自然科学基础：揭秘物质微观结构

（一）物质微观组成的漫长探索

早在远古时代，人们在生活实践中就已经注意到，水受热化成汽，遇冷凝成冰；木材燃烧后化成炭。这些物质的变化使古代的哲学家推测到，物质是由少数的基本元素组成的。在古希腊，有人认为，水、火、泥土和空气是构成世间万物的基本元素。中国古代也有“五行说”，其认为世界是由金、木、水、火、土五种元素组成的。他们的共同想法都是由少数的基本元素构成了世界万物。

直到17世纪中叶，由于科学实验的兴起，积累了一些物质变化的定性和定量测定的资料后，才初步获得了关于原子的正确概念。率先在物质结构方面做出卓越贡献的是著名的英国化学家道尔顿（J.Dalton，1766—1844年），他把古代思辨的、模糊的原子假说发展为科学的原子理论，提出了著名的道尔顿原子论。道尔顿原子论认为：一切物质都是由极小的微粒——原子组成的，但原子并不都是一模一样的小球；不同的物质含有不同的原子，而且，不同的原子具有不同的性质、大小和不同的原子量。在这里，他首先创立了原子量的概念，提出不同原子具有不同原子量的观点。科学原子论的提出，是化学发展史上的一个重要里程碑。恩格斯曾高度评价这一成就，他说，化学的新时代开始于道尔顿的原子论，并称道尔顿为“近代化学之父”。直到19世纪末期，原子一直都被认为是构成物质的不可再分割的最小微粒，原子的大门一直在紧闭着，谁也不知道，原子的内部世界究竟是什么样子。

（二）原子世界大门的打开

到了19世纪末，物理学的研究有了突破性的进展，一系列新的实验发现和一些新理论的出现，重新激发了人们对原子假说的兴趣。1895年伦琴发现了X射线，1896年贝克勒尔发现了放射性，1897年汤姆逊（J.J.Thomson，1856—1940年）发现了电子，这些发现被人们称为19世纪末的三大发现。这些发现揭示了原子存在内部结构，从此人们开始真正步入了对原子微观世界的研究。

1.X射线的发现

德国著名的物理学家伦琴（W.K.Rontgen，1845—1923年）在当时真空技术和阴极射线研究的基础上，于1895年发现了X射线。

1895年11月8日傍晚，他独自一人来到实验室做阴极射线管中气体放电的实验。为了防止漏光，他用黑纸将放电管包裹严实，并在一片漆黑的房间内做实验（图2-1-1）。他突然发现放在不远处的一块荧光屏（涂有荧光材料亚铂氰化钡）发出了闪光，令他异常惊奇。他重复了实验，将荧光屏逐渐移远，甚至将屏翻转过来，荧光屏都能发出荧光。他发现这种现象是阴极射线管所发出的一种特殊射线引起的，与阴极射线不同，这种射线能穿透空气和硬纸板。于是，伦琴迅速展开了对这一射线的专门研究。他发现这一射线有极强的穿透力，能够穿过书本、木板，还能够透视人体。1895年12月28日，伦琴正式发表了题为“一种新射线——初步报告”的论文，该文主要阐述了产生这种射线的方法和射线穿透各种物质的本领，并把这种不知名的射线称作X射线。文章发表后，立即引起了人们极大的兴趣。短短数月内，许多国家竞相开展对X射线的研究，并迅速地用于医疗诊断。1901年，伦琴因发现了X射线，获得了首届诺贝尔物理学奖。

图2-1-1　X射线管示意图（引自张平柯等，2006）

但伦琴当时还无法确定这一新射线的本质，直到1912年，德国物理学家劳厄（M.Laue，1879—1960年）才通过晶体衍射实验判定X射线是频率极高的电磁辐射，波长范围在0.000 1～1nm。

2.放射性现象的发现

放射性是法国物理学家贝克勒尔（A.H.Becquerel，1852—1908年）于1896年发现的。自伦琴发现X射线后，贝克勒尔深受启发，认为荧光和X射线可能出于同一机理。于是，他开始试验荧光物质在发光的同时会不会发出X射线。

他将荧光物质（一种铀盐）放在黑纸包裹的照相底片上，然后放在太阳光下曝晒，结果在底片上果然发现了与荧光物质形状相同的黑影。他将这一结果于1896年2月24日向法国科学院作了报告。一周后，他又宣布了一个惊人的发现。这也许是一个偶然的机遇，他本想继续再做一些实验，但天公不作美，连续两个阴天，他只好把铀盐和底片一起放在了抽屉里。细心的贝克勒尔想检查一下，底片是否会因黑纸漏光而感光。照片冲出来后，他吃惊地发现底片上有很深的感光黑影。这说明铀盐本身也会发出射线，它与荧光无关。1896年3月2日，他向法国科学院报告了他所发现的这种新的“看不见的射线”。放射性的发现，虽然具有某种偶然性，但与贝克勒尔丰富的实践经验和严谨的科学态度也是分不开的。

放射性的发现引起了波兰裔法国科学家玛丽·居里（M.S.Curie，1867—1934年）的极大兴趣。玛丽在巴黎大学借到了一间又冷又潮的储藏室作为实验室，用自己平时省下的钱，购买了一些简单的仪器，开始了研究工作。玛丽发现有放射性现象的不单是铀，还有钍和钍的化合物。玛丽将这种现象定名为“放射性”。

玛丽还发现沥青铀矿石的放射性比纯铀的放射性强得多。经过反复实验，她确信，这种矿物里一定有放射性更强的新元素。与此同时，玛丽的丈夫皮埃尔·居里（P.Curie，1859—1906年）决定放弃自己关于晶体的研究，同玛丽一起研究新元素。经过他们共同的努力，于1898年发现了新的元素，它比纯铀的放射性强四倍，玛丽为了纪念自己的祖国——波兰，他们给这种新元素取名为“钋”。接着他们又发现了一种放射性比纯铀强九百多倍的新元素镭。他们的研究成果，使放射性研究有了一个大的突破。1903年，居里夫妇与贝克勒尔共享了诺贝尔物理学奖。

放射性现象发现后不久，在科学家们的共同努力下，发现在各种放射性元素所放出的射线中包括了α、β、γ三种射线。α射线为带正电的氦原子核（称α粒子），β射线为带负电的电子流（称β粒子），γ射线为电中性的电磁辐射（称γ粒子）。这三种射线均可用它们在电场或磁场中的不同轨迹来区分（图2-1-2）。

图2-1-2　三种射线在磁场发生不同的偏转（引自张平柯等，2006）

放射性现象的发现不仅进一步揭示了微观世界的奥秘，为原子物理学的建立奠定了基础，而且在现代各项科学技术领域中有着广泛的应用，可以造福于人类。

3.电子的发现

电子是人们在探索微观世界奥秘时最早发现的基本粒子，是由英国著名物理学家汤姆逊于1897年发现的。自1884年起，汤姆逊主持卡文迪许实验室的工作，并长达34年之久，在汤姆逊的卓越领导下，卡文迪许实验室成为全世界现代化物理研究的一个中心，并培养出了许多杰出人才，其中仅诺贝尔奖获得者就有威尔逊、布拉格、卢瑟福和查德威克等人。他本人由于发现电子，也于1906年荣获诺贝尔物理学奖。

电子的发现和阴极射线的研究是密切相关的。1858年，德国物理学家普吕克（J.Plucker，1801—1868年）利用盖斯勒管研究气体放电时发现在管中除了气体在发光外，正对着阴极（负极）的玻璃壁也在隐隐地发出黄绿色的荧光。为什么会这样？当时他没有搞清楚，但他意识到这是从阴极发出的某种射线轰击玻璃所致。1876年，德国物理学家哥尔德斯坦（E.Goldstein，1850—1930年）用各种材料做成各种形状、大小不同的阴极进行实验，证实这种射线是从阴极表面垂直发出的，而且射线的性质与材料无关，他把这种射线命名为阴极射线。阴极射线究竟是什么呢？1879年，英国物理学家克鲁克斯（W.Crookes，1832—1919年）制成了一个高真空的放电管——克鲁克斯管。他用这种真空管做了一系列实验，发现了磁铁靠近真空管时射线会发生偏转的事实，他认为阴极射线是带负电的粒子流。

汤姆逊设计了新的阴极射线管，测得了这种粒子所带电荷与它的质量之比，即荷质比（e/m）为1011C/kg。他用各种气体充入放电管并以各种金属材料作为阴极反复实验，所得的e/m大致相同，这就证明了在各种条件下得到的都是同样的带电粒子。氢离子的荷质比在当时已是众所周知的，汤姆逊测得的阴极射线的荷质比，要比氢离子的荷质比大一千多倍。汤姆逊认为带负电的阴极射线微粒的质量小于氢离子的质量，大约是后者的1/1840。这就意味着一种比原子还小的带电粒子被发现了，这一粒子后来被称为电子。

1897年以后，许多科学家对电子电量进行了较为精确的测量，其中美国物理学家密立根（R.A.Millikan，1868—1953年）的工作最为出色。1906年，他第一次测到电子电量为e=1.34×10-19C，经过不断改进，到1913年他最后测得电子电量为e=1.59×10-19C。近代精确的电子电量为e=1.602 177 33（49）×10-19C。

电子的发现揭示出原子是有内部结构的，打破了原子是组成物质的最小单元的传统观念。汤姆逊被称为是“最先打开通向粒子物理学大门的伟人”。

（三）原子的结构模型探索

电子的发现揭示出原子是有内部结构的，既然原子可分，那么它就存在着内部结构的问题，电子是怎样“安置”在原子里面的呢？在20世纪初，人们对原子结构的探讨是利用假说模型形式进行的。

1.汤姆逊的葡萄干蛋糕模型

1903年，也就是电子发现6年以后，汤姆逊第一个提出了原子结构的理论——葡萄干蛋糕模型。他指出：原子是一个均匀的带正电的球，在这个球里面，飘浮着许多电子。这许多电子带的负电，正好和这个球所带的正电相等，所以整个原子是中性的。如果失掉了几个电子，这个原子的正电荷就过多了，形成阳离子；如果多几个电子的话，这个原子的负电荷就过多了，形成阴离子。在汤姆逊提出的这种原子模型中，电子镶嵌在正电荷液体中，就像葡萄干点缀在一块蛋糕里一样，所以被人们称为“葡萄干蛋糕模型”。

汤姆逊的模型不仅能解释原子为什么呈电中性，电子在原子里是怎样分布的，还估计出原子的大小约为一亿分之一厘米。并且，汤姆逊还得出一个结论：原子中电子的数目等于门捷列夫元素周期表中的原子序数。因此，在一段时间里，汤姆逊的原子模型得到了广泛的承认。然而葡萄干蛋糕模型存在理论上的困难，如对多电子原子要找到它们的平衡位置是极不容易的。因而，在十多年后，汤姆逊的模型终于被卢瑟福的原子有核模型所代替。

2.卢瑟福的原子有核模型

1895年，英籍的新西兰物理学家卢瑟福来到英国成了汤姆逊的一名研究生。1909年，卢瑟福与年轻的德国物理学家盖革（H.Geiger）和马斯登（E.Marsden）合作进行了著名的α粒子散射实验。他们用α粒子去轰击很薄的金箔做的靶子，并通过荧光屏记数来观测穿过金箔的α粒子被金原子散射的情况。实验表明，绝大多数α粒子直接穿过了金箔，但约有1/8000的α粒子偏转90°，甚至有少数被弹回来（约占总数的1/20000）（见图2-1-3）。

图2-1-3　α粒子散射实验示意图（引自张平柯等，2006）

经过大量反复的实验和严谨的理论推导，卢瑟福于1911年提出了原子的“有核结构模型”（见图2-1-4）。原子有核结构模型认为：原子内部并非是均匀的，它的大部分空间是空虚的，它的中心有一个体积很小、质量较大、带正电的核，原子的全部正电荷都集中在这个核上，带负电的电子则以某种方式分布于核外的空间中。有核模型很好地解释了α粒子的散射现象。由于原子核很小，与原子相比，就好像一颗芝麻放在一幢大厦的中心一样。然而，它却占有了原子的几乎全部的质量（原子质量的99%以上），所以，这样的一个核心堡垒将有足够的力量抵抗“入侵”的α粒子，并把那些敢于直接进攻核心的“入侵者”——α粒子弹回去。按照卢瑟福的原子模型，只要α粒子是正对着原子核撞过去的，它们就有可能被原路弹回。

图2-1-4　卢瑟福的原子有核结构模型

从汤姆逊模型发展到卢瑟福模型，标志着人类对原子结构的认识又迈出了一大步，但是这种简单的类似太阳系原子模型仍然面临着一系列事实的挑战——原子的稳定性问题。

3.玻尔的原子结构模型

卢瑟福的原子有核模型，其主要困难是不能解释原子的稳定性和同一性。按照经典电动力学，电子绕核运动要发射电磁波释放能量。这样，电子绕原子核运动的轨道会越来越小，最终碰在原子核上（见图2-1-5）。这样一来，原子就被破坏了。实际上，原子很稳定，有一定大小，并没有发生这种电子同原子核碰撞的情况。这又该如何解释呢？另外，大量的事实表明，同种物质的所有原子是相同的，但是，卢瑟福把原子模型看成经典的行星模型，按照经典的行星模型，太阳系的形成是由当初宇宙形成时的初始条件决定的，不同的初始条件会有不同的结果，也就是说，不可能有两个完全相同的原子。但是原子的稳定性和同一性是不可否认的事实。

卢瑟福的学生玻尔（N.H.D.Bohr，1885—1962年）把原子有核结构的思想与能量子假说结合起来，对卢瑟福的模型加以修正，于1913年提出了原子结构能级模型（见图2-1-6），迈出了革命性的一步。

图2-1-5　电子轨道半径不断缩小

图2-1-6　玻尔的能级模型

玻尔的能级模型假设是在卢瑟福原子有核模型基础上提出的，其主要内容是：第一，原子内部的电子在绕原子核旋转时，只能在一些特定的轨道上运行，不能在其他轨道上运行；并且电子在这些轨道上做加速运动时，既不吸收能量也不辐射能量。所以电子不会掉到原子核上去。一个轨道对应一个能量值，所以电子在原子内不能具有任意能量，只能具有特定能量。原子的能量是不连续的，这些分立的能量称为“能级”。并且在离核较近的轨道上电子的能量较低，在离核远的轨道上电子的能量则较高。第二，当电子从较高能级（能量为E1）跃迁到较低能级（能量为E2）时，它将会放出一个能量为hν的光子；反之，电子若吸收一能量为hν的光子，将从能级E2跃迁到能级E1，且其光辐射的能量（hν）恰好等于这两能级的差值。即

hν=（E1-E2）

其中h为普朗克常数，ν为光子的频率。

玻尔的假设保留了卢瑟福模型的合理部分，挽救了卢瑟福模型。按照玻尔的上述假设，可以很自然地解释原子的稳定性这一客观事实。但此模型还没有完全摆脱经典物理学概念的束缚，把微观粒子（电子，原子等）看作是经典力学的质点，即与宏观世界的实物粒子等同看待。实际上根据量子力学理论，就电子运动的基本特征来讲，电子同其他微观粒子一样，具有波粒二象性，微观粒子的运动轨道我们不可能确切地知道，只能知道它们在核外某区域出现的可能性（即概率），按照这种描述方式，电子像“云”一样地存在于核外空间中形成“电子云”，根本没有运行轨道的概念。

（四）原子核的结构

原子是由原子核和电子所组成，那么原子核又是由什么组成的呢？

1.质子的发现

1919年，卢瑟福首先做了α粒子轰击氮原子核的实验，实验装置如图2-1-7，容器C里有放射性物质A，从A射出的α粒子射到铝箔F上，在F后面放一荧光屏S，用显微镜M观察荧光屏上是否出现闪光。适当选取铝箔的厚度，将容器C抽成真空后，α粒子恰好被F吸收而不能透过，于是在显微镜M中看不到荧光屏上的闪光。然后通过阀门T往容器C里通入某种气体，观察α粒子能不能从气体的原子核中打出什么粒子。卢瑟福用不同的气体做这个实验。当容器C中通入氮气后，卢瑟福从荧光屏S上观察到了闪光，他断定这闪光一定是α粒子击中氮核后从核中飞出的新粒子透过铝箔打到荧光屏上引起的。卢瑟福把这种粒子引进电场和磁场中，根据它在电场和磁场中的偏转，测出了它的质量和电量，最终确定它就是氢原子核。

图2-1-7　卢瑟福轰击氮原子核的仪器装置（引自张平柯等，2006）

后来，他们又做了大量类似的实验。结果发现，用α粒子轰击氖、镁、硅、硫、氯、氩和钾，都会打出高速的氢原子核来。在各种元素的原子核里面，都打出了氢原子核。这说明氢原子核是各种元素的原子核的重要组成部分。卢瑟福给氢原子核起了一个专门名字——质子，用或p表示。α粒子轰击氮原子核使人类首次实现了将一种元素转变成另一种元素的梦想，这一反应的方程为：

这是第一次实现的人工核反应。卢瑟福成了质子的发现者。

2.中子的发现

1930年，居里夫人的女婿和女儿约里奥·居里夫妇（J.F.Joliot Curie）用高速α粒子轰击Be核，发现了一种新的中性射线，这种中性射线的穿透能力强，他们把这种新射线解释为能量高的重光子。与此同时，卢瑟福的学生英国物理学家查德威克（J.Chadwick，1891—1974年）证实了铀核还放射一种类似γ射线的射线，但贯穿力更强。查德威克认为这是由一种新的中性微粒组成的射线，他称这种新的不带电中性微粒为中子，从而发现了中子。查德威克因发现中子而荣获了1935年诺贝尔物理学奖。约里奥·居里后来谈到，如果他们领会了卢瑟福1920年在法国的一次演讲内容，就不会坐失良机，因为卢瑟福正好在那次演讲中谈到关于中子存在的猜想。

质子和中子的发现表明，原子核也有组成和结构，从而使人类对物质结构的认识深入到了核子阶段，人们确认原子核由质子和中子组成的。质子和中子除了所带电荷不同外，其他各方面都很相像，因此，物理学家把它们统称为核子。

原子核是由中子和质子组成的，它们之间必须有某种力的作用才可能结合在一起。这种力不是我们已知的万有引力和电磁力。万有引力在原子核内可以完全忽略，而电磁力对核内的质子只能起排斥作用。因此，在核子之间必然有一种新的、很强的吸引力存在，才能克服质子之间的静电斥力，使中子和质子紧密地结合在一起，形成密度高达1017kg／m3的原子核。这种新的强相互作用就是核力。

（五）基本粒子和夸克模型

1932年，中子被发现后，人们认为质子、中子和电子是物质结构的基本单元，把这些粒子，再加上光子，看作“基本粒子”。后来又在宇宙射线中发现了正电子、μ子、π介子和一些奇异粒子。20世纪40年代中期之后，打碎粒子的有力工具——粒子加速器陆续发明和建成。物理学家们从此能在实验室里用人工方法实现各种各样粒子的反应过程，发现新的粒子。从1953年发现反中微子起，又陆续发现了一大批新粒子。到1961年，粒子表里就有了一百多种粒子。粒子数目的增加在某种程度上类似于19世纪化学元素数目的增加。这样众多粒子的存在引出了一些问题：它们在粒子的各种相互作用中起什么作用？它们彼此之间是如何联系的？它们是否由某些更基本的粒子组成？下面将探讨这些问题。

1.基本粒子

（1）基本粒子之间的相互作用

基本粒子间的一切转化过程都是通过一定的相互作用来实现的，就目前所知，引起基本粒子反应的主要有电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。由于引力相互作用非常弱，在基本粒子作用过程中影响很小，所以往往将它忽略不计。这四种相互作用的相对强度、作用力程和特征时间等性质差别很大，其传递力的粒子也迥然不同（见表2-1-1）。

表2-1-1　四种相互作用的比较（引自张平柯等，2006）

各种相互作用由于强弱不同，所以在引起基本粒子反应的速度上有明显的差别。各种相互作用都有自己的特征时间，由强相互作用引起的基本粒子反应约在10-23s量级，由电磁相互作用引起的反应一般都在10-20～10-16s，由弱相互作用引起的反应一般都大于10-10s。特征时间长，表示作用弱，不易起变化；特征时间短，表示作用强，易起变化。由于不同相互作用存在不同特征时间，所以对某种过程反应时间的确定，可帮助我们了解这一过程是由什么相互作用引起的。

各种相互作用的作用力程也有很大不同。电磁力与引力都与距离的平方成反比，随着距离的增加，它们的减弱是较慢的，因此称为长程力。遥远的天体间的相互作用受引力的支配，就说明了这一点。强相互作用与弱相互作用都是短程力。强相互作用的力程约为10-15m量级，而弱相互作用的力程更短，应小于10-17m。

（2）基本粒子的分类

不同的粒子参与不同的相互作用，按照它们的主要相互作用，可以将基本粒子分为三类。

第一类是传递力的粒子。按照量子力学的基本原理，力具有双重性，它既可以通过一列波来传递，也可以通过一个粒子来传递。最明显的例子是电磁力，在有些情况下，它能处理为由电磁波（如无线电波或光波）来传递，而在另外一些情况下，它又可以处理为由粒子（光子）来传递。日本物理学家汤川秀树（1907—1981年）把核力和电磁力类比，认为正像电磁力是通过光子来传递的，核力也是通过一种重粒子（即介子）来传递的。这一理论已为实验所证实，汤川秀树也因此于1949年获得诺贝尔奖。核子与π介子之间的强相互作用，实质上是夸克之间的强相互作用，传递强相互作用的粒子是胶子，但得到这个结论的证据是间接的。弱电理论曾经预言，弱力也是通过三个基本粒子W+、W-和Z0来传递的，它们的质量极大，均为核子质量的90～100倍。由于它们的质量很大，根据不确定关系，这些粒子的寿命极短，结果在它们消失以前所能通过的距离仅约为l0-18m。这就解释了弱力的极其短程性。

第二类是轻子。在原子核发生β衰变时产生的电子和电子型反中微子都是轻子。后来发现π介子和K介子衰变时也会产生中微子，即

π+→μ++νμ

K+→μ++νμ

这种中微子是和μ子一起产生的，称为μ中微子，用νμ表示。后来又发现与τ子相联系的τ中微子，记为ντ。电子、μ子、τ子及相应的中微子都是轻子。轻子具有下面两个性质：轻子只参与弱相互作用和电磁相互作用，不受强力影响，其中中微子只参与弱相互作用；轻子必定以粒子-反粒子对的形式产生或湮灭，总的轻子数（轻子的数目减去反轻子的数目）在我们所知道的一切过程中保持不变。

已知的轻子有六种，它们成对出现，每一对包括一个荷电轻子和一个中性轻子。这个中性轻子就称为中微子。每一对称为一代，而且每一代中的中微子质量都比相应的荷电轻子的质量小得多。只有成对的轻子之间才发生相互作用。例如，在表2-1-2中，电子和电子中微子彼此间有相互作用，但与μ子、μ中微子、τ子及τ中微子之间都不发生相互作用。

表2-1-2　六种已知的轻子成对地排列（引自张平柯等，2006）

轻子是类点的、无结构的粒子。我们最熟悉的轻子是电子，它是一种极轻的粒子（约是一个核子质量的1/1800），带1个单位负电荷。μ轻子是于1937年被安德森发现的，其质量为电子质量的207倍。μ轻子被原子核俘获后，绕核运动，其轨道半径只有电子相应轨道半径的1/207。τ轻子是于1975年被发现的，其质量约为电子质量的3500倍，差不多是核子质量的2倍，这种“重电子”和“超重电子”的真实存在，对物理学家来说目前还是一个谜。

与这三个带电轻子相伴的中微子分别为电子型中微子、μ子型中微子和τ子型中微子。从电性上来说，中微子都是中性的，因此，它们不参与电磁相互作用。一般假定它们的静质量为零，因此按照相对论，它们必定是以光速运动，不过它们的质量是当前争论的问题之一。人们认为，如果电子型中微子确实有质量的话，应该也是微乎其微的。然而，可能存在的这么一点质量，在宇宙学上有重大意义，因为在宇宙中有如此多的中微子，它们是大爆炸遗留下来的，它们加在一起的质量可以产生的引力效应，大到足以使宇宙目前向外的膨胀减慢，甚至停止下来。

一般来说，在β衰变的放射过程中都会产生中微子和反中微子。此时原子核内的一个中子放射一个电子和一个反中微子，变成一个质子。类似地，核内的一个质子可以通过β衰变，放射出一个正电子和一个中微子，变成一个中子。可见，中微子和反中微子在原子核物理学中扮演了一个极为重要的角色。不过遗憾的是，对它们的探测极其困难，因为它们是电中性的，还具有惊人的穿透物质的能力，在固体物质中通过极大的距离仍未被吸收掉。然而，利用巨型探测器以及极大的耐心，观测到少量的中微子和反中微子还是可能的。

第三类是强子。一切参与强相互作用的粒子统称强子，它们之间的主要作用是强相互作用，例如强子之间的高能反应、重子的产生过程都属于强相互作用。强子分为两类：重子和介子。重子除了包括以前讨论过的两种核子（质子和中子）外，还有几种质量超过核子的重子，这些重子又称超子。超子的平均寿命都很短，属于易衰变的粒子。介子是传递核力的重粒子，最常见的介子是π介子和K介子，介子的平均寿命短、不稳定、易衰变。最早被发现的强子是质子和中子。目前已经知道的强子的类型已远远超过一百种。所有的强子，除了质量和电荷外，它们还具有自旋性。介子的自旋都是零，重子的自旋除Ω-是3/2外，其余都是1/2，都是半整数。

每一种基本粒子都有反粒子，一般来说，反粒子的质量、寿命、自旋三项与同粒子是相同的，只有电荷的符号相反。但是，也有几种中性粒子（如中微子υe、υτ及K0介子）和它们的反粒子不是相同的粒子。π0、η0和η′的反粒子就是它们本身，没有区别。在碰撞过程中，粒子和它的反粒子湮灭成了能量（以光子形式出现）。两个高能粒子相碰时，有可能产生新的正反粒子对，这时一部分碰撞能量转换成了正反粒子对的质量。

新的发现告诉我们，强子不是基本粒子，而是亚核粒子。强子还有内部结构，它是由几种称为夸克的简单粒子所构成的。

2.强子结构的夸克模型

关于基本粒子的研究，现已积累了丰富的资料，粒子种类包括共振态已经达到约四百种，其中绝大多数都是强子。很难设想这么多粒子都是基本的。大多数物理学家认为这些粒子，至少强子，应当有其结构，由少数几种更基本的成分组成。

（1）夸克模型的确立

强子有结构的想法由来已久。1932年，美国物理学家斯特恩（O.Stern，1888—1969年）测得质子的磁矩为2.79μN，后来，又测得中子的磁矩为-1.91μN，这就使人猜想它们是有内部结构的。1956年，霍夫斯塔特（R.Hofstadter，1915—1990年）用高速电子轰击质子时发现，质子的电荷有一定的分布，其半径约为0.7fm。后来又发现，中子虽然整体呈中性，但内部却有正电及负电，电荷分布半径为0.8fm。在1970年左右，用极高能量的电子轰击质子，电子在质子上的大角散射表明，质子内部包含有一些半径很小的散射中心，或者说质子是由一些“硬心”组成的。

到20世纪60年代初，已发现大量强子，对这些强子进行有秩序、有规律的描述是粒子物理学家所追求的目标之一。1961年，美国物理学家盖尔曼（M.Gell-Mann，1929年—）提出对强子分类的八重态理论。他发现强子按照量子数排列成八个一组或十个一组，像门捷列夫元素周期表一样。门捷列夫元素周期表的规律是原子内部的电子排列的反映，而强子的这种分类排列也必然是质子、中子、π介子等具有内部结构的反映。这种分类排列预言存在一种称为Ω-的粒子，后来果然发现了它。

1964年盖尔曼提出了强子的结构模型，认为强子是由三种更基本的粒子组成的，他称这种更基本的粒子为夸克。这三种夸克分别称为上夸克、下夸克和奇异夸克，分别以u、d和s表示。各种夸克都有相应的反夸克。他认为如果所有的强子都是由三种夸克组成的，那么所有已知的强子就可以安排成特殊的对称结构或对称图案，用八重法理论对强子所做的正确分类就能对此予以解释。

夸克模型认为所有的重子都由三个夸克组成，所有的介子都由一个夸克和一个反夸克组成，所有的反重子都由三个反夸克组成。要组成自旋为半整数的重子和自旋为零的介子，夸克的自旋应为1/2，它的两个分量为1/2+-。如果我们用电子或质子所带的电荷为单位，为了组成电荷为正负整数或为零的强子，夸克所带的电荷就是分数电荷，其中u夸克为2/3e，d夸克和s夸克为-1/3e。

（2）夸克的发现

在1964—1973年，无论是实验还是理论都取得了很大的进展，支持了夸克的物理思想。但是，对于夸克最重要的，也是最引起人们兴趣的新证据的获得，是随着一个新粒子的发现而开始的。1974年，美籍华裔物理学家丁肇中领导的一个小组和斯坦福加速器中心的里克特（B.Richter，1931年—）领导的另一个小组同时独立地发现一个新的粒子J/φ。J/φ粒子具有奇特的性质，其寿命比预料值大500倍。这个结果无法用当时已知的三种夸克来解释，因此引进了第四种夸克——c夸克（粲夸克）来解释。后来，科学家又陆续发现了b夸克（底夸克）和t夸克（顶夸克）等等。这样，迄今组成强子的六种夸克都已被发现了。