粒子结构
2022/1/28
粒子是物理学概念。宏观物质由很多微观成分构成，其中能独立存在，相对稳定，并保持物理化学特性的最小单元是分子。分子由原子构成，也有些物质如金刚石、铁等直接由原子构成。化学反应中分子会改变，原子则不会改变。
不同种类的原子被称为元素，目前已发现118种元素。“原子”在希腊文中是“不可分割”的意思，但研究表明原子是可分的，电子、质子、中子和光子是比原子更基本的粒子。原子由原子核和电子构成，核内又包含质子和中子。每种元素单质的原子是电中性的，核内质子数和核外电子数相同，称为原子序数，是决定物理化学性质的重要因素。核内中子和质子数之和称为质量数，也叫原子量。原子的质量近似等于原子量乘以质量常数，这是因为质子和中子的质量很接近，而电子质量很小。
在化学课本上，我们能找到原子结构的示意图，它表示了原子核及电子轨道的排布情况。化学性质与电子排布关系密切，根据这一点可绘制化学元素周期表。
同一元素的原子核中质子数相同，中子数不一定相同。有相同质子数和不同中子数的元素在周期表中占同一格子，称为同位素。有些同位素会放出辐射，转变为其他元素、其他同位素或释放能量，称为放射性同位素，这种转变称为放射性衰变。根据辐射性质，衰变分为放出氦原子核的阿尔法衰变，放出电子的贝塔衰变和放出光子的伽马衰变。对原子核内结构的研究正是从观察自然衰变开始。之后，人们又研制出粒子加速器，用粒子轰击原子核人为制造衰变，进而开发出核能和核武器。
插图：苏盼盼
通过加速器和天文观测等手段，已发现的粒子越来越多，累计已达四百多种，大大超过元素数量。同时，也发现了质子和中子更加基本的结构，称为夸克。这些粒子可分为三类：
强子。夸克参与强相互作用，但不能被直接观测或独立分离，而是结合成“强子”。质子和中子是典型强子，但大部分强子不稳定，寿命很短。
轻子。只参与弱相互作用、电磁和引力作用的粒子。电子和中微子是典型轻子。轻子本来是质量很轻的意思，但也存在质量超过质子的“重” 轻子。
传播子。传播相互作用的粒子，典型的就是传播电磁相互作用的光子。
粒子有质量、电荷、自旋等多种特性。其中，不带自旋或带整数自旋的是玻色子，光子是典型玻色子；带分数自旋的是费米子，电子是典型费米子。
随着科学技术水平提高，对粒子结构的分析将进一步深入。2012年，欧洲核子研究组织宣布通过大型强子对撞机发现更基本的“希格斯”玻色子，它可以通过相互作用为其他粒子提供质量。
本文作者：
李晓航，中科院物理所博士，从事超导行业。
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编辑：Lulucky
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