基本粒子的名单：中子、质子、电子

我们已经知道各种化学元素的原子有着相当复杂的力学系统，大量的电子围绕原子核旋转。那么，我们当然还要问下去：这些原子核究竟是物质结构最基本的不可分的最终单位，还是可以进一步细分成更小、更简单的部分？有没有可能把所有92种不同类型的原子减少为几个真正简单的微粒呢？

早在19世纪中期，这单纯的渴望就驱使一位英国的化学家威廉·普劳特开展研究，基于不同化学元素的原子的共同性质，他提出了它们只是不同程度“浓度”的氢原子这个假设。普劳特假设的依据是用化学方法所确定的各元素的原子量几乎都是氢元素原子量的整数倍这个化学事实。因此，根据普劳特的理论，比氢原子重16倍的氧原子就一定是由16个氢原子聚集在一起构成的，原子量为127的碘原子则一定是由127个氢原子聚合而成的，等等。

然而，当时人类在化学上的成就对接受这一大胆的假设非常不利。通过对原子量的测量，可以看出它们不能精确地用整数来表示，在大多数情况下，只能用非常接近整数的数去表示；而在少数情况下，甚至根本不接近整数（例如氯的原子量为35.5）。这些事实似乎与普劳特的假设正好相反，使其失去了可信性，这导致普劳特直到去世都没有意识到自己究竟有多正确。

直到1919年，英国物理学家阿斯顿的发现才使普劳特的假设再次得到证实。阿斯顿指出，普通氯是两种不同的氯的混合物，它们具有相同的化学性质，但具有不同的整数原子量：一种是35，一种是37，化学家得到的非整数35.5只代表混合物的平均值^[1]。

对各种化学元素的进一步研究揭示了一个令人震惊的事实：它们中的大多数元素都是由化学性质相同但原子量不同的若干成分组成的混合物。于是人们给它们起名为同位素，意思就是在元素周期表中占据同一位置的元素^[2]。事实证明不同同位素的质量总是氢原子质量的整数倍，这一事实给了被人们遗忘的普劳特假设以新生。正如我们在前面章节中所看到的，原子的质量主要集中在原子核，因此，普劳特的假设可以用现代语言重新表述，即不同种类元素的原子核由不同数量的氢原子核组成，由于氢原子核在物质结构中起重要的作用，因此被赋予“质子”这一特殊名称。

然而，对于上面的叙述有一个重要的修正。例如，以一个氧原子的原子核为例：因为氧是元素周期表中的第八个元素，它的原子必须包含8个电子，它的原子核也必须携带8个正电荷，但实际上氧原子的质量是氢原子的16倍。因此，如果我们假设一个氧原子核是由8个质子形成的，那么电荷数是正确的，但质量是错误的（两者都是8）；假设它有16个质子，我们得到的质量是正确的，电荷数是错误的（两者都是16）。

显然，要解决这个难题，唯一方法就是假设形成复杂原子核的一些质子失去了原来的正电荷，成了中性的电子。

早在1920年，卢瑟福就提出了这种无电荷质子的存在，也就是现在所说的“中子”，不过12年后它才被实验证实。这里必须指出的是，质子和中子不应被视为两种完全不同的粒子，而应视为处在两种不同带电状态下的同一种粒子，现在以“核子”命名。事实上，我们已经知道，质子可以失去正电荷而转化成中子，中子也能获得正电荷而转化成质子。

把中子引进原子核，刚才提到的困难就得到了解决。为了解释氧原子核重16个单位，但只有8个电荷单位这一事实，可假设它由8个质子和8个中子组成，质量为127个单位的碘，它的原子序数为53，所以就应有53个质子、74个中子。重元素铀（原子量为238，原子序数为92）由92个质子和146个中子组成^[3]。

因此，在普劳特的大胆假设诞生将近一个世纪之后，终于得到了应有的尊敬，光荣地被人类接受了。我们现在可以说，无限多样性的已知物质都不过是由两种基本粒子的不同组合形成的：（1）核子，它是物质的基本粒子，可以是中性的，也可以携带一个正电荷；（2）电子，带负电的自由电荷（见图58）。

图58　两种基本粒子的不同组合

下面是《万物炮制大全》中的一些配方，其中展示了在宇宙这间“大厨房”里每道“菜”是如何从堆满核子和电子的“食品柜”中烹制出来的：

水　将8个中性核子和8个带电核子结合在一起当作原子核，然后用8个电子组成的包层围绕原子核，如法制备大量的氧原子。将单个电子与带电荷的核子结合，制备出比氧原子多两倍的氢原子。在每个氧原子中加入2个氢原子就得到了水分子，把它们置于一个玻璃杯中，保持冷却状态，就是水。

食盐　制备钠原子时，以12个中性核子和11个带电核子为核，每个核配上11个电子；以18个或20个中性核子和17个带电核子（同位素）为中心，结合17个电子，制备等量的氯原子。将钠原子和氯原子按照国际象棋棋盘那样的格式在立体空间中摆开，形成规则的食盐晶体。

TNT　将6个中性核子和6个带电核子与6个附在原子核上的电子结合，制备碳原子。由7个中性核子和7个带电核子组成核，每个核周围有7个电子，制备氮原子。根据上述方法制备氧原子和氢原子（见水的制备）。将6个碳原子排列在一个环中，第7个碳原子在环外。将3对氧原子连接到碳环的3个碳上，每种情况下在氧原子和碳原子之间放置1个氮原子。碳环外附加的碳原子上加上3个氢原子，碳环中剩下的两个碳原子也各自连上一个氢原子。将获得的分子排列成规则的形状，形成大量的小晶体，并将所有这些晶体压在一起。注意要小心处理，因为这种结构不稳定，具有极强的爆炸性。

正如我们刚才所看到的，中子、质子和带负电的电子是构成任何物质所必要的组成单位，但这一基本粒子的名单似乎仍然有些不完整。事实上，如果普通电子代表负电荷的自由电荷，为什么我们不能也有正电荷的自由电荷，也就是正电子呢？

另外，如果作为物质基本组成单元的中子能够获得正电荷，从而成为一个质子，为什么它不能获得一个负电荷，成为一个负质子呢？

答案是，除了电荷的符号外，正电子与普通的负电子非常相似，实际上在自然界中确实存在。尽管实验物理学还没有成功地探测到负质子，但负质子也有存在的可能性。

在我们的物理世界中，正电子和负质子（如果有的话）不如负电子和正质子数量丰富的原因，在于这两组粒子是相互敌对的。大家都知道，两个电荷一个是正电荷，另一个是负电荷，当它们加在一起时，会相互抵消。因此，由于这两种电子只代表正、负电的自由电荷，人们不应该期望它们能在同一空间区域内共存。事实上，当一个正电子遇到一个负电子时，它们的电荷会立即相互抵消，这两个电子将不再作为单个粒子存在。此时，两个电子一起灭亡，这在物理学上称作“湮灭”。两个电子湮灭的过程产生了一种强烈的电磁辐射［伽马（γ）射线］，从相遇点射出并携带着两个消失粒子的原始能量，辐射的能量与原电子的能量相等。根据物理学的基本定律，能量既不能被创造也不能消失，在这里看到的只是自由电荷的静电能转化为辐射波的电动能。这一现象是由正、负电子的碰撞引起的。玻尔用“疯狂的婚姻”来描述这一现象^[4]，而较为悲观的布朗则称之为“双双自杀”^[5]。图59（a）展示了这场邂逅的情况。

湮灭过程的逆过程是“电子对的形成”，通过“电子对的形成”，一个正电子和一个负电子由γ射线的能量变化而来。我们说“显然”是因为实际上每一对新生的电子都是以消耗γ射线的能量为代价从无到有而形成的。事实上，为了形成一个电子对，辐射释放的能量必须与湮灭过程中释放的能量完全相同。电子对的产生过程，最好是在射线靠近某个原子核时发生^[6]，如图59（b）所示。我们早就知道，硬橡胶棒和毛皮摩擦时，两种物体各自带上相反的电荷，这也是一个两种相反的电荷从无到有的例子。不过，这也没什么值得大惊小怪的。如果有了足够的能量，我们可以产生任意多对正、负电子，不过要明白一点，湮灭的循环过程很快会使它们再次消失，同时全额偿还最初消耗的能量。

图59　两个电子的湮灭过程产生电磁波的示意以及电磁波靠近原子核附近时产生一对电子的过程示意

（a）电子对的湮没；（b）电子对的产生

有一个非常有趣的产生电子对的例子，叫作“宇宙射线阵雨”现象，它是由来自星际空间的高能粒子射到地球大气层中而产生的。这种在宇宙的广袤空间里向四面八方飞蹿的粒子流究竟从何而来，至今仍然是科学上的一个未解之谜^[7]，不过我们已经知道了当电子以极其惊人的速度轰击地球大气层上层时会发生什么。这种高速的原始电子在大气层中的气体原子的原子核附近穿过时，原有能量逐渐减小，变成γ射线放出（见图60）。这种辐射导致大量电子对的产生。新产生的正、负电子同原有电子一同前进，而新生的次级电子的能量也非常大，也会辐射出γ射线，从而有更多的新电子对产生，所以当原有电子最开始抵达海平面时，伴随着一群正、负各半的电子。当然不用说，这种高速电子在穿过其他大物体时也会产生簇射，不过由于物体的密度比较大，相应的分支过程的速度要快得多［见图版Ⅱ（a）］。

图60　宇宙射线阵雨的起源

现在让我们把注意力转移到负质子存在的可能性问题上。我们应该预料到，这种粒子可能是由一个获得负电荷或失去正电荷的中子形成的。这很好理解，但是，这样的负质子的存在时间也不会超过正电子，它是不会在我们这个物质世界中长久存在的。事实上，它们将会被附近的带正电的原子核立刻吸引并吸收，并且进入原子核结构内部之后很有可能变成中子。因此，即使这种负质子确实作为基本粒子的对称粒子而存在，它也是很难被发现的。要记得正电子的发现是在科学引入普通负电子的概念之后又过了半个世纪才发生的事！假如负电子存在，那我们就可以顺其自然地想到所谓反原子和反分子也可能存在。它们的原子核由和一般物质中一样的中子和负质子组成，并且外围不得不围绕着正电子。这些“反原子”的性质和普通原子的性质完全相同，所以没有办法看出水与“反水”、黄油与“反黄油”等东西之间有任何不同。除非把普通物质和“反物质”凑到一起，不然看不出差别。但是如果这两种相反的物质相遇，两种相反的电荷会立刻发生湮灭，两种相反的质子也会立即中和，这两种物质就会以超过原子弹的程度发生猛烈的爆炸。据我们所知，我们的星系可能存在由这样的反物质建造的恒星系统，那么在这种情况下，从我们的星系扔过去任何一块普通的石头，或者从那里飞过来一块石头，一旦着陆就将成为一颗原子弹。

在这一点上，我们必须把这些关于逆转原子的奇异推测放一放，再考虑另一种基本粒子。这种粒子可能也同样不寻常，实际上它参与了各种可进行观测的物理过程，即所谓的“中微子”，并且它是“走后门”进入物理学领域的。尽管各个方面都有人大喊大叫地反对它，但它现在在基本粒子家族中占据着不可动摇的地位。它是如何被发现和识别的，成了现代科学中最令人兴奋的“悬案”之一。

中微子是由一个数学家利用“反证法”发现的。令人兴奋的发现开始了，不是因为有什么东西在那里，而是因为有什么东西不见了，失踪的东西是能量。按照物理学最古老和最稳定的物理定律，能量既不能被创造也不能被破坏，发现本应存在的能量不存在，表明一定有个小偷或一群小偷拿走了它。因此，那些有秩序的头脑，即使在看不见事物的时候也喜欢给它们起名字的科学侦探们，称能量窃贼为“中微子”。

但这还有些超前。回到“能量盗窃案”：正如我们之前所看到的，每个原子的原子核由核子组成，其中大约一半是中性的（中子），其余部分是带正电的（质子）。如果平衡原子核中的质子和中子的相对数量被摧毁了，通过添加一个或多个额外的中子或质子^[8]，电荷一定会发生调整。如果中子太多，其中一些会通过喷射出一个离开原子核的负电子而变成质子。

如果质子太多，其中一些会变成中子，释放出一个正电子，图61显示了这样的两个过程。这种原子核内的电荷调整通常被称为β衰变过程，从原子核射出的电子被称为β粒子。原子核的内部转化是一个确定的过程，它会释放出一定的能量，这些能量被传递给被射出的电子。因此，我们可以预料，由一种给定的物质所产生的β粒子，都必须以相同的速度运动。然而，有关β衰变过程的观测证据与这一预期正好相反。事实上，人们发现，给定物质所发射的电子具有从零到一定上限的不同动能。由于没有发现其他粒子，也没有辐射来平衡这种差异，β衰变过程中的“能量丢失的情况”相当严重。曾经有人一度认为，我们面临着著名的能量守恒定律不再成立的第一个实验证据，这对所有精心构建的物理学理论是一个巨大的灾难。但还有另一种可能性：也许丢失的能量被某种新的粒子带走了，这种粒子在我们的任何观测方法都没有注意到的情况下逃走了。泡利提出，这种核能的“巴格达窃贼”角色可以由被称为中微子的假想粒子来扮演，中微子不带电荷，其质量不超过普通电子的质量。事实上，根据已知快速移动的粒子与物质的相互作用的事实，我们可以断定，这种光粒子不能为任何现有的物理设备所察觉，并将在没有任何困难的情况下通过任何厚度的屏蔽材料。可见光完全无法通过薄金属膜，阻挡高渗透X射线和γ辐射需要几英寸厚的铅，但一束中微子会毫无困难地通过几光年厚的铅！难怪它们能逃脱任何可能的观察，而能被注意到只是因为它们的逃脱造成了能量的不足。

图61　负β衰变和正β衰变示意（为了清楚可见，所有的核子都画在一个平面上）

但是，尽管我们无法在中微子离开原子核后捕捉到它们，但有一种方法可以研究它们离开后的衍生效应。当你用来复枪射击时，你的肩膀会感受到压力，而大炮在射出一颗沉重的炮弹后，也会向后坐。力学上的反冲效应也应该在该原子核发射高速粒子时发生，事实上，原子核在发射出电子后会获得与电子运动方向相反的速度。然而，基于所观察到的事实，原子核反冲存在一定的特殊性，即无论电子被抛出的速度如何，原子核的反冲速度总是大致相同的（见图62）。这看起来很奇怪，因为我们很自然地认为快速的弹丸会比慢速的弹丸产生的后坐力更强。对这个谜题的解释在于，原子核总是和电子一起发出中微子，中微子携带着能量的平衡。如果电子的速度很快，吸收了大部分的可用能量，那么中微子就会运动得很慢，反之亦然。因此，由于这两种粒子的共同作用，原子核会保持很强的反冲力。如果这个效应不能证明中微子的存在，那就没有什么能够证明了！

图62　大炮和核物理的反冲问题

现在，我们准备对前面讨论的结果进行总结，并提出一份参与构成宇宙基本粒子的完整清单，以及它们之间存在的关系。

首先我们有核子，它代表基本的物质粒子。就目前的知识状态而言，它们要么是中性的，要么是带正电荷的，但也有可能是带负电荷的。其次我们有代表正电荷和负电荷两种自由电荷之一的电子，还有一些神秘的中微子，它们不带电荷，可能比电子轻得多^[9]。最后我们有电磁波，它解释了电磁力在真空中的传播。

这些物质世界的基本组成部分都是相互依存的，它们可以以各种方式结合在一起。因此，中子可以通过发射一个负电子和一个中微子（中子→质子+负电子+中微子）变成质子，质子又可通过发射正电子和中微子而变回中子（质子→中子+正电子+中微子）；两个带相反电荷的电子可以转化为电磁辐射（正电子+负电子→辐射），也可以反过来由辐射产生（辐射→正电子+负电子）。最后，中微子可以结合电子，形成不稳定的粒子，在宇宙射线中出现，这种微粒被称为介子（中微子+正电子→正介子；中微子+负电子→负介子；中微子+正电子+负电子→中性介子）。也有人把介子称为“重电子”，但这种叫法是不太恰当的。

中微子和电子组合在一起后带有大量的内能，这使介子质量比这两种粒子的质量之和大100倍左右。

图63所示为现代物理学中的基本粒子及其各种组合示意。

图63　现代物理学中的基本粒子及其各种组合示意

大家可能会问：“这就是结局吗？”“我们有什么权利假设核子、电子和中微子真的是最基本、不能再进行细分的最小单元？”“在半个世纪以前，人们还认为原子是不可分割的，然而它们今天呈现的是一幅多么复杂的画面啊！”对于这些问题，答案是：虽然没有办法预测物理科学的未来发展，但我们现在有更充分的理由相信，上述粒子基本上就是最小单元了，不能再进行细分了。还有，同古典物理学中为数不多的“不可分的分子”相比，我们现在只有三种不同的实体：核子、电子、中微子。而且，无论我们怎么努力把万物还原成最简单的样子，我们也不能把万物化为一无所有吧！所以，我们对物质组成的探讨已经到达了尽头，无法继续突破了。