粒子叫做重子，就是我們常說(shuō)的‘物質(zhì)’粒子，包括質(zhì)子和中子(重子和輕子都是費(fèi)米子族的成員，費(fèi)米子實(shí)際上是普通物質(zhì)粒子的別稱(chēng))。由成對(duì)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(chēng)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(gè)質(zhì)子由通過(guò)強(qiáng)力維持在一起的兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克構(gòu)成，而一個(gè)中子由通過(guò)強(qiáng)力維持在一起的兩個(gè)下夸克和一個(gè)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(duì)組成，因而是介子。

正如輕子族復(fù)制了三代，夸克族也如此。雖然只需要兩種夸克來(lái)解釋質(zhì)子和中子的本質(zhì)，但復(fù)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(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生(因而大爆炸時(shí)必定大量存在過(guò))，但迅速衰變成它們的較輕對(duì)應(yīng)物。雖然不可能分離出單個(gè)夸克，但粒子加速器實(shí)驗(yàn)已經(jīng)提供了夸克族所有這六個(gè)成員存在的直接證據(jù)；最后一種(頂)夸克是芝加哥費(fèi)密實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家于2007年找到的。

對(duì)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(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型也認(rèn)為不可能存在多于三代的粒子；不然的話(huà)，極早期宇宙中額外中微子造成的壓力應(yīng)該驅(qū)動(dòng)宇宙過(guò)快地膨脹，從而使留存下來(lái)的氦含量與極年老恒星的觀測(cè)結(jié)果不符(見(jiàn)αβγ理論、核合成)。這是最美妙的證據(jù)之一，表明粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)兩者的標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)宇宙行為的描述，都同基本真理相去不遠(yuǎn)。

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?cè)谟钪嬷锌吹降拿繕訓(xùn)|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(shuō)明；確實(shí)，由于單個(gè)的夸克不能獨(dú)立存在，我們看到的每樣?xùn)|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(dāng)準(zhǔn)確地予以近似說(shuō)明。