孟胜：原子的故事——解读原子的奥秘【云里·悟理-第8课】

第八课

原子的故事——解读原子的奥秘

主讲人

《云里 · 物理》系列微课简介

上节课我们学习了一些原子的基本知识，这节课我们将认识原子是由什么组成的，而且有没有一些奇怪的、不同于我们所熟悉的原子的粒子。

原子的“身高”和“体重”

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世界万物由原子组成，那么原子有哪些基本性质呢？

原子的性质

原子有确定的大小，它的大小大概是一个，也就是10-10米。这里说的是原子中电子轨道的大小，而不是原子核的大小——原子核的大小要比这个小得多得多。

原子有确定的质量，也就是所谓的相对原子质量。这里有一个简单的规则：只要数一数原子里面有多少个质子和中子，它的相对原子质量就是多大，因为原子的质量都集中在质子和中子上面。比如碳有6个中子、6个质子，那么它的相对原子质量是12。

为了联系微观和宏观，人们采用“阿伏加德罗常数”来联系宏观和微观的质量。阿伏加德罗常数也称为一个摩尔的原子数，它大概是6×1023 个。也就是说，1摩尔的碳原子，它是多重呢？6×1023个碳原子，它的质量是12克，那么单个原子的质量也就很容易得出了。

原子有多少种类？如果按原子中的质子的数目来分，大概有100多种——这就是我们所熟知的100多种元素；如果按照原子中的中子数再把它细分，大概有近千种——也就是几百种不同元素的同位素。

原子另外一个很重要的性质，就是会发光，而且会发出特定的光。

原子光谱

比如把一小粒食盐放在火上去烧，我们很容易就看到黄色。这是因为食盐中的钠离子，它的特征发光能够产生两道明亮的黄线。不同的元素会发出不同的光，这样我们不仅可以证实物体中这种原子的存在，而且可以明确地指出来它是哪种原子。就好比指纹，它可以用来鉴别物质的成分。

数学形式的原子

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根据原子发光的性质，人们对原子的基本构成又有更深入的理解。这个方面的先驱是玻尔。玻尔在思考“原子为什么会发光”、“为什么会发特定的光”的时候，提出了所谓的玻尔原子模型。他认为原子之所以发光，是因为原子中的电子具有确定的轨道，电子在不同的轨道之间跃迁，就会发射出能量等于这两个轨道能量差的光线来。

波尔原子模型

轨道能量的公式是

轨道半径的公式是

它们都有非常确定的数学关系，这是玻尔的主要的贡献。但是玻尔的原子模型仍然是比较粗略的，并不太精确，甚至有很多的问题。比如说“为什么电子就会待在确定的轨道上，而不会辐射电磁波，不会变得不稳定”，玻尔并没有解决这些问题。

进一步的发展建立在20年代，人们建立的量子力学的基础之上。根据量子力学——现在我们所知的最精确的理论——我们能够确切地了解每个原子周围电子的分布情况。电子是按照轨道分布，而且一个轨道上有确定的能量、确定的动量、确定的数目，甚至还有一些特别的空间分布，比如说电子在原子周围的分布。

量子力学模型

而了解原子的性质，只需要通过量子力学的薛定谔方程。

薛定谔方程

这个方程虽然看起来复杂，但是它是可以计算求解的。所以有了量子力学，我们完全可以用数学的方式来理解原子的性质，而且得到和实验观测非常一致的结论。这是当前对原子最重要的认识。

用数学的办法来理解这些原子的性质，就会产生我们所熟知的元素周期表。元素周期表是实验规律的总结，但是因为现在对原子的性质了解得如此透彻，我们完全可以用数学的方法来理解所有原子的性质。用量子力学加上数学解法，我们可以知道元素周期表中每一个元素的性质。

元素周期表

原子变身术

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原子另外一方面的性质就是它的稳定性。小原子是非常稳定的，但是当原子变大了之后，它也可以变得不太稳定。比如说很重的铀元素，它在一段时间内会分裂成两个原子——钡和氪，同时产生一些中子。如果这些中子被别的原子核俘获，就会引发别的原子核继续分裂，产生更多的中子。所以一个原子分裂，导致其他原子分裂，最终导致更多的原子分裂，这就是链式反应，也就是核裂变。核裂变产生了原子弹 ，产生了原子反应堆，这种发电的新技术是我们能源的主要来源之一。

核裂变反应

核聚变反应

链式反应

除了核裂变，原子还可以通过碰撞来组合成更重的元素。比如氘核和氚核，它们都是氢的同位素，如果这两个原子高速碰撞，它们就会产生一个氦原子核，同时也产生一个中子。这个过程当中有一部分质量损失了，转化成巨大的能量。核聚变也可以作为能源的来源，比如太阳中的能量都是来自于核聚变。但是人类和平利用这种聚变的能量的目标还没有实现。

原子家族的怪物

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除了由电子和质子、中子组成的原子核，世界上其实还有一些其它的奇怪一点的原子。在这方面，大家都很熟悉的是所谓的反物质的原子。原子核周围有很多的电子，电子是带负电的粒子，在平面电容器里面会偏转。但是有一类电子，它不仅不带负电，反而带正电；它在平板电容器中会产生相反方向的偏转。这就是所谓的正电子。

反物质原子

正电子最初来自于英国科学家狄拉克的一个理论预言。他是在用量子力学来理解原子性质的时候，发现必须有一种解——要产生带正电的电子。他把这种电子叫做正电子，正电子后来在实验上得到了证实。

如果一个正电子、一个反质子和反中子组成一个新的原子，那这个原子就是反物质的原子。反物质的原子和正常的原子相比，它的外层是带正电的，而原子核是带负电的，这非常奇怪。就好比这个原子在照镜子一样，产生了相反的世界，它和正常的原子相遇会湮灭，放出巨大的能量。

除了这种由普通的电子和质子组成的原子，还可以有别的原子。比如电子除了被正电子所替代，还可以由μ子来替代。μ子的性质和电子的性质非常相似，但是两者静止质量相差210倍左右。也就是说，μ子围绕质子运转形成的新的原子，它的大小会比正常的原子小很多。μ子也可以用在探测很多的物质成分上，变得非常有用。

μ子原子

除了这些反物质原子、μ子原子，可能还有一些更奇怪的原子，比如说我们都熟悉的中子星。中子可以认为是0号元素，因为它不带任何的质子。而整个星体全由中子组成，可以认为是一个巨大的原子核，它不带任何正电，所以也不需要任何负电子，它本身就可以当成一个孤立的、单个的原子。这是一个非常奇怪的原子，在宇宙空间已被证实存在。

从原子到基本粒子

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刚才提到不仅有电子、质子、中子，还有些奇怪的粒子，比如说μ子和中微子等等这些稀奇古怪的粒子。但是这些粒子到底有多少？有哪些性质？是怎么样的？

过去的几十年，人们获得了大量关于粒子的知识，探测这些粒子通常是通过所谓的云室。一个盒子里面充满了水蒸气，这些粒子通过这些水蒸气的时候，会产生气泡。根据这些气泡我们就可以判断这些粒子的轨迹，从而可以推出这些粒子的带电量、质量等等基本的性质。

云室

根据云室以及其他的一些手段，人们发现宇宙间奇怪的粒子太多了。除了μ子、中微子，还有τ粒子，还有各种强子、各种介子。

这些丰富多样、各种各样的粒子组成了一个巨大的家族。粗略来说可以分为两大类，一类是玻色子，自旋的状态为整数；另外一类称为费米子，自旋状态为半整数。玻色子包括光子、W粒子、Z粒子；费米子包含强子和轻子。轻子是类似于电子的粒子，它们的质量可能与电子不太一样，但是其他性质都非常相似，比如说都带一个负电荷；强子又分为重子和介子，介子一般是质量比重子略小的粒子。

粒子家族

这些基本粒子有各式各样的确定的性质。比如不同的粒子，它们会有不同的确定的质量，特定的电荷，特定的自旋。它们甚至有一些奇怪的性质，比如所谓的宇称。宇称是指粒子内部的空间分布以及同位旋、质子数和中子数等这些性质。了解了这些粒子，我们就进入了所谓的亚原子的世界。

亚原子世界：

夸克的“色”与“味”

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刚才已经提到原子（比如碳原子）是由电子和原子核组成，原子核是由质子和中子组成。那一个质子是怎么组成的？

亚原子世界

一个质子，人们认为是有三个小颗粒，这三个小颗粒称为夸克，有时候也叫部分子。这些夸克之间通过一种相互作用的粒子——胶子——来联系在一块形成一个整体。夸克和电子的性质比较类似，但是它带的电荷是分数个电荷。三个夸克组合在一块可能不带电，也可能带一个电荷。举个例子：氦原子核。它的外层有两个电子，但是原子核内部是由两个质子和两个中子组成，每个质子和中子都是由三种夸克和很多的胶子构成。

夸克和胶子

我们发现夸克有非常特别、非常奇怪的性质，它甚至可以有自己的颜色、自己的味道，以及其他一些特别的性质。注意，这里面的颜色和味道只是人们形象的称呼，并不是说真正的颜色。比如，组成中子的三个夸克一定是红色、蓝色和绿色，这样的话它们组合在一块才成为白色。这是指这三个夸克有不同的特性，这三个特性要组合在一块形成一个稳定的状态，我们称之为白色的状态。

而不同的夸克的味是指不同的类型。比如有上夸克，有下夸克，还有顶夸克、底夸克等等。

这些夸克、电子、光子、胶子等等，组成了我们现在对这些基本粒子的认识；换而言之，这么丰富的基本粒子，它们的基本成分可能也是非常简单的。大概分为这几类：六种夸克 、三个轻子和三个轻子所对应的中微子。这是组成物质世界的基本成分。

标准模型

同时还有一些传播相互作用的粒子——玻色子，比如说W玻色子、Z玻色子。光子是最典型的传播电磁作用的基本粒子，胶子是传播强相互作用的基本粒子。

基本粒子中还有一个非常热门的粒子，叫上帝粒子，前几年引起了广泛关注。所谓的上帝粒子就是希格斯粒子，而希格斯粒子又是什么呢？在宇宙诞生之初，能量非常高，所有的粒子在质量分布上都是处于原点的附近，也就是处于不带质量的状态。但是这些粒子随着宇宙的冷却，它们和希格斯场进行相互作用，在质量分布谱上逐渐偏离了原点，产生了确定的质量。换句话说，这些基本粒子之所以有确定的质量，是因为和希格斯粒子有相互作用。希格斯粒子改变了它们存在状态，产生了质量——这也是宇宙中质量的来源。

上帝粒子：希格斯(Higgs)粒子

“行迹不明”的粒子们

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这些都是确定存在的粒子，除了这些还有什么粒子呢？还有一些人们现在还不能确认的粒子，比如前两年比较热门的引力波。引力波人们已经探测出来，是两个黑洞或者是两个天体运动的时候产生的空间的一种扭曲，这种扭曲我们能够直接探测，从而确认引力波的存在。

但是按照量子力学，一切波都应该是由粒子组成的。那么和引力波对应的引力子存在不存在，现在我们并不知道。所以引力子是不是一个真实的粒子，现在还没有答案。

引力波和引力子

还有一些所谓的天使粒子，也就是马约拉纳粒子，它是指一个粒子既是正物质又是反物质，是正物质和反物质的天然的组合，好比天使和魔鬼都组合在一块儿，所以被称为天使粒子。

天使粒子

另外一种粒子就是所谓的磁单极子。我们知道单个电荷——正电荷、负电荷——是存在的。而一个磁铁，它有磁北极、磁南极；单个的磁北极、磁南极能不能存在，在现实生活中我们并没有发现。但是原则上或者是理论上，它可以存在，但是为什么探测不到，不得而知。

磁单极子

还有一种粒子就是所谓的轴子，它是一种特殊的光子，和光子类似。目前的电磁波都是横波，它是由普通的光子作为媒介。如果有轴子所媒介的电磁波的话，电磁波就不一定是横波了，它可以有纵波的形式，这也非常奇怪。但是轴子是不是存在，人们并不知道。

轴子

由演而生的准粒子

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除了这些粒子，还有一类粒子我们称之为准粒子，或者说是一种生成的、演生出来的粒子这种概念。它是怎么回事？回想一下我们很熟悉的游戏——多米诺骨牌。多米诺骨牌是由一个个的小骨牌或小方块摆在一块组成，如果我们压倒开头的一个骨牌，它就会像波一样压倒后面的骨牌产生一个波纹，这个波纹可以看作是一个粒子的运动。也就是说这个波浪本身就像一个粒子的行为，但实际上它并不是由某一个骨牌组成的，而是这些骨牌集体运动所产生的行为，这一类的粒子我们称为准粒子。

多米诺骨牌

最常见的准粒子存在固体中。固体里面有原子存在，而原子会振动。如果原子的振动按照特定的模式，它就可以产生一个像波的东西，这个波的行为可以用粒子来描述，一般称为声子，它是一种典型的准粒子。

声子

还有在超导体和拓扑的材料组成的界面上，有一些粒子的行为既是正粒子又是反粒子，就组成了所谓的马约拉纳粒子，它也是一种准粒子。

马约拉纳零能模

还有在固体里面，我们看到有一些特殊的准粒子，它对应的所有的磁的状态，都是指向它自己，或者是全从它自己指向外面——这非常类似于磁单极的概念——这种叫做外尔手性粒子。

外尔费米子

是点还是线——

这是一个问题

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，

那么一个重要的问题是，这些基本的粒子，比如说电子、夸克，有没有结构？它又是由什么东西组成的呢？最新的观念认为，这些基本的粒子可能也是有结构的，这个结构也许不是以点粒子的状态存在的，而是以一维的弦的状态存在。

也就是说，宇宙空间在很小很小的尺度上充满了很小很小的线。这些线有不同的运动方式，这些运动方式就对应于不同的粒子。用这种观点，人们可以把所有基本粒子的性质和它们的状态都统一理解——这就是所谓的弦理论。

弦理论

人们甚至可以更进一步地认识到，这些弦代表着某种状态，这些状态的信息就对应于这些弦不同的激发，这些不同的激发才产生了所谓的粒子，产生了现在的物质世界。这些弦的状态或者弦的信息量决定了我们这个世界物质的存在，也就是信息导致了物质世界。这个听起来有点像唯心的观点，但是实际上有非常深刻的道理。至于这个弦理论是不是真实的描述现在的世界的理论，人们并不知道，所以仍然是一个假想状态的理论。

关于基本粒子是怎么组成的，还有另外一派的观点。这一类的观点是，基本粒子不一定由更小的粒子组成，而是有可能是由更大的粒子集体运动、集体合作产生的——也就是生成的，并不是小的组元构成的。

人们在80年代发现了所谓的分数量子霍尔效应。分数霍尔效应是指对在平面内运动的粒子，我们测量它的电阻，如果这个粒子带有一个电荷，那么电阻就是一个平台；如果它带有两个电荷，电阻就会是更小的平台。

分数量子霍尔效应

但是除了这些整数的平台之外，人们还发现了2/3 、1/3甚至其他比例的平台。根据同样的推测，人们可以假定，组成这些电流的粒子就应该带有分数电荷，比如说1/3个电子的电荷、2/3个电子的电荷，带这些电荷的粒子就特别像一个夸克了。也就是说，夸克这样的基本粒子，有可能是大量的粒子组合起来生成的——这就是所谓的基本粒子可能是演生出来的，可能是更大范围内的物质成分组合出来的。

“一粒沙中见世界”

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刚才讲的形形色色的存在和可能存在的粒子，是不是构成这个世界的全部？其实不是的。刚才提到的这些粒子，充其量只能组成我们世界5%的成分，也就是5%的可见成分。

那么其他的成分还有什么呢？它包括27%的所谓的暗物质，即现在还没法感知、没法探测的粒子。除了暗物质之外，还有一些可能不以物质确定状态存在的所谓的暗能量，它占了宇宙68%的成分。

暗物质和暗能量

那么人们怎么知道这些暗物质和暗能量的存在呢？这是通过一些理论结合实验观测分析得到的。比如根据爱因斯坦的广义相对论，我们知道光线碰到大质量的天体会弯折。如果我们在宇宙中看到有一片区域光线弯折了，但是那个区域并没有任何熟悉的已知的可见物质，那么这个区域里面到底是什么东西导致了光线的弯折？可能就是现在还没探测到的所谓的暗物质。

那么暗物质到底是由什么组成的？现在人们对此并没有任何的了解。它可能是轴子组成的，也可能是引力子对应的费米子组成的，也可能是中微子对应的玻色型的中微子组成的，甚至是一些假想的弱相互作用的粒子。确切的暗物质到底是什么，人们并不知道，这现在还是科学研究的前沿。

由于这些知识，人们提出了关于这个世界的一种贪吃蛇的理念。贪吃蛇是古埃及神话中的一个传说的动物，它是咬着自己尾巴的一条蛇，叫Ouroboros，或者说咬尾蛇。这个蛇联系了极大和极小的物质世界。

贪吃蛇

电子非常稳定，电子又非常小，它的内部结构人们并不知道。如果想探测这个电子是由什么组成的，可能需要巨大的能量才能把这个电子打开，从而探知它的内部结构。但是巨大的能量有可能会产生一个大爆炸，产生一个新的宇宙，甚至产生了星系、天体、周围的物质。所以为了探测这种极小的物质，也许我们不得不了解这些极大的物质。或者说，为了了解整个宇宙的秘密，也许我们需要知道一个电子它的内部到底由什么组成的、到底是不是弦。

极大和极小以这样一种神奇的方式联系在一块儿，物质世界就是这种极大和极小相互关联的所组成的世界。这是一种非常神奇的、非常有启发性的观点。

总结一下：世界万物都是原子组成的，这是一个非常重要、非常核心的观念；而这些原子有确定的结构，原子是由基本粒子——比如电子、甚至原子核里面的夸克和胶子——组成的；这些基本的粒子，可能不是由更小的粒子构成，而是由更大的结构集体运动所生成的。这些生成的所谓的准粒子和真实存在的这些粒子，到底哪个更真实，这是一个有趣的问题。

现在了解了这些知识，我们再看一看周围的世界。比如课桌，我们知道它是由一个个的原子所组成的。这些原子有内部的原子核和电子结构，但是这些结构有没有可能像梵高的《星空》这幅画所展示的那样，这些星星实际上是由漩涡组成的，这些漩涡反而是更基层的、更真实的存在？这些漩涡的运动导致了我们可见的星星。是不是这样一个道理呢？

《星空》

通过这两节课的学习，大家是不是觉得周边的物质世界非常的神奇呢？大家了解了原子的知识，是不是再看一看周围的物体，眼光会有所不一样呢？

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主办单位

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出品单位

悟理学院

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校对：Dannis

编辑：fengyao，米老猫