人类对自然的探索是无止境的，从不可穷其边界的宇宙空间到无限可分的基本粒子，都是物理学家们孜孜不倦研究的对像。籍助于已经掌握的有关自然的知识，人们极大地提高了生产力，推动了社会的文明进步。
原子核电荷决定了原子的性质
金在元素周期表中是79号元素，汞是8O号。所以，每个金原子拥有79个电子，而汞原子拥有8O个电子。难道这意味着，是电子的数目决定一种物质究竟是汞还是金吗？当然不是如此，因为原子中的电子数取决于核上正电荷的大小。原子核所带的电荷才是最重要的因素。一个原子属于哪一种元素取决于它的核电荷数。
交通通讯
古时的交通靠马车，通讯靠骑马。在战马向皇帝报告胜利的消息时，前方可能却正在吃败仗呢，真是既风趣又讽刺。
现在好了，出门可以坐汽车、乘飞机，这些交通工具也都离不开电机。通讯更是先进，电话、传真的快捷都在分秒之内。为使通讯更加快速、质量更高，现在开始利用光子通讯（光缆通讯）。电话已可随身携带又能光学显示，使远隔万里的通话双方，真的如同近在咫尺。通讯卫星更是神奇，它可开通多路电话、电视，为轮船、飞机等导航，向全世界发布可视信息。真正做到了“秀才不出门，尽知天下事”。
通讯卫星是什么？它是电波的发射和接收装置，其主要部件是集成线路模块。这种模块，是用离子掺杂法在硅晶体上做成的。即用某种元素的离子，注人到硅片上，经各种处理而成。看来，现代化的交通与通讯，每个环节都离不开各种粒子，如电子、光子和离子等。
工作
前面谈了些每个人都碰到的生活问题，而提到工作可就不同了。工、农、兵、学、商、地矿、能源、科研等三百六十行，工作岗位各不相同，不同的行业有不同的工作对象，不好用一种方式来叙说。但绝大多数人面对的是物质世界，而物质世界又是由粒子构成的，所以绝大多数人又直接或间接地与粒子打着交道。粒子在各个行业中的应用多有专属，粒子与每个人的工作或多或少都直接相关。
带有能量的粒子，可以穿透物质，因而可以对物质进行测厚、探伤、照相；粒子引起的电离，可以提供电子、消除静电、报告火灾；粒子对原子的激发，可以用来寻找各种矿藏；粒子与物质的散射，又可以发现煤层、石油和地下水源……，粒子改变了人类工作的面貌。
同位素的应用，更是方便灵活，而且它们的特性不因高温、低温、高压、真空、化学过程而改变，因而即使面对极端过程，也有广阔的应用前景。
总之，粒子可以作为“炮弹”来破坏物质中不需要的部分；粒子又是砖石，可以修补物质中的缺损，或制造出新的物质来。相信各行各业的工作者，会利用粒子在自己的工作中创造出奇迹来！
医疗
提起医疗，人人都知道，再小的医院也有放射科。牙科、骨科的X光拍片，心肺的X射线透视，这些是人们经常碰到的。X射线在医疗上的应用，二战前即已开始。粒子与医疗，很早就结下了不解之缘。
近来更有了心电图、脑电图、胃电图……，电子在诊病中，发挥着巨大威力。更奇特的是CT（计算机辅助断层照相）的出现，有X射线CT、正电子CT等。X射线、正电子、光子及其他粒子，使身体各部的病变成为可见。这些新发明，真是了不起的成就。
γ一照相、质子照相、中子照相、重离子照相，都是些后起之秀。这些仪器都可用来诊断肿瘤。如果说还嫌透视、照相诊断不够直接，近来又发明了核孔滤膜，可把癌细胞捞出来看看。核孔滤膜，是用原子核在有机薄膜（如聚碳酸酯）上打出小孔，其大小和均匀性，都是其他方法无法可比的。
粒子在疾病的诊断上，做出了卓越的贡献。在疾病的治疗上，也有神功。对世界死亡率最高的病症之一癌症最常用的方法是放射治疗。除了γ射线能杀死癌细胞外，近来又出现了杀伤癌细胞更有效的武器－中子、质子、π一介子（由两个夸克组成的粒子）治疗机，它们像长了眼睛一样，只攻击肿瘤，很少损伤机体的正常组织。这是人类取得的又一些光辉成就。
生产粒子的简单道理
粒子的生产，有两类方法。一类是利用较小的能量，把粒子从大块物质中解放出来。例如，加热金属，把电子从中驱赶出来；又如加热水，使水变为蒸汽，让水分子沿管道喷出；再如让两根碳棒之间放电，碳分子（原子）即在碳弧的高温下蒸发出来，还可进而把碳原子的外层电子剥去（如用另外的电子把它打掉），形成碳离子，它可在电场中被加速，使其获得一定能量，向一定方向喷出。
第二类方法，是直接制造粒子本身，这就要用较大的能量。由爱因斯坦著名的质能关系式E＝mc2看出，要造出质量为m的粒子，至少需要总能为E的能量。我们把一些粒子的质量，按能量的标度画出来，就会看到生产它们的难易程度。很明显，光子、电子和中微子Ve的质量最小。怪不得燃烧即可放出光子来。中微子难于探测，先不管它。就是小小的电子e，直接制造它都是不容易的。好在用电子伏量级的能量，就可以把它们从金属中释放出来，所以大规模地生产并不困难。
质能转换公式
1905年，伟大的物理学家爱因斯坦提出一个令人难以置信的理论：物质的质量和能量可以互相转化，即质量可以转化成能量，能量可以转化成质量。他指出，任何具有质量的物体，都贮存着看不见的内能，而且这个由质量贮存起来的能量大到令人难以想象的程度。如果用数学形式表达质量与能量的关系的话，某个物体贮存的能量等于该物体的质量乘以光速的平方。写成公式就是：E=mc2。打个比方说，常规状态下燃烧一吨煤所释放的全部热能，只相当于由质量为0.028毫克物质全部转化所释放的能量。
假设有办法把一个质量仅为1克的小砝码全部转化成能量的话，则它的总能量就会相当于2500万度的电能。爱因斯坦曾作过形象生动的比喻：“只要没有向外放出的能量，能量就观察不到。这好比一个非常有钱的人，如果他从来不花费也不供给别人一分钱，那么就没有谁能说出他有多少财产。”
质子——第一个被发现的粒子
在原子量是整数的元素中，第1号元素氢的原子量是1；第2号元素氦的原子量是4；第3号元素锂的原子量是7；第6号元素碳的原子量是12；第7号元素氮的原子量是14；第8号元素氧的原子量是16。把同位素考虑在内，这些原子量始终是氢原子量的整倍数。鉴于这一现象，和用α粒子轰击轻的原子释放氢核的事实以及其他种种原因，卢瑟福得出的结论是：每个原子核都由氢核构成。于是，普罗特百年前认为组成万物的元素都是氢原子构成的理论重新得到确认。
于是，卢瑟福把分量最轻的氢原子的核看作所有原子的建筑石料，看作一切材料中的基本材料。因为氢核很重要，所以用希腊文“Protos”（第一）一词，命名其为“Protos”（质子）。
发现中子
自卢瑟福把原子描绘为一种微型太阳系以来，人们一直在试图说明原子的构造，但却是枉费心机，原子核的谜越来越不可思议。直到1930年，德国科学家波特和贝克发现原子序数是4的轻金属铍，在α粒子轰击下发射出一种穿透力极强而且不受电场或磁场影响的射线。1932年，居里夫人的女儿伊莲娜和她的丈夫弗里德里克·约里奥发现，这些奇妙的新射线，能将运动速度极快的氢核从煤油中释放出来。这些射线不可能是电磁射线，所以它们肯定是由粒子组成的。然而，这些不受电场和磁场影响的是什么样的粒子呢？科学再一次面对不解之谜……
卢瑟福的学生查德威克借助于云室，破译了这个大谜团。查德威克利用在云室拍下的照片，发现除了α粒子的各种轨迹以外，照片上还显示出两处极其吻合的东西。第一处碰撞的痕迹表明一个神秘的粒子被释放了。而第二处看到的是不知来头的速度极快的氢核行迹，它只有在原子核同飞快的射弹发生碰撞时才会产生。查德威克认为第一次碰撞释放的、不明去向的粒子正是造成第二次碰撞的、不知来头的射弹。但它是什么样的粒子呢？
因为它在云室中没形成痕迹，并且不受磁场或电场的影响，这表明它不带电，是中性的，所以被称为“中子”。查德威克能够确定，中子的重量，或者说质量，几乎跟氢核的质量一样。就这样，能够击破原子核的中子被发现了。
宇宙万物的本原
现在人们发现的元素，只有100多种，但构成了千姿百态、无奇不有的花花世界。它们到底是如何形成的呢？这是一个古老而又现代化的课题。
人类总是想把万物解释为只是由少数基本物质所构成。直到1000年前，大多数人还相信五行说，即“万物皆由金、木、水、火、土构成”。17世纪，英国人波义耳提出了元素的概念。在以后的100多年里，人们发现了氢、氮、氧等元素。到了19世纪，发现了更多的元素，俄国的门捷列夫，把它们排成了周期表。20世纪初，人们还相信这100种左右的化学元素是物质的基本类型。但是，现在科学家相信，基本物质的类型大约只有12种，即一些轻子和夸克。
12种轻子和夸克，组成各种复合粒子。分子、原子、原子核和核子，即是典型代表。各种粒子虽然肉眼看不见，但由它们构成的物质是肉眼看得见的。因此，用粒子影响和改变客观事物，是理所当然的事。
物质结构、生命起源、天体演化，历来是科学家们关注的三个焦点，是科学研究的三大前沿阵地。它们的每一步进展，都深刻地改变着物质世界，改变着人类社会的面貌，与人类的生存、生活、发展、演变息息相关。
人工制造粒子
古代人，曾希望能点石成金。这个愿望，现代人算是彻底实现了。以现在科技发达的程度，人类几乎能随心所欲地改变物质的种类，这从人造粒子的技术中，就可以得到证实。
用加速器（能够使粒子获得很高能量的装置）发出的高速质子、氘核或a粒子等作为“炮弹”，轰击各种原子核，可以制出多种放射性同位素。如医学上常用的57/27钴，就是用氘核作“炮弹”，轰击56/26铁而得到的。其反应式为：56/26铁十2/1氘一57/27钴十n常简写为56铁（d，n）57钴。
把粒子释放出来
用钢筋、水泥、砖块和木料，可以建起摩天大楼，但是，大楼一旦建成，这些建筑材料，就无法移作他用了。
构成物质的粒子，情况也类似，平时处于物质之中，永久执行着天然赋予的使命，人类无法充分利用其其他功能。只有把粒子分离出来后，才能调动它们控制它们，要它们干各种各样的事情。
把粒子从物质中分离出来的方法有两种，一为集合天然粒子（提纯天然放射性同位素），一为人工制造粒子，它包括制造人工同位素和用原子击碎器（或称粒子加速器）制造新粒子。此外，还需要建立感知粒子存在的装置，因为粒子都是肉眼凡胎的人所看不见摸不着的。
怎样感知粒子的存在
感知粒子的存在，靠的是粒子与物质的作用。例如，带电粒子在物质中会引起电离，就是把原子中的电子打出一些。因为原子核带的正电与核外电子的负电一样多，这样，原子核和剩下那部分电子整体对外显正电，遂被称为正离子。如氩原子，核中有18个质子，核外有18个电子，正好是电中性的。若用一个α粒子把它的电子打出一个，这时氩原子就带一个正电荷，形成氩+（氩离子或带正电荷的氩粒子，以后如不特别指出，我们将不区分“离子”和“粒子”）。如果a粒子很多，那么氩+与电子就很多，叫形成了氩+与电子的等离子体，意思是氩+与电子的数目一样多。把这个等离子体放在电场中时，因同性相斥、异性相吸的道理，电子就跑向正极，氩+移向负极。结果，可在外电路里输出电流。这就不但测出了带电粒子（这时是入射的α粒子）的存在，而且可测出其强度。用这种方法，可以做成电离室和计数管（室内、管内充氩气）。前者一般只测量粒子引起的平均电流，后者能测出粒子的个数。而且若改变计数管外加电压的大小，从输出电压的不同幅度，还可判定入射粒子的类型和能量。
以上讲述的方法，只能判定了粒子的类型、强度和能量，还未看到粒子。但是，人们也发明了能够“看到”粒子行踪的仪器，云室即其一种。众所周知，水蒸气过饱和后，就会结成水珠。云室就是装有饱和水蒸气或酒精汽的容器。当粒子穿过时，让其温度突然降低，这时水汽即刻达到过饱和，在粒子的行踪上，因电离形成了凝结中心，从而结为水珠链，这就显出了粒子的径迹。
以类似的原理，人们又发明了泡室。它是个密封容器，内中装满某种液体，其温度达液体的沸点以上，但因压力大，液体并不冒泡和沸腾。当粒子经过时突然减压，在粒子路径上会产生电离离子，并其中心处形成汽泡，从而显出粒子的径迹。
另一类粒子径迹探测器，是原子核乳胶。它实质上是感光层较厚的照相底片，只不过其配方对粒子更灵敏罢了。它是同体中显现粒子径迹的设备之一，在粒子物理中，立下过汗马功劳。
所有观测粒子径迹的仪器，都可以放在磁场中，用来观测径迹的弯曲度。因粒子的质量、能量不同，在磁场中径迹的弯曲度也不同。这样，就使不同类型、不同能量的粒子能得以辨认。
γ射线的电离较弱，用上述力法不易观察，但当它射入荧光体（如碘化钠晶体、塑料闪烁体等）时，会发出荧光，用光电放大器（通常叫光电倍增管）放大后，会输出电脉冲，从而可查知γ射线的存在。
粒子探测器的类型还有很多。但大都离不开电离和发光。把它们组合起来，可以完成对各种粒子特性的测量。它们是粒子应用中的尺子、天秤和眼睛。
把原子拆开来
原子太小，直径只有二千万分之一厘米，而且里面大部分是空的，用任何显微镜都无法观察。原子中心是原子核，原子绝大部分质量集中在这里，其体积却不到整个原子的十万分之一。原子核周围是不停旋转的点子。电子是几乎没有质量的亚原子粒子，带负电，与原子核的正电相平衡。更不可思议的是，构成原子核的质子和中子是由更小的粒子构成。
科学家看不到原子，又怎能知道其中的奥秘呢？原来，他们借助名叫粒子加速器的复杂设备，做了许多试验，把原子拆开来，才逐渐查明了原子的结构。
物质结构的研究
物质结构的研究，从广义上讲，在于探讨宇宙万物各个层次的构成和变化的规律。现在认识到的总情况是这样的：对于宇宙，从大的方面说，在太阳系外面，还有千千万万个太阳系，在银河系外面，还有千千万万个银河系，它是无穷无尽的；从小的方面说，也是无穷无尽的，物质一般由分子组成，分子又由各种原子组成，原子里面又分为原子核和电子，原子核里面又分为质子和中子。最新的研究表明，质子和中子（统称为核子）是由所谓夸克组成的。现在人们还无法把夸克从核子里面解放出来。
上面的内容可用图形形象地表示出来。我们看到，图中标线的两头都是虚线，那是完全未被人们认识的世界。科学家们正在把这些阵地向两端延伸。
物质结构的研究，从狭义上讲，只探讨物质的本源，即限制在物质是由什么组成的、怎样组成？以及变革物质的方式、方法，从而按人类的需要改造客观世界，为人类造福。
对于物质，从小的方面说，现在知道有5个层次：分子一原子一原子核一核子一夸克。
就拿简单的水分子说吧，它是由两个氢原子（H）和1个氧原子（O）组成的。氢原子的核，是一个质子（P），质子外面，有一个电子（e）绕其运行。质子又由三个夸克（两个上夸克u，一个下夸克（d）构成。而氧原子就复杂得多了，它由8个质子与8个中子（n）构成核，核外有8个电子绕行。而每个中子又含有3个夸克（一个u，两个d），现在只认识到夸克这个层次，而且现在还不能把夸克从核子中分离出来。
物质结构的组成
分子，是物质能独立存在、并保持该物质一切化学性质不变的最小单位。由一种或几种元素（具有相同原子核电荷数的原子的总称）的原子、依一定的数目和方式结合而成。单质分子，由一种原子组成，例如氢分子H2，氧分子O2，臭氧分子O3等。化合物分子，由几种原子组成，例如水分子H2O，氨分子NH3（N是氮原子）等。分子中，以原子的不同结合方式，可构成不同的物质，如CH3CH2OH和CH3OCH3中（C是碳原子），同种原子的数目虽然一样多，但前者为酒精分子，而后者为甲醚分子，性状完全不同。小的分子，只有几个原子；而大的分子（叫高分子），包含的原子数目，可达几千个之多。所以不同分子的尺度可能相差很大。
原子，是组成单质和化合物分子的最小单位。是化学反应中不能再分的粒子。它是元素的最小物质单位。已发现的元素有100多种，但每种元素，都有其同位素（核中质子数相同，中子数不同），而且现在，还不断有新的同位素制造出来。所以原子的数目，大大多于元素的数目。例如，氢元素有三种同位素，分别叫氢（H）、氘（D）、氚（T），后两种原子，在化学反应中的作用与氢原子相同，只是原子核里多了中子，所以质量不同，也称氢、重氢、超重氢。它们与氧原子又可分别组成水（H2O）、重水（D2O）、超重水（T2O）。对于复杂原子，核外电子较多，它们的运行比较复杂，在此不再赘述。
原子核，是原子的中心体。由质子与中子组成。核带正电荷，电荷数与其包含的质子数相等。其质量，几乎等于原子的总质量，半径约为几个10-13厘米（与包含核子数的多少有关）。核的结构问题，正在研究之中，粗略的看法是，球形且可变形，既有转动又有振动，很像分子的情形。
核子（质子与中子的统称），是组成原子核的基本单位。每个核子由3个夸克构成。目前夸克还被囚禁在核子中，没有逃出之法。
夸克，是组成强相互作用粒子（简称强子，如核子）的基本单位。共有6类，称为夸克的6种“味道”。每种味道，还有“红”、“蓝”、“绿”3种颜色，共18种。这里“味道”、“颜色”，只是分类用语，毫无字面的意义。以后会谈到，在粒子世界中，每种粒子都有其反粒子（反粒子与粒子的电荷相反，或自旋J相反）。所以，夸克的总数不是18种，而是36种。
以上说明，宇宙间万物虽千差万别、形态各异，但最终都可以分解为几种粒子。
物质结构概要
近代以来的物理学研究发现，物质是由不同层次的微粒构成的，形成了一个阶梯系列。二三百年前，人们发现物质由分子及原子组成。到19世纪末，在科学实验基础上，科学家认识到原子由原子核和核外电子构成。原子很小，直径约亿分之一厘米。原子核大约是原子的10万分之一，电子则更小，大约是原子的亿分之一。再进一步，人们发现原子核又是由质子和中子组成的。
到此，曾有人以为找到了构成物质的最小“砖块”。然而，不久人们就发现了这种认识的局限性。
通过对宇宙射线的观察分析和高能加速器的实验，又发现了比上述微粒更小、更基本的大批新粒子，如介子、中微子、反粒子以及组成质子、中子的夸克等，达到几百种之多。其中，大部分在自然界中并不存在，而是在高能束流的轰击下才产生出来的。
微观粒子之间存在不同的相互作用。根据这些相互作用力的特点，可把几百种粒子分为强子、轻子和传播子3类。
强子是指参与强相互作用的那些粒子，包括质子、中子、π介子等。强子有其内部结构，由夸克组成。夸克有上、下、奇、粲、底、顶6类，每类有3种，共18种。1995年，科学家用高能物理实验证实了顶夸克存在的预言，这是近年来关于物质结构研究的一项重大进展。
轻子与强作用无关，只参与弱力、电磁力和引力相互作用，如电子、中微子、μ子、τ子等。1992年，我国北京正负电子对撞机成功实现了τ轻子质量的精确测定，取得了国际高能物理界瞩目的结果，使我国在该高科技领域占有一席之地。
微观世界作用力的传递是由粒子完成的。这些粒子即称传播子，也属于基本粒子范畴，传递强力的称胶子，传播电磁力的是光子，弱力的传播子是中间玻色子W+、W+和Z0。
夸克、轻子是不是就是最基本的物质结构单元呢？也不是。已有许多迹象表明，它们也可能还存在内部结构。对更微观层次的探究，是当代科学研究的最前沿之一。
人们会问：这样无限分下去有什么意义呢？一是哲学上的意义，证明世界的物质性和人类认识永无止境；二是科学理论上的意义，丰富了人们关于物质世界的基本知识；三是实践上的意义。当年对原子核内部结构的探索，导致了核能的广泛利用和开发。反物质有可能成为未来人类更强大的能源。除这些以外；研究超微观世界，需要庞大的高能实验设备，如对撞机、加速器等，这些设备的研制是高技术发展极强的推动力量，如我国自行设计、研制的北京正负电子对撞机，不仅取得了“精确测量τ轻子质量”这一高水平理论研究成果，而且，在对撞机的研制过程中，还带动了一大批高技术的发展。
