本地生活网
当前位置: 本地生活网 > 知识 >

粒子里最小的生物_我们所知的最小的粒子是什么

时间:2023-01-23 10:53 作者:本地君

本文是本地生活网的小编生活君为你带来《粒子里最小的生物,我们所知的最小的粒子是什么》的内容,希望对你有帮助,欢迎大家阅读。

当物理学家第一次使电子与质子碰撞时,他们观察到电子被质子内部的三个小硬核反弹。这些核后被称为为夸克,人们发现它是组成质子的更小的粒子。夸克是我们在科学研究中遇到的最小的粒子。夸克的发现意味着质子和中子不再是最基础的粒子。为了深入理解,我们来剖析物质的每一层,来探究它的组成。鸟瞰之下,物质看起来是严密不可分的,它的性质很容易被测量。然而,即使是一个6岁的孩子也能推断出,他精心设计的沙堡是由数十亿粒微小的沙粒搭建而成的。那么,下一个问题,沙粒又是由什么构成的?

原子

剥去一层,你会发现原子的结构很整齐。原子的概念最初是由希腊人提出的,他们认为物体可以被无限地一分为二,直到剩下一个单独的、不可分割的颗粒。这个微小到难以想象的单位不能再分割了,因此被称为“原子”,源于希腊语A-tomos。A代表“不”,tomos代表“可缩减的”或“可拆分的”。

令人惊讶的是,这一理论并不成功。大多数关于基本成分的文献在几个世纪后都丢失了,并被重新找到。大约两千年后,原子才被确认为一个真正的基本物理对象。

图解:道尔顿《化学哲学新体系》一书中描述的各种原子和分子。1808年

直到19世纪,化学家约翰·道尔顿对气体进行了一系列巧妙的实验,这一推测最终得到了证实。原子的平均直径约为50纳米,即一粒沙子的百万分之一。那时原子是人类所知的最小的粒子。

亚原子粒子

当然,直到1897年,J.J.汤姆森爵士深入发掘,发现了更基本的东西——电子!这是一个革命性的发现,电子技术开拓者们对此感激不尽。一个电子的“平均”直径是0.0000000000001厘米,比一粒沙子小2000亿倍。

图解:氦原子(示意图) 两个质子(红色),两个中子(绿色)和两个电子(黄色)。

由于原子是电中性的,汤姆森设计出电子的负电荷必须被嵌入其中的一小块正电荷所抵消。这就是著名的“葡萄干布丁”模型。

1911年,当卢瑟福用阿尔法射线轰击一片薄薄的金箔,发现原子大多是空的,但却含有一个集中的正电荷时,这个想法被正确地驳回了。他把这个中心称为原子核,并把带正电荷的粒子命名为质子。据测量,质子的“平均”直径比电子的“平均”直径小三倍,但就质量而言,它重1837倍!

图解:右半部为基本粒子,左半部为复合粒子。介子属于玻色子,强子属于费米子。

他还假设电子围绕原子核旋转,类似于太阳系的行星模型。然而,在这两个模型中,中心实体和依附中心实体之间的距离尺度显示出天文上的差异。

但是庆祝并没有持续太久。不久,化学家们发现了同位素——一种化学上难以分辨但原子质量不同的元素。一对同位素似乎含有相同数量的质子,但它们的总质量仍然存在差异。

图解:电弧焊工人需穿戴防护用具,以防止遭火花伤害,火花为焊接表面被加热而飞出的金属粒子。

卢瑟福对此有所见解,他认为存在一种新的基本粒子,比质子略重,但呈电中性。1932年,詹姆斯?查德威克发现了这种基本粒子——中子。中子和质子的大小和质量相同——大约是电子质量的2000倍。

我们能把物质进一步分离吗?难道0.00000000000001厘米还不够小吗?!当然,这并不足够小。

夸克

为了寻找比电子、质子和中子更微小的粒子,我们建造了粒子加速器。

图解:世界上最大的粒子加速器内的粒子碰撞

加速器以极高的速度粉碎亚原子粒子,使它们粉碎。这类似于研究一台电视机的内部结构,把它从20层楼高的楼顶扔下去,然后仔细检查破碎的部件。

当物理学家们第一次开始将电子与质子碰撞时,他们观察到电子被质子内部的三个小硬核反弹。科学家发现,这些硬核是组成质子的更小的粒子。这些基本粒子被称为夸克,夸克的发现意味着质子和中子不再是基本粒子。我们已经写了一篇更详细、更引人入胜的文章,专门讨论夸克的性质和行为。你可以在这里找到。

但是如果我们进一步深挖呢?

原子的基本微粒

不,我们不能再小了。夸克是我们用沙粒进行科学探索时遇到的最小的实体。实际上,是夸克和电子,等等,为什么是电子?

与其他粒子不同的是,电子仍然坚定地认为自己是一个真正的基本粒子。它拒绝被进一步分解成更基本的部分。然而,如果电子和夸克是基础粒子,夸克又存在于质子中,那么它的半径怎么会比质子的半径大三倍呢?

我们基于某些假设来测量亚原子粒子的半径。例如,当一个电子的质能势被假定完全包含时,它的半径就会比质子的半径大。通过质子/电子质量比,我们可以较准确地计算电子半径。

图解:物理学的标准模型所涵盖的基本粒子。前三列是费米子,上下又可分为夸克和轻子。第四列是规范玻色子。第五列则是希格斯玻色子。

利用这些比值,我们发现一个电子的半径比我们之前认为的要小十倍左右;十亿分之一的十亿分之一厘米或者0.00000000000000001厘米。

这便是为什么我用“平均”这个词来描述这些粒子的物理性质。半径是一个维度结构,与实际半径无关。

同样的,对于夸克,我们也没有进展。他们拒绝被分离,即使被分离,也不会持续太久。分离持续的时间只有十亿分之一秒!分离一对夸克需要如此多的能量,以至于它最终被用来形成两个夸克。

不要被这里的能量吓到。这样想……你实际上是在试图撕裂现实的本质。

为什么我们对于“尺寸”的概念是错误的?

当我们问这些问题时,脑海中浮现的亚原子粒子的图像其实是错误的!“粒子”这个词经常让人联想到物理教科书中无处不在的微小钢球或台球图像。然而,它们在如此微小的维度上的结构和活动,与日常经验截然不同。

它们的物理性质无法精确测量,它们在特定区域的存在只能由概率来定义。

尽管如此,科学家们还是设法进行了一些精明的研究,以接近夸克的大小。我能找到的最新的近似值是十亿分之一厘米的十亿分之一厘米,和电子在同一个级别。

在这一点上,我们必须认识到,作为粒子物理学皇冠上的宝石,标准模型并不是用亚原子粒子的大小或质量来描述它们,而是用它们的能量来描述。质子或中子没有固定的形状或体积——它的体积是由其组分所处的空间决定的。

夸克,电子或任何其他亚原子粒子都是集中的能量;它们没有特定的顺序,而基本粒子,如夸克和电子,则被认为是点状的。它们没有维度,被认为是空间中的一个没有维度的点。把它们当作点只是一种有用的简化,因为没有相反的证据。

基于这些考虑的模型以惊人的准确性,成功地获取了迄今为止所有已知的信息。它被认为是任何领域中最精确的理论。当然,这一假设,就像科学上的任何假设一样,并不害怕在新的假设出现时被推翻和抛弃。只要有证据,科学家们并不担心会再次回到起点。在这种情况下,一个粒子的内部探索。

以上就是“我们所知的最小的粒子是什么”相关内容,是关于“粒子里最小的生物”的分享。

最新内容