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曾几何时我们都思考过的问题：我们所处的这个世界大能大到哪？小能小到哪呢？ 电子的发现 今天咱们去微观领域瞧一瞧，探索一下人类对基本粒子的发现历程世界是由什么构成的呢？所有的物质不管是金木水火土，它们都是由一种不可再分的atom原子构成的，这东西你看不见，特别小，这就是最早的原子论。我们现在说的原子atom就是希腊语中不可再分的意思，不过这种说法为啥说在当时不入流呢，就因为你说的这原子它又看不到啊不像是金木水火土，这人们是能看见真的，所以原子信的人就比较少，不过这个原子论对科学发展却产生了深远地影响后来人们陆陆续续发现了更多种element元素30多种、40多种，直到俄罗斯的门捷列夫给出了periodic table元素周期表，这个时候人们对于元素的探索就上升了一个高度了。有一件事让当时的科学界炸开了锅，英国物理学家JJThomson汤姆森他说：等会等会，我好像发现了一个比原子还小的东西，那原子就不是最小单元了呀，咋回事呢？他研究的第一个问题就是cathoderay tube阴极射线管，但是这个阴极射线到底是啥没人能说清，而且英国人和德国人还为此争论了好长时间，汤姆森研究的就是这个事。咱们先说啥是阴极射线管，这得从长计议，Faraday法拉第发现electricity induction电磁感应之后，很多人就开始研究电磁现象，发明了不少小东西，一个德国人他就对这个电火花比较感兴趣，为了研究电火花他就想了一个办法，把这个线圈的正负极用两根铂丝的导线给它联出来，然后在中间加一个玻璃管，这样火花不就打在玻璃管里了嘛，方便看，然后做各种各样的实验，比如把玻璃管抽成vaccum真空看看啥样呢，他就发现 当玻璃管里的气体很稀薄的时候，残留下来的气体会发光，可别小看这个管子，它就是咱们现在日光灯啊、霓虹灯啊、电视显像管的鼻祖，后来物理学家又发现了当玻璃管里的气压再低一点的时候，气体就不发光了，中间的气体不发光了，但是在阳极这边的玻璃上会出现一块明显的荧光，这就像是有一束你看不见的光从阴极射了出来，然后打在玻璃上看见了，但是如果是光为啥中间这段我看不见呢？于是人们给这个不知道是啥的射线起了个名叫做阴极射线，从anode阴极发射出来的嘛。所以这个改良之后的就叫作阴极射线管，就是这么个东西让英国人和德国人吵得不可开交，德国人一般认为是EMwave电磁波，类似于紫外线的电磁波。当时的人们认为电磁波就是波没有质量momentum动量那都是之后的事儿了，英国人则认为是带电粒子，啥粒子呢？那时候人们认为最小的粒子就是原子啊，所以可能是带电原子束，德国的代表人物就是Hertz赫兹证实电磁波存在者，赫兹发现这个阴极射线你给它加一个磁场，赫兹发现这个阴极射线你给它加一个磁场它就会发生deflection偏转，但是呢在电场下就不偏转，我们都知道如果是带电粒子，磁场和电场都应该偏转啊，所以赫兹说肯定不是带电粒子，有可能是未知的东西。德国人有一个比较有想法的老哥，他把阴极射线阳极这边的玻璃管开了个小口，然后换成铝箔就是很薄很薄的铝片，发现这束阴极射线可以穿过（meltalesecross）铝箔打出去了，他就说这怎么可能是粒子呢？这要是粒子肯定就反弹回来了呀，只有射线才能穿过去，于是德国这边断定就算它不是射线，那也肯定不是粒子。英国人这边的代表的证据就是，首先，射线在磁场下能够偏转，这就证明它不是电磁波啊，电磁波不带电啊，这就像是你把一束光放在磁场下，它也不会偏转啊，然后这老哥也做了个实验，他把一个paddlewheel小风车放到玻璃管里了，阴极射线打在小风车上居然能让风车转，电磁波怎么可能有这么高的能量呢，所以肯定是带电粒子。而且根据在磁场下的偏转方向来看，还是带负电的粒子束，就这么着，英国人和德国人争论了好久。一场不平凡的争论注定要由一个天才来摆平，JJ汤姆森也加入这场战争，但他很快就发现了问题所在，为啥阴极射线在电场下不偏转呢？就是因为受到了稀薄气体导电性的影响，说白了，阴极射线管里的气体抽的不干净，真空程度还不够，这事说起来简单但是做起来可不容易，当时的vaccumpump真空泵还达不到要求，就只能抽成那样了，所以汤姆森又花了很长时间改良真空泵，后来终于让人们看到了阴极射线是可以电偏转的，这回实验结果明摆着了，阴极射线就是带负电的粒子束。3.jpg (15.4 KB, 下载次数: 6)
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那不过新的问题又来了，可以证明是带电粒子束了可是啥是粒子呢？分子？原子？汤姆森紧接着根据实验数据进行了测算，算一算这个粒子的质量看看和谁接近不就得了么，当时人们知道的最轻的原子就是H氢原子。这一算不好了，这个神秘的带电粒子的质量居然大约是氢原子质量的2000分之一，汤姆森大胆的猜测，人们一直认为的原子是不可再分的最小单位这个结论并不正确，因为他发现了更小的粒子，这也很好的解释了为什么阴极射线可以穿过铝箔呀，因为它小啊，后来人们就把这种带电粒子就叫作电子，两年之后，汤姆森又重新测算了电子的质量和电量，当时他给出的数据是质量是3x10^-31千克，电量是2x10^-19库仑，这个数据虽然不够精确，但是数量级却都对，现在我们知道了电子的质量是9.108x10^-31千克，电量是1.602x10^-19库仑，你看没差多少。电子小到什么程度呢？把5万亿个电子排成一排也大概只有1厘米长，这是人类历史上发现的第一个基本粒子，就是真的是不可再分了，至少到目前来说还是这样。下一个基本粒子又是啥呢？4.png (27.36 KB, 下载次数: 6)
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原子的太阳系模型 汤姆森的另一个得意门生是Rutherford卢瑟福，卢瑟福就决定研究研究这个射线到底是啥？，通过实验卢瑟福发现Ur铀岩放出的射线还不是一束，在磁场下射线会向两个方向偏转，这就证明有两束电性不同的射线啊一正一负呗，他就把带正电的这束射线给起了个名叫做α射线，带负电的叫做β射线，其实还有一束不带电的直着跑，卢瑟福当时没有发现，后来是法国物理学家发现的并命名为γ射线 γ射线就是电磁波，经过测算这束带负电的β射线，就是老师汤姆森发现的电子，但是天然放射出来的这束电子束速度快penetrationability穿透性强就是高能电子束,那这束放射出来的电子为啥能具有那么高的能量呢？还有这个α射线是啥呢？一束带正电的粒子,当时人们只知道原子不带电,电子带负电,又过几年卢瑟福有了新的研究成果5.png (74.82 KB, 下载次数: 7)
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他把这束α射线单独让它射进一个管子里,α粒子就是带正电的氦原子,我们现在知道,α粒子实际上是氦原子核,就是去了电子的氦原子 所以才带的正电,不过卢瑟福当时还没有提出原子核的概念呢。卢瑟福太喜欢这个α粒子了，因为是天然放射出来的，不用实验制备 所以即经济又实惠，他就想我用α粒子去轰击别的原子看看能啥样，这个想法简单粗暴，实际上到现在我们发现的很多粒子都是这种办法，用一种去bombard轰击另一种，他当时是用α粒子轰击golden foil金箔，其实他没期待能有什么重大发现为啥这么说呢？因为自从汤姆森发现了电子之后，汤姆森就给出了一种原子模型叫做pum pudding枣糕模型，就是电子就像是枣一样镶嵌在里面的，然后电子带负电 其他地方带正电整体的原子是不带电的，这个α粒子的速度每秒钟将近200万米，这么高的速度那肯定直接就穿过去了 打啥都得传过去啊，所以最开始的时候卢瑟福就发现α粒子，确实可以穿过金箔打在后面的接收屏上。6.png (18.13 KB, 下载次数: 6)
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有这么一天 卢瑟福就突发奇想，把接收屏拿到前边来看看能不能接收到散射的α粒子，用卢瑟福自己的话讲，这就相当于你用15英寸的炮弹打在一张纸上反弹了回来一样，不可思议啊 冷静一想，α粒子能reflection反弹回来这就证明原子当中有很坚硬的东西存在！就是neclues原子核，然后根据实验数据计算了α粒子的散射截面，结果表明 原子内部大部分都是空的，就中间存在一个硬核，但是不确定电子在哪，有可能在核里边 有可能绕着核运动，卢瑟福向世人公布了自己的行星原子模型。在这个模型里，电子像planetary model太阳系的行星围绕太阳转一样围绕着原子核旋转。但是根据经典电磁理论，这样的电子会发射出电磁辐射，损失能量，以至瞬间collapse坍缩到原子核里。这与实际情况不符，卢瑟福无法解释这个矛盾。后来卢瑟福又通过实验发现，就是不管用α粒子轰击什么原子，什么钠啊、金啊、包括非金属原子磷啊，都有一种带正电的粒子能被轰击出来，它的质量又和氢原子一样，这和α粒子差不多啊，难不成是带正电的氢原子啊，这回卢瑟福明白了，看来这个东西才是所有原子核里都有的东西，卢瑟福就给这个带正电的氢原子起了个名叫做：proton质子。并且卢瑟福还预测了，说有可能原子核里还有存在一种中性粒子，这就是中子的开端。7.png (28.08 KB, 下载次数: 6)
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中子与能量守恒 先说德国这边，咱们之前说过 自从α粒子被发现之后。人们就可开心了这东西物美价廉啊，于是就用α粒子轰击别的原子看看能啥样。有这么一天瓦尔特博特和他的一个学生叫做贝克，他俩也用α粒子在做实验，他俩轰什么呢？轰击Be铍元素周期表氢氦锂铍硼，原子序数是4相对质量为9的金属铍，按照以往的结果，肯定会有质子能被轰出来。结果他俩发现，被轰击出来的不是proton质子，而是一种穿透性特别强的射线，可以穿透几厘米厚的铜板，最主要的是它还不带电，没见过啊，给起了个名叫“铍射线”，仔细一想穿透性强不带电？咱们之前在天然放射性那说过一种射线还记得不？γ射线，对，所以就猜测说“铍射线”就应该是伽马射线的一种，但实际上γ射线也没有这么强的穿透力，咱们之后再说。这个消息就传到了法国了，小居里夫妇就听说了，他俩决定研究研究8.png (24.46 KB, 下载次数: 7)
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所以小居里夫妇很快就做出了同样的实验，不过他俩就多想了一层，说你这么猜测它是γ射线那不行啊，得检测检测啊 看看性质呗，但是呢 这射线又太快了，就想给它变慢一点然后再用检测器检测，变慢的方法也是简单粗暴，就是直接在射线和Geiger counter盖革计数器之间挡一块parafin wax石蜡，预想的是“铍射线”通过石蜡先被吸收一部分能量，然后再进入检测器那速度不就慢下来了么，结果却让他俩大吃一惊，铍射线通过石蜡之后不但没有减慢，相反变得更快了！更加奇怪的是，检测器结果显示这束射线居然是质子！一束电磁波通过石蜡变成了粒子，这就肯定是碰撞啊，也就是这束“铍射线”打到石蜡上被吸收了，然后把质子打出来了，我们现在很容易想明白，这铍射线肯定不是电磁波啊，首先电磁波静质量为0，就算上动质量它也不可能有那么高的能量能把质子打出来啊，但如果说要想把原子内部原子核里的质子打出来，这肯定不是电磁波干的事，举个例子 假如你用一个瓶盖去打铅球，这怎么可能把铅球打飞呢？对吧？结果 小居里夫妇居然没想到，他俩就没想到说能不能是一种新粒子呢？，就连粒子都没想到 还跟电磁波较劲呢，说估计是一种新的γ射线，你看 到手里的一块肥肉 就这么飞了，他俩的这篇文章就从法国传到了英国，被卢瑟福的学生Chadwick查德威克看到了，本来他是学数学的，偶然一个机会听了卢瑟福的课觉得物理有意思，他就跟着卢瑟福改了专业学习了物理，查德威克看到了小居里夫妇的文章之后，第一反应就是 这肯定不是γ射线，这就是我一直在寻找的中子！只要做个和小居里夫妇一样的实验，查德威克重复了用铍产生的未知射线辐照石蜡的实验。石蜡中氢含量很高，作为靶子的质子在其中非常致密。由于中子与质子质量大致相等，质子会因中子发生很强的散射。查德威克测定了质子的分布范围，同时还观测了新辐射对几种气体的影响。他发现新辐射并不是由γ射线，而是由与质子质量差不多的中性粒子构成。这种粒子就是中子。9.png (34.17 KB, 下载次数: 5)
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玻尔的原子模型 从Bohr玻尔的原子模型说起，电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动，离核愈远能量愈高；可能的轨道由电子的角动量必须是h/2π的整数倍决定；当电子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量，而且发射或吸收的辐射是单频的，辐射的频率和能量之间关系由E=hν给出。玻尔的理论成功地说明了原子的稳定性和Hydrogenspectrum氢原子光谱线规律。11.png (178.7 KB, 下载次数: 4)
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（1）stationarystate定态假设波尔假定，氢原子的核外电子在轨道上运行时具有一定的、不变的能量，不会释放能量，这种状态被称为定态。能量最低的定态叫做基态；能量高于基态的定态叫做激发态。（2） principalquantum number量子化条件玻尔假定，氢原子核外电子的轨道不是连续的，而是分立的，在轨道上运行的电子具有一定的角动量（L=mvr,其中m为电子质量，v为电子线速度，r为电子线性轨道的半径），只能按下式取值：L=n(h/2π)n=1,2,3,4,5,6.......（3）transitionbetween energy level跃迁规则电子吸收光子就会跃迁到能量较高的激发态，反过来，激发态的电子会放出光子，返回基态或能量较低的激发态；光子的能量为跃迁前后两个能量之差，由于轨道是分立的,则原子的能量也是分立的,即量子化的。这些量子化的能量被称为energy level能级。 当电子在半径为的轨道上运动时，这氢原子系统的能量等于原子核与轨道电子这一带电系统的静电势能和电子的动能之和，如以电子在无穷远处的静电势能为零，表示电子在第个稳定轨道上运动(即原子处于第稳定态)时氢原子系统的能量。由于量子数只能取1、2、3、…等任意integer mutiple正整数，所以原子系统的能量是discrete不连续的，也就是说，能量是量子化的。这种量子化的能量值称为能级。这个能量值与用实验方法测得的氢原子电离电势符合得很好。各稳定态，其能量大于ground state基态能量，随量子数的增大而增大，能量间隔减小。这种状态称为激发态。当时n趋于无穷时，r趋于无穷，E趋于0，能级趋于连续。原子处于ionisation电离状态，能量可连续变化不过这个玻尔所作为模型有一些情况他就不能解释，它只是对于氢原子这个光谱解释的很好，其他的原子都不行了，而且对于出现的hyperfine line晶体结构和这个Zeeman effect塞曼效应，晶体结构就说，我们之前不住暗光谱都是一条一条分立的线，可是随着这个设备的改良一把每一条线给它放大了看，它实际上是由若干条细线构成了这条谱线的经济结构，塞曼效应说的啥呢说这个原子你的放到磁场下，然后后你再去看他的光谱，他这个原来的一条线就分裂成三条线了，那就证明一定是跟磁场有反应了什么东西可能跟磁场有反应了电磁学告诉我们，磁场怎么样才能有差距呢？旋转呗？这波尔的这个模型里边刚好有angular momentum角动量量子化，说的轨道一圈一圈，也就是说两条轨道中间有夹角，这就相当于一个平面几何直接提升为立体，所以当时人们是在这条路上越走越远，越走越复杂，以至于十几年没有什么重大发现，人们都以为波尔是打开了量子力学的突破口，他也确实是打开了，只不过是刚一进门就卡住了。一种新的角动量为就是自旋，这个磁场起到什么作用这个磁场就起了一个测量的作用，就是说我现在这个电子，他是有自旋的但是我方向不知道，然后呢通过加一个竖直方向的磁场，这个电子就会分成了两个方向，而也就证明这个电子Particle spin自旋有两个方向一个是这个数值向上，另一个是竖直向下。玻尔说原子轨道是分立的，就是不连续的一层一层的，电子就只能在这些轨道上运行最里层的轨道能量最低 ，最外层的轨道能量最高，如果一个电子从高能轨道跳到了低能轨道或者是反过来从低能轨道跳到高能轨道这种行为就叫做跃迁，一般情况下 电子会趋于从高能到低能，就是低能态稳定，高能态不稳定 所以电子会趋于低能态稳定的状态。可是从高能到低能这能量有剩余啊，怎么办呢？就通过辐射电磁波的形式把多余的能量扔了，那如果想要从低能到高能就得吸收能量。这块能理解吧，那你肯定会问为啥低能态稳定，那有的电子还会处在高能态的位置呢？咋不是所有的电子都在低能态呢？这个问题是泡利给出的解释，叫做Pauli exclusion principle泡利不相容原理，泡利说 每个轨道一共就那么几个位置 先到先得，假如最低能量的轨道已经有电子了，一共就俩位置满了，那不好意思，第三个电子就只能选择别的轨道了。13.png (27.02 KB, 下载次数: 4)
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标准模型问世 标准模型共61种基本粒子。包含Fermion米子及Boson玻色子——费米子为拥有半奇数的自旋并遵守泡利不相容原理（这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态）的粒子；玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不相容原理。简单来说，费米子就是组成物质的粒子而玻色子则负责传递各种作用力在众玻色子中，只有Higgs boson希格斯玻色子不是规范玻色子。而负责传递引力相互作用的玻色子——引力子则未能得到实验数据的支持与验证。标准模型包含了十二种“味道”(Flavor) 的费米子。组成大部分物质三种粒子：质子、中子及电子，当中只有电子是这套理论的基本粒子。质子和中子只是由更基本的夸克，受强作用力吸引而组成。费米子可以分为三个Generation“世代”。第一代包括电子、up and down quark上及下夸克及电子，Neutrino中微子。所有普通物质都是由这一代的粒子所组成；第二及第三代粒子只能在高能量实验中制造出来，而且会在短时间内衰变成第一代粒子。把这些粒子排列成三代是因为每一代的四种粒子与另一代相对应的四种粒子的性质几乎一样，唯一的分别就是它们的质量。例如，电子跟μ子的自旋皆为半整数而电荷同样是-1，但μ子的质量大约是电子的二百倍。原子核实际上就是由带正电的质子和不带电的中子组成的然后这个原子核的外围围绕着电子这就是我们熟悉的原子模型啊之前聊到的那个问题，原子核里没有电子 怎么会放出β射线呢？费米给出了β衰变理论 这个理论也得到了证实说β粒子就是高能电子束就是原子核的衰变产生的什么力量能够使原子核衰变呢？费米说是一种新的力量 叫做weak force弱力。14.png (157.61 KB, 下载次数: 5)
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到这为止 这个问题似乎也得到了很好的解决，不过新问题很快就来了，还是一个很头疼的问题，什么力量能够使质子和中子老老实实的就在原子核里呆着呢？它俩怎么不像电子一样满街跑呢？能是EM force电磁力么？你看 我们熟悉的电磁力有个特点同性相斥异性相吸 对吧？这就奇怪了 质子带正电中子不带电它俩之间显然不感冒，不过质子和质子之间的电磁力可是同性repulsion相斥的，这就看出来肯定不是电磁力啊，氦核才有两个质子啊 那比较重的原子核有的有100多个质子呢 他们也能挤在原子核里要是电磁力早都相互弹开了 不是电磁力那引力呢？也不能是引力，质子和中子受到的力有一个特点，就是这个力只在原子核范围内有效，也就是10^-15m有效，出了原子核就立刻消失了，比如说轰击质子 只要没把质子轰击出原子核以外它就出不去 只要把质子轰出原子核一点点，这个力立马就没了 质子就高速逃脱了，说白了， 这个未知力是一个短程力，就像是有一层隐形的胶水儿一样，而我们熟知的引力和电磁力都是长程力看来这又是一种没见过的力量，所以当时的物理学家把这个力给起了个名叫做核力，也叫做强相互作用，当时的电磁力人们有了一种新的认识，海森堡最早提出了交换力的概念，简单说说是咋回事，你看我们正常理解引力和电磁力，其实我们只是默认承认了有这个力，你比如说引力，两个大质量星球可以相互吸引为啥呢？因为具有万有引力，可是你细想这并不是本质原因啊，就是为什么会具有万有引力呢？其实这个问题到现在也没有彻底解决，就是牛顿只是总结了一个现象并且屡试不爽 ，所以有了引力定律，电磁力也是一样啊 同性相斥异性相吸背后的原因是啥呢？我们也不知道电磁力具体产生的原因，反正知道有这个力 还有公式我能计算，但是量子力学出来以后 人们貌似找到了一个原因，就是量子场论中量子电动力学的基本假设，在量子电动力学中认为电磁力是通过交换photon光子来实现力的相互作用的准确的说是虚光子 你还看不到，举个例子比如说这有两个质子，它俩都带正电 为什么会相互排斥呢？就相当于 ，注意是相当于，这个质子ber~发射一个光子打它，这个质子呢也发射光子打它所以它俩就越来越远，当然大家别较真，这种方式只是处理问题的一种手段，电磁力就是靠光子来传递相互作用，引力呢？靠引力子，不过引力子到现在也没发现 还是未解之谜.，弱力靠什么粒子传递呢？靠W粒子和Z粒子，根据电磁力一类比那强力就应该也是通过一种粒子来传递相互作用的呀？什么粒子呢？如果想要达到核力这么大的力，那作为交换的这个粒子，它的质量就应该大约是电子静止质量的200倍左右，它的寿命特别短 只有10^-7s左右,新粒子起了个名叫做介子吧。大家都有一种感觉，就是万有引力公式和电荷之间的库仑力公式长得特别像所以引力和电磁力应该很好统一吧？这个问题爱因斯坦思考了后半辈子都没有结果，这不是三言两语能说清的，甚至人们一度认为引力是不能被统一的，所以弱电统一之后人们最先考虑的是怎们把强力统一进来，电磁力、弱力、强力三种力统一的理论就叫做，大统一理论（Grand Unification Theory）简称GUT理论，另外一个人给出一个理论叫做SU大统一理论，不过后来被实验证实不对 与实验不符，然后又相继出现了很多变种，什么超对称大统一理论等等，这些大统一理论都有一个统一的预言 就是质子的衰变比如说有的大统一理论就预言说质子的衰变期是10^31年左右，可是这怎么验证啊， 谁也耗不过质子啊，还有的理论预言了磁单极子，说在宇宙大爆炸时期应该产生了一些磁单极子，不过到现在也没有发现，所以大统一理论虽然在理论上已经有了，但是在实验上仍然没有被证实。15.png (122.42 KB, 下载次数: 5)
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