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量子活力场 科普三： 微观粒子家族和量子力学（中） 导论 科学家们说：“如果挖掘得足够深入，一切事物都是量子的”，“没有量子力学，就不会有生命。” 当我们已经真切生活在量子时代时，即使作为普通大众，我们是否也需要更多了解一些量子力学的基础知识，以便我们的思维和行为不违背宇宙的基本规律呢？ 量子世界的一些性质简直就是魔法，没有量子力学，就没有世界、就没有生命，也就没有你和我！ 这可不是耸人听闻！ 还记得“微观粒子家族和量子力学（上）”一文中，在介绍质子的时候，我们谈到过“量子隧穿”效应吗？ 说的是量子（比方说：质子），可以像“崂山道士”故事中的道士那样不用翻墙，直接就能穿墙而过吗？ 今天要说的是：没有量子力学，就没有生命！ “圣经”里说：上帝说“要有光”，于是天地间就有了光！ 但物理学告诉我们，没有量子力学，太阳就不能发光，就没有光合作用，也就没有生命！ 那又是怎么一回事呢？ 原来，太阳是因为不断进行“核聚变”才产生巨大的能量，从而发光发热的！太阳的“核聚变”是指由质量小的原子，主要是指氘，在极高的温度和压力下让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核（如氦），同时释放出巨大的能量。人类已经可以实现受控制的“核聚变”，如氢弹的爆炸。 但在高中物理课中我们就了解到，质子是带有正电荷的，根据“同性相斥”原理，两个正电荷之间有斥力（称为“能障”——能量障碍，就像崂山道士面前的墙），按宏观世界中的道理，它们是无法聚合在一起的。 但是，因为“量子隧穿”效应，“核聚变”中的两个质子才能突破“能障”聚合在一起，从而发生聚变产生巨大的能量，太阳就发光发热了。太阳光照到地球，绿色植物的光合作用发生了，绿植成为单细胞生物（比如：阿米巴原虫）的食物，动物界的进化得以产生，一直到后来有了人类！ ——量子活力场  核聚变示意图 生命演化出了各种方法，利用量子世界的“戏法”来为自己的生命提供便利。 让自己的思维、行为符合宇宙和自然的规则好吗？ 那就一起来了解一些微观粒子世界的知识吧！ 四、什么是原子核？ 1、前面我们已经讲过：原子是由原子核和高速运动的核外电子组成的。原子核位于原子的核心部分，由质子和中子两种微粒构成。  原子核由质子和中子组成 2、原子核极小，它的直径在10的-15次方米到10的-14次方米之间，体积只占原子体积的几千亿分之一，但是这极小的原子核质量却非常大，几乎占据了原子99.96%以上的质量。因为原子核的密度极大，可达到约为10的十七次方千克每立方米】，按照这样的密度计算，即如果有一立方米的原子核，那么它的质量将达到10的十四次方吨，即1百万亿吨。 3、原子核中的质子带有一个单位电量的正电荷，与电子所带的一个单位的负电荷电量相当，因为原子中的质子数一定与核外电子数相同，所以原子不带电。 4、原子核的能量极大。因为构成原子核的质子和中子之间存在着巨大的吸引力，能克服质子之间所带正电荷的斥力而结合成原子核，使原子在化学反应中原子核不发生分裂。 5、当原子核发生裂变（原子核分裂为两个或更多的核）或聚变（轻原子核相遇时结合成为重核）时，会释放出巨大的原子核能，即原子能。利用这一性质，方便人们的生活（例如核能发电）。 6. 原子核和量子力学的关系 原子核从尺度上讲可以属于亚原子尺度，但从内部结构而言，是由质子和中子构成，质子还继续可分成两个上夸克和一个下夸克，中子还继续可以分成两个下夸克和一个上夸克。所以，研究原子核既属于“核物理学”这门经典课程，也与量子力学有关，因其与量子管理关系不大，此处不再延伸诠释。 五、什么是中子？ 中子是一种非常特别的微观粒子，它本身不带电，因此很难探测到。但是核裂变和核聚变却又都少不了它。 中子是组成原子核的粒子之一，是原子核构成化学元素不可缺少的成分(氢元素H不含中子)，虽然原子的化学性质是由核内的质子数目确定的，但是如果没有中子，仅有的质子之间的具有吸引性的核力是无法抵消带正电荷的质子间同种电荷的排斥力，使原子核保持稳定(质子带正电，中子不带电)。正是质子与质子、中子与中子、中子与质子之间存在具有吸引性的核力，才抵消了质子之间同种电荷的排斥力，使原子核处于稳定状态。如果原子核内没有中子，就不可能构成除氢之外的其他元素。同一种元素由于原子核中的中子数不同，就构成同位素，如氢元素的同位素氘，就是因为其原子核带有一个中子形成的。 1、中子的质量为 1.6749286 ×10^(-27)千克，比质子的质量稍大(质子的质量为1.672621637(83)×10^(-27)千克)。 2、自由中子是不稳定的粒子，可通过某种作用衰变为质子，放出一个电子和一个反中微子，平均寿命为896秒。中子由两个下夸克和一个上夸克构成，所以它不是基本粒子，而是一个复合粒子。中子因其下夸克和上夸克之电荷互相抵消，本身不带电。  中子结构图 3、中子可根据其速度而被分类：高能(高速)中子具电离能力，能深入穿透物质。 高能中子可以在空气中行进极长距离。中子辐射需要以富有氢核之物质掩蔽，例如混凝土和水。核反应堆是常见之中子放射源，以水作为有效之中子掩蔽物。 4、中子和其它常见的亚原子粒子最大的分别在于：因它穿透性强，无法直接进行观察。但它在核转变中却是非常重要的媒介物。这两项因素使得它在亚原子粒子发现历史的较后期才被发现。 5、虽然组成物质的原子在正常情况下不带电荷，但原子比中子大一万倍，是由带负电的电子围绕带正电的原子核运行而形成的复杂系统。中子只会在与原子核近距离接触时受到影响:一个自由中子在与原子核直接碰撞前不受任何外力影响。因为原子核太小，碰撞机会极少，因此自由中子会在一段极长的距离保持不变。 6、自由中子和原子核的碰撞是弹性碰撞，其遵循宏观下两小球弹性碰撞时的动量法则。当被碰撞的原子核很重时，原子核只会有很小的速度;但是，若是碰撞的对象是和中子质量差不多质子，则质子和中子会以几乎相同的速度飞出。这类的碰撞将会因为制造出的离子而被侦测到。 7、中子的电中性让它不仅很难侦测，也很难被控制。电中性使得我们无法以电磁场来加速、减速或是束缚中子。自由中子（由于它的自旋）仅对磁场有很微弱的作用。真正能有效控制中子的只有核作用力。我们唯一能控制自由中子运动的方式只是放置原子核堆在它们的运动路径上，让中子和原子核碰撞藉以吸收之。 8. 中子与量子力学的关系 中子，从其尺度来讲，是属于亚原子尺度的，但是因为它有内部结构，因此它又不属于不可分的最小单位，所以，中子更多属于经典物理学中“原子物理学”，特别是“核物理学”研究的范畴（核裂变及核聚变都与中子有关）。 六、什么是夸克？ 夸克是迄今为止物理学家们发现的构成物质的最小微粒，所以夸克被称为基本粒子。 1、夸克互相结合，形成一种复合粒子，叫强子（此处不解释），质子和中子是强子中最稳定的粒子，它们是构成原子核的单元。 2、夸克所带的电量是分数值的，比如：上夸克带电量2/3e,下夸克-1/3e，中子由一个上夸克和二个下夸克组成，所以其总电量为0。 3、由于一种叫“夸克禁闭”的现象，夸克不能够直接被观测到，或是被分离出来；只能够在强子里面找到夸克。就是因为这个原因，我们对夸克的所知大都是来自对强子的观测。 4、目前发现的夸克一共有六种，分别是：上、下、奇、粲、底、顶。因为它不能直接被观察到，也不能独立分离出来，我们就不再往下解释。  六种夸克示意图 5、夸克和量子力学的关系： 夸克是基本粒子，是迄今为止发现的最小的粒微，从尺度上讲，它肯定属于亚原子范畴，但因为它的不可观察性和不可分离性，量子力学中关于夸克的研究能找到的资料不多。 （未完待续） 本段综述：质子，中子和夸克有一个共性：都具有自旋。自旋是这些微观粒子的一种内在性质，自旋为粒子与生俱来带有的一种角动量，并且其量值是量子化的（避免新概念过多，“自旋”将在适当的时候介绍） 王慧中 本文作者  编辑：王文璐 谢 华 吴凯骏 |
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