基本粒子与物质结构（大众简明读本）

顾汉现

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2016-4-24 14:38

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基本粒子与物质结构（大众简明读本）

【本文包含对“中国公民科学素质基准”中某条目的更正】

施郁

（复旦大学物理学系）

物理学家经过很多年的努力，建立了粒子物理标准模型，包含若干基本粒子。其中有6种夸克、6种轻子以及每种粒子的反粒子（正反粒子的质量一样，电荷和某种称作“味道”的性质相反），还包括传递电磁相互作用的光子（“相互作用”可俗称为“力”，是力的积分形式）、传递弱相互作用的正负W粒子和中性Z粒子、传播递强相互作用的胶子，以及使得其它基本粒子获得质量的希格斯粒子。

6种夸克中有2种构成质子和中子。具体来说，2个上夸克（带2/3正电荷）和1个下夸克（带1/3负电荷）组成1个带正电的质子，1个上夸克和2个下夸克组成1个不带电的中子。

质子和中子组成原子核，原子核与电子组成原子，原子组成分子以及凝聚物质，从而构成我们周围的宏观物体。这只是粗略的说法，比如在金属中，原子核和内层电子构成的正离子形成骨架，另有电子在这个骨架间运动，而不是专属某个正离子。

另外，并不是所有的宏观物质都由原子组成。比如，带正负电荷的粒子还可以形成没有固定形态的等离子体（包括由正离子和电子构成的常见的等离子，也包括其它的等离子体，如夸克胶子等离子体）。宇宙中还有全部由中子组成的中子星，可能还有以奇异夸克为主的奇异星，等等。电磁波完全由光子组成。

电子是6种轻子之一，与之类似的轻子还有缪子和陶子，它们仨分别有一个“味道”相同的中微子，被称作电子型中微子、缪子型中微子和陶子型中微子。

除了上夸克、下夸克和电子，其他夸克和轻子并不自然地存在于原子中，因为它们（除了中微子）寿命很短，在弱相互作用支配下很快就衰变掉，但是它们可以由其他粒子碰撞产生。奇异夸克也可能以大量聚集的形态克服不稳定性、在宇宙中存在。各种中微子都是稳定的，但穿透性很强，它们不是原子核的组分。光子不是原子的组分，但是原子中的电子能级的变化往往伴随光子的产生或吸收【相关文章1的链接；相关文章2的链接】。

粒子物理标准模型将电磁相互作用与弱相互作用统一起来，也包括强相互作用。但是它不包括引力，因为少量基本粒子间的引力相对来说完全可以忽略。但是大量粒子的聚集就有很大的引力效应。暗物质就是通过引力效应推测的，但目前还没有直接探测到暗物质粒子。

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