基本粒子王国的三代骑士

基本粒子的桂冠并不容易戴上。首先它要求不能再剖分了；其次内部未发现结构；最后应该没有大小，或更确切地说，用现代仪器测量，无法测出其尺度，可以作为类点粒子（like-particle，即其大小可视为质点一类的粒子）处理。

因此，判断一个粒子是否可以进行基本粒子的加冕大典，必须核查它是否可剖分，内部有无结构，其大小如何？

分子不是基本粒子，因为加热或其他方法，很容易使它分裂为原子。可以测出最大分子的尺度有10﹣8～10﹣9米。

原子，尽管最初给它命名的希腊人，并无科学的实证根据，完全是哲学思辨的智慧结果。但是十分幸运，“基本粒子”的桂冠它居然已戴了2400余年。尽管几经沉浮，有亚里士多德、柏拉图的异议，也有伊壁鸠鲁的执著宣扬；有漫长的中世纪的冷落和摧残，也有17世纪法国思想家伽桑狄复兴原子论的义举。牛顿和英国科学家玻意耳赋予原子论以真正近代科学底蕴。经过法国人拉瓦锡、俄国人罗蒙诺索夫、里希特和普鲁斯特的辛勤耕耘，原子论完成了科学的洗礼，真正科学的原子论终于在1803年10月21日诞生了。

这一天，英国科学家道尔顿在曼彻斯特的一次学术会议上，宣读论文《论水对气体的吸收作用》，首次公布科学原子论的内容，其中还包括人类历史上第一张原子量表。他傲然讲道：“探索物质的终极质点，即原子的相对重量，到现在为止还是一个全新的问题。我近来从事这方面的研究，并获得相当成功。”

玻意耳（1627～1691）

这是作为基本粒子的“原子们”大放异彩的时代，原子的确实存在性、不可分割性以及不变性得到公认。

19世纪伊始，人们知道的元素有28种，到了1869年，人们的发现已跃为63种，就是说，自然界存在63种原子（此时尚没有同位素的发现）。原子论在化学研究中成果累累，令人炫目。

但是，门捷列夫元素周期表的发现：元素性质随原子量周期性的变化，分明暗示原子具有内部结构，而且呈现周期性变化，大大动摇了原子的基本粒子宝座。

1869年，英国科学家希托夫在他制造的玻璃管的阴极，发现绿色荧光（即阴极射线）。1897年，英国卡文迪什实验室主任汤姆逊经过精密实验，首先判定射线带的是负电荷，然后将带电粒子的荷质比（电荷与其质量的比值）与氢离子的荷质比相比较，前者比后者要大2000倍。就是说，带负电粒子的质量只有氢离子的1/2000。这种粒子我们现在知道了为电子。原子的基本粒子桂冠自此坠落下去。

门捷列夫（1834～1907）

卡文迪什实验室

电子是我们发现的物理新层次的第一个粒子。实际上，用一束光或另一个原子轰击原子时，它就会分裂为原子核与电子。在历史上，正是年轻的物理学家卢瑟福利用粒子（氦原子核）作为大炮轰击铝箔，发现绝大部分粒子都毫无阻碍地穿过箔片，只是飞行方向略有偏移，散射角不过1°而已，但有少数粒子有大角度偏转，有的甚至于偏转180°，即似乎反被弹射回来（术语叫背向散射）。由此他明白，原子中有一个集中其绝大部分质量的原子核，因而才会有背向散射；原子核一定占据原子体积很小部分，否则大角度散射与背向散射的事例就会很多了。

现在已弄清楚，原子核的直径只有原子的万分之一，大约10﹣12米直径原子的体积放大到直径为1千米的大圆球，核只不过是果核那么大罢了。

原子核也非基本的。人们利用高能粒子，或高能光子（即γ射线）轰击原子核也会分裂为中子和质子。前者是通常裂变的主要方式，后者则称为光致裂变。

事实上，从历史上看，1938～1939年，居里夫人的长女，约里奥·居里夫人及其助手萨维奇，利用中子轰击铀，使其裂变。德国科学家哈恩、施特拉斯曼和奥地利杰出女物理学家梅特勒也进行类似的实验。精细化学分析表明，铀核吸收中子后分裂几大块，如钡、镧和铈等。在裂变时，有大量能量释放，这就是原子弹和原子能发电站能源的来源。

大概有半个世纪之久，物理学家一直把中子、质子视为基本粒子，20世纪60年代初，类似的“基本粒子”数目甚至增加到50余种了。但是很快人们发现，中子、质子以及此类称为强子的“基本粒子”都是有结构的，均为现在我们称为夸克的粒子构成。在20世纪60年代前后，物理学家对所有“基本粒子”利用加速器和现代检测仪器进行一场最严格“甄别”审查。只有电子、中微子等轻子经受住了考验，既无法将它们粉碎，也未发现任何证据表明它们由更基本成分构成。

这样一来，几十顶基本粒子的桂冠，纷纷从中子、质子一类强子头上坠落下来。只有轻子们头上的鲜艳桂冠依然耀人眼目。尤其是电子头上的桂冠自1897年被发现以来，已经一个多世纪，依然不可动摇，可谓老牌基本粒子。

当然，新贵骄子“夸克们”风头正健，基本粒子的桂冠，自然“非君莫属”。目前已发现的轻子和夸克有12种。英格兰脍炙人口的英雄史诗“亚瑟王的12个圆桌骑士”，一直引人入胜。新时代粒子王国正好也是12位骑士：上夸克（u）、下夸克（d）、粲夸克（c、奇异夸克（s）、顶夸克（t、底夸克（b），以及电子（e）、电子型中微子（ve）、μ子（μ﹣）、μ子型中微子（vμ）、Τ子（V﹣）、τ子型中微子（vτ）。

基本粒子王国的三代骑士