物质的构成物质是如何构成的

物质的构成

物质是如何构成的——这是一个古已有之的问题，其中最有名的理论是原子说，即物质是由一些不可再分的微粒构成，称之“原子”，这种说法也被现代物理学得到了部分的证实。

在物理学里，原子是仍保有元素化学属性的最小单位。原子当然是可分的，但如果再分的话，它就不能保有原来元素的属性了，例如铁或者氦的原子便具有铁或者氦的属性，但如果将铁或者氦的原子再加以分割的话，它就不再是铁或者氦了，而成为了别的元素的原子或者别的微观粒子。

就体积而言，所有的原子大小大致相同。每个原子的直径大约是2×10-8厘米，不但不可能用肉眼看到，甚至一般的显微镜也看不到，电子显微镜可以看到某些种类的原子，但也十分朦胧。

由于原子这样小，因此需要很多原子才能组成哪怕是一小块物质，例如在一般的固态物质上，一厘米的长度内就有多达5千万个原子紧紧地靠在一起排列着。就质量而言，不同原子的质量是不同的，其中最轻的是氢原子，如果将它的质量定为1，那么最重的铀是238，也就是说，一个铀原子的质量是238个氢原子的质量。就构成而言，原子是由原子核及环绕着它高速旋转的电子组成的。其中原子核又由质子与中子构成，不过其中的氢原子核没有中子，只有一个质子。

原子的构成

电子有三个特点：一是它带一个负电荷；二是质量小，只有质子质量的约1/2000；三是围绕原子核高速旋转。电子有自己的轨道，当它旋转时几乎占据了整个原子的体积，在原子核外面构成了一团电子云，好像无数个电子在运动一样。这当然是因为原子的体积太小而电子运行又太快了的缘故，就像我们看到电风扇一样，虽然只有几片叶子在运转，但由于它太快，我们看到好像整个风扇里都充满了叶子一样。

电子一般情形下是规规矩矩地绕着原子核旋转的，但有时，如果有某种外力作用于之，电子就会跑出去，这时候就产生了电流，而原子核也因为电子跑了而带上了正电。

质子主要有两个特点：一是带电，只是与电子带负电荷相反，它带的是正电荷；二是质量大，它是电子质量的近2000倍。与电子能够跑不一样，质子几乎总是老老实实地呆在原子核里。

中子的特征也主要有两个：一是不带电，既不像电子一样带负电荷，也不像质子一样带正电荷，因此被称为“中子”；二是中子的质量也大，它甚至比质子还重那么一点点，比电子重得就更多了。

由于中子不带电，因此原子中它的地位比较特别，一个原子核中跑了一个中子其元素的基本性质仍然保持不变，即仍然是这个元素的原子，但并不意味着它什么也不变，它变成了“同位素”。例如氢就有三种同位素，即氕、氘、氚，它们仍然是氢元素，不过与原子核中没有中子的氢原子不同，它们分别含有一个、二个、三个中子。因此性质也发生了一定的改变。例如它们往往具有放射性，被称为放射性同位素，这种性质对人类是很有用处的。

比利时布鲁塞尔的原子球博物馆

原子弹与氢弹的秘密

原子核是由质子与中子组成的。虽然它由两部分组成，但这两部分牢牢结合在一起，合起来组成的原子核也具有许多重要性质，这时候它们连名称都可以统一，被称为“核子”，即组成原子核的微观粒子。

在原子核内部存在着巨大的核力，因此要将核子结合成原子核或者将原子核分解成核子都需要巨大的能量。例如一个中子和一个质子结合成一个氘核时，能够释放出约2.22万亿电子伏的能量，同样，如果一个氘核被分解成一个质子和一个中子，也需要这样多的能量。

当一个中子与一个铀235核相撞后，一系列裂变反应开始。链式反应十分快速并产生高温。

还有，就是当质子与中子结合成为一个氘核时，并不是整个质子与中子所含的物质都变成了氘核，这里头有所谓的“质量亏损”，举个例子吧，例如质子与中子合起来的质量有a克，当它们结合成为氘核时，氘核的质量只有b克，而且b＜a。

这时您一定会问这样一个问题：那些质量哪去了呢？难道莫名其妙地蒸发了不成？答案其实很简单：这一部分质量被转化成了能量。

关于这种转化爱因斯坦有一个著名的公式：E=mc2，这里m等于质量，c为光速，即约300000km/s，而E就是能量。从这个公式就可以知道，哪怕是一丁点的质量如果转化成能量也将有多么巨大。具体而言，如果一克物质完全转化为能量，它将产生的能量约等于1945年美国在日本广岛投下的原子弹的能量，约合15000吨TNT，即烈性的黄色炸药。

原子弹的秘密就在这里。

因为原子核的裂变能够产生这样巨大的能量，科学家们发现这个秘密之后就想怎么能够将之释放出来。1938年时，一个叫哈因的德国物理学家在用中子轰击铀核后的产物中发现了另外一种元素钡的放射性同位素。不久，他发现这是因为铀的原子核在中子轰击之下被分裂了。这就是核裂变。

核裂变的发现为人类找到了一个分裂原子核的方法，也就是找到了一个产生巨大能量的方法。更进一步地，科学家们还发现，这个裂变能够产生2到3个新的中子。于是，他们想到，倘若让这两个中子再去轰击别的铀原子核，产生新的裂变，如此进行下去，产生的能量将是何其巨大！这种连续的核裂变就叫链式反应，因为它像一条链子一样，一旦爆发，就能够一环扣着一环，持续下去。

要做到这一点其实也不难，只要铀块的体积够大，当第一次核裂变发生时，所产生的中子就不能从铀块中穿透出去而不碰撞别的原子核，而只要碰撞别的原子核，链式反应就成功了。

这种反应的结果就是产生巨大无比的能量，原子弹所用的就是这种能量，它的威力日本人体验是最深的了。

您可不要以为核裂变是产生最大能量的反应，还有比它更厉害的呢，那就是核聚变。核聚变是指某些轻核结合成质量较大的核时，能释放出巨大的能量。看得出来这是一个与核裂变相反的过程，一个是较重的元素裂变成较轻的元素，另一个是较轻的元素聚变成较重的元素。不过后者产生的能量比前者要大好几倍呢！怎么使这种核聚变产生呢？很简单，只要高温就行了。不过这个高温可不是一般的高温，要达到几百万度以上。

这样的高温只有一个办法能够达到，那就是原子弹爆炸。这时，如果旁边有某些轻核，最常用的是氘核与氚核，它就能够产生核聚变，结合成为氦原子核，同时释放出更为巨大的能量。

氢弹就是这么制造出来的。简而言之，它是在一颗小型原子弹旁边放上适量的氘或者氚或者其混合物，当原子弹爆炸时，它所产生的高温就使得核聚变得以形成，并释放出极其巨大的能量。

这种能量有多大呢？打个比方吧，两颗差不多大小的氢弹与原子弹，前者的爆炸威力是后者的10倍到1000倍。而且，比起原子弹来，氢弹还有许多优势，除了威力更大之外，它比较干净，原子弹爆炸后，它所破坏的地方几十年里都不能住人，因为还有核辐射等污染，氢弹就不同了，它没有这样多的后遗症。

我们前面讲天文学时也提到过核聚变，那就是在太阳内部的核反应，那也是太阳巨大能量的来源。

“一尺之棰，日取其半，万世不竭”

认识到原子核是由质子、中子、电子等更小的粒子构成的后，人们开始相信，不是原子，而是质子、中子、电子等是组成物质的最基本元素，人们称这三者为基本粒子。然而事情还没完，虽然质子、中子、电子一直被认为是基本粒子，但后来科学家们发现，除它们而外，还有别的基本粒子。

开始光子被认为也是基本粒子，再后来一个叫泡利的物理学家提出了一种新的基本粒子——中微子，这是一种静止时质量为0的粒子，始终以近乎光速的速度高速运动。后来，根据相对论量子力学，电子、质子、中子、中微子等都有质量与它们相同的“反粒子”，它们同样是基本粒子。之所以被称为“反粒子”，是因为这些粒子与原来的电子、质子、中子、中微子等质量相同而电荷相反，例如带负电的电子的反粒子就是正电子，即带正电的电子。带正电的质子的反粒子就是带负电的反质子，如此等等。再往后，人们发现的基本粒子越来越多，例如介子，它的质量介于电子与质子之间，因此被称为介子，它又是一个大家庭，有好多成员，像π介子、μ介子、ρ介子、奇异介子、非奇异介子等等，不一而足。

长崎原子弹爆炸后，建筑物受到了极大的损害。

到现在，这种基本粒子已有数百种之多，而且还大有可能继续发现。

这些基本粒子也并非完全杂乱无章，按照它们参预的相互作用力可以分成三大类：

第一类是强子。我们知道，原子核内部核子之间的相互作用力是非常强大的，因此被称为强相互作用。凡是参预强相互作用的基本粒子都被称为强子，例如质子、中子等等。

第二类是轻子。它们不参预强相互作用，但可能参预弱相互作用或者电磁相互作用，所谓弱相互作用也是基本粒子之间的一种相互作用，它的特点是作用力弱、能量低。轻子包括电子、μ子、重轻子等等。

芬兰洛维萨核电站

第三类是媒介子。顾名思义，媒介子的作用是传递粒子之间的相互作用，例如光子就是一种，它传递的是电磁相互作用。

以上这些就是基本粒子的大致情形了。此外，宇宙间还有三种相互作用：强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用，它们被称为宇宙的四种基本作用力之一，另一种是引力作用。这些基本相互作用与基本粒子结合起来就构成了我们宇宙的整个微观背景。

不过，您可千万不要以为这些基本粒子真的是组成物质的最小微粒，就像当初德谟克利特眼中的原子一样，那样的话您可上当了！要知道，物质的可分性似乎是无限的，就像现在一样，科学家们已经对基本粒子搞分裂了，认为它们是由更为基本的成分构成的，并提出了许多的模型来构成这些基本粒子，其中最有名的就是“夸克”模型了。在这个模型里，前面的基本粒子们是由夸克构成的，例如重子是由三个夸克构成的，介子是由一个夸克与一个反夸克构成的，如此等等。相应地，原来的基本粒子科学家们已经倾向于将名不副实的“基本”二字去掉了，改称“粒子”。

这给了我们什么启发呢？就是中国那句古话：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。”