互动科普

水、砂糖、蛋白质、塑料、铁⋯⋯等等，我们在日常生活中会接触到无数种不同的物质。如此众多的物质其实全都是由80多种原子（元素）构成的。例如，水就是由两个氢原子（H）和一个氧原子（O）结合起来所形成的水分子（H₂O）大量聚集在一起的集合体。原子非常小，其大小仅为1厘米的1亿分之1左右。

所有的原子全都具有共同的结构。原子的中心有一个非常小的叫做“原子核”的粒子团，在其周围包围着叫做“电子”的粒子（右页图解）。原子核的大小只有原子大小的大约10万分之1。日本东京大学数物连携宇宙研究机构的负责人村山齐博士做了这样一个比喻：“假如将原子放大到地球的大小，那么原子核就只有棒球场大小，而电子则比棒球还要小”。

原子核带正电荷，电子带负电荷，两者以静电力互相吸引。这种情况与地球受到太阳万有引力的作用围绕着太阳公转十分相似。

原子核由多个带正电的“质子”和不带电的“中子”组成。例如碳原子，它有一个由6个质子和6个中子所组成的原子核，在这个原子核的周围则围绕着6个电子。氧原子有一个由8个质子和8个中子所组成的原子核，其周围有8个电子。原子的种类（元素）不同，是由于它们各自具有不同电子数目和质子数目。原子内部的电子数目和质子数目相等。

一个非常重要的事实是，我们身边的一切物质全都是仅由电子、质子和中子这三种粒子构成的。我们自己的身体，桌子上的电脑，海洋和大山，太阳和月亮，乃至宇宙中的其他星体，基本上全都是仅由电子、质子和中子这三种粒子所构成。我们周围如此复杂的世界竟然只由三种粒子组合起来而形成，在现代科学揭示出来的众多事实中，这也是一件令人惊异的事情。

图1. 一切原子皆由“电子”、“质子”和“中子”三种粒子所构成

图解绘出的是一个碳原子（C，原子序数为6）的结构。原子核的周围有6个电子，原子核内则聚集了6个质子和6个中子。元素不同，是由于元素原子中电子的数目（或者与之相等的质子的数目）不同。例如氢原子有1个电子，氧原子有8个电子。

自然界中不可能再继续细分的最小单元叫做“基本粒子”。前面那三种构成我们周围物质的粒子，其中的电子就是一种基本粒子，而构成原子核的质子和中子却不是基本粒子。

用电子轰击质子或中子，绝大多数电子都会径直穿过质子或中子，不过也会有少量电子被质子或中子反弹回来。这个事实意味着质子或中子是由更小的粒子所组成。这是因为，电子只有撞击到质子或中子中的某种“硬颗粒”才会被反弹回来。

通过这一类实验，现在已经知道质子或中子是由一类更小的统称为“夸克”的基本粒子所组成。质子由2个“上夸克”和1个“下夸克”所组成，中子由1个“上夸克”和2个“下夸克”所组成。于是，在基本粒子层次，我们周围的物质全都是由电子、上夸克和下夸克这三种基本粒子所构成。

如果事情就到此为止，那么我们一定会认为“自然界是多么的简洁和优美！”然而真实情况并非如此简单。事实是，包括电子在内统称为“轻子”的基本粒子总共有6种，而统称为夸克的基本粒子也有6种。

图2. 有6种夸克和6种轻子

的确，构成我们周围物质（由原子组成的物质）的基本粒子只有电子、上夸克和下夸克这三种，然而在一种叫做“加速器”装置中却能够制造出这三种粒子之外的其他基本粒子。例如，在加速器中加速质子，使它们发生对撞，就能够产生出这三种粒子之外的许多种其他基本粒子。

许多读者都知道爱因斯坦的那个著名公式“E＝mc²”。这个公式隐含着一个惊人的事实，那就是，“能量（E）可以转化为物质的质量（m）”。在加速器中，被加速的粒子互相发生碰撞，这碰撞的能量就能够转化为新生成的粒子的质量。

（本文发表于《科学世界》2011年第7期）