五分鐘帶你認識原子、分子、量子等

在生活當中，我們經常會聽到一些物理學名詞，如分子、原子、量子等，我們對這些詞既陌生又好奇，今天我們來一探究竟。

量子

在現代物理學中，所有帶有量子效應的粒子，都不能用宏觀世界的認知去推測，理解其的行為，於是物理學家們便將這粒子稱之為量子粒子。在上述介紹中我們可以看出，量子一詞頻繁出現，那麼什麼是量子？首先，我們要明確，量子並不是單指哪一種粒子，而是一種單位。最初，普朗克研究黑體輻射時，發現光以小份能量的形式離散，便稱之為量子。量子一詞的本意為包、離散。曾經有這樣一句話，你無論撒出多大的謊言，量子力學也能幫你天衣無縫地圓回來。由此可見，量子的力學是多麼神奇，在量子這一基本單位下，有許多粒子，它們體形相差巨大，讓我們了解一下。

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原子

先來談一下原子，可以這樣說，世間大部分事物都由原子組成。也就是我們身邊的筆、紙、椅子、杯子，再到雲、水、冰，或更大、離我們更遙遠的太陽、月亮、仙女座、半人馬星，還有你和我，無一例外，都是那微乎其微的原子構成的。不僅如此，目前人類所製造的破壞力最強的武器——原子彈，工作的原理便是原子內部核子與電子的分離。

初中時我們都學過原子內部結構，知道它是電中性的，也就是在它其中含有帶正電的物質。而這種物質就是原子里的重量級選手——原子核，之所以這樣稱呼它，有兩個原因：一是它質量占整個原子的大部分，名符其實，二是它是原子的核心，位於原子的中央，在其四周圍繞着不斷做運動的電子。電子運動不是無規律的，它延着能級運動（為了能更形象地認識能級，我們可以將能級看成鐵軌，電子就像火車行駛在軌道上一樣）。另外，電子是負電荷，能被正電荷所吸引。

雖然我們認識原子用不了多長時間，但人類對原子結構的認識過程，就好似一個盲人在黑暗中小心前行，經歷了相當漫長的時間。1803年，人類史上第一個原子結構模型誕生，是道爾頓提出的實心模型，這個模型有許多問題，無法對一些現象做出合理解釋。

於是，第二個模型誕生：1904年約瑟夫約翰湯姆遜認為原子是一個帶正電荷的球，電子鑲在其中，就像一塊含有葡萄乾的圓餅乾。這個模型與第一個模型相比，有了不少提升，但還有一些細節不盡人意。

直到1911年，一個名為盧瑟夫的人用α粒子轟擊金箔，提出了一個經典模型——行星模型，在此之後的幾種模型，都是由行星模型稍加改變而得來的。行星模型，顧名思義就是將原子內部結構看成太陽系，太陽是原子核，因引力而圍繞在太陽四周的地球、水星、金星等都為電子。這個模型，幾乎完美呈現了原子內部結構，對物理學來說無疑是一個奇蹟，從極大程度上推動了物理學的發展。之後，他的學生波爾，又在行星模型基礎上又加上了能級，電子延着能級運動。關於原子結構模型發展史我們暫時講這麼多。

質子與中子

接下來，我們說說質子和中子。原子核正是由質子與中子組合而成的，質子帶有正電荷，而中子不帶電。根據前文所說的，電子帶有負電荷，所以一個質子吸引一個電子。將這句話放到原子層面來說，便是在一個原子中，如果沒有其它情況，質子數應等於電子數。在日常生活中，我們多多少少聽到過中子星這個詞，這便是恆星在由引力向內坍縮時因為產生了極高的溫度所以導致原子中電子、質子與中子相互分離，分離出來的電子與質子不斷組成中子，而中子又有泡利不相容原理為自己撐腰，所以能和引力抗衡，坍縮由此結束，恆星也變成了密度極大，全由中子構成的中子星。這段話並不重要，因為我們跑題了。

言歸正傳，讀到這裡你可能會想，既然原子核是由原子和質子組成的，那麼質子、中子又由什麼組成？科學家是否發現比質子、中子和電子還要小的物質？

夸克

事實上，科學家們曾為了找到這兩個問題的答案，曾經想要轟開質子，但失敗了。他們發現在轟擊質子的過程中，在質子身上出現了三個散射角度，也由此確定了質子由三個更小的粒子組成：兩個上夸克和一個下夸克。那時，人們曾一度認為夸克便是組成萬物的基本物質，便叫它基本粒子。但現在，「基本粒子」這一概念正逐漸被人們所冷漠，原因是人們認為基本粒子，也可能是由某種未知的更小的粒子組成。在這裡要注意，夸克是一種粒子的種類。在這個種類之下，按照自身能量與旋轉角度，又分為六類，每一類被稱為一味，分別是上夸克、下夸克、粲夸克、奇異夸克、頂夸克、底夸克。

強相互作用

好了，我們繼續往下講。知道質子由夸克組成，那不防猜一猜，夸克由什麼組成？要解答這個問題，我們首先要轟擊單個夸克，但可惜的是，自然界中所有的夸克都是以集體的形式出現，目前人類文明的科技水平還不足以把單位夸克從集體中分離出來。這便是夸克的禁閉性，強相互作用的一種。我們不禁會產生疑問，大自然中為什麼不可能出現單個的夸克？要回答這個問題，首先要明白強相互作用。可以這樣說，一個夸克與另一個夸克之間，有一根橡皮繩將它們連接在一起，而這根橡皮繩便是強互作用的表現形式。當兩個夸克離得很近時，橡皮繩便沒有受力，所以兩個夸克便能行動自如，但如果兩個夸克離得很遠，橡皮繩就開始受力，用自身的彈力將兩個夸克拉回來，而且這種力量十分強大。正因為如此，人類才很難分離出單個夸克。

強子

等等，我們是不是還忘了什麼？是的，我們還不知道中子是由什麼組成。雖然在前文說過，質子與電子組成中子，但這只是在特殊情況下。正常情況下，質子由兩個下夸克與一個上夸克組成，恰好與質子相反。認識了夸克，我們再來認識一下強子、重子與介子。強子是一種亞原子，與夸克一樣，也是一個粒子種類的名稱。在強子之下，可分為重子與介子（注意這裡意為強子包含重子與介子，而不是重子與介子組成強子）。而重子，又是一類粒子的總稱，質子與中子就屬於重子，除它倆之外，種子還包括許多粒子，在這裡不詳細說明了。而介子是一種玻色子，用來傳遞核子之間的強相互作用。（說明一下，核子是質子與中子的統稱）這裡的強相互作用，也就是核子之間的相互作用，與前文所提到的夸克之間的強相互作用不同，我們以後再細說。

分子

說這麼一大堆，唯獨忘下了一個十分重要的粒子，分子。它由兩個或兩個以上的原子組成，有幾個特別之處，一是分子之間有間隔，二是一切構成物質的分子都永不停歇做無規律的運動，溫度越高分子擴散越快，這叫做分子的熱運動。舉個例子，我們用吹風機吹濕頭髮時，因為吹風機吹出來的熱風，導致頭髮溫度上升，而頭髮之所以會濕是因為有水分子存在，頭髮溫度升高會引發分子的熱運動，並導致水分子不斷向四周擴散，最終頭髮就會變干。我們將要說的這一點十分重要，分子有體積與質量，正因如此，你與我才會有身高和體重。最後一點，同種物質分子性質相同，不種物質分子性質不同，這說明了我們人類與螞蟻的DNA不一樣。