组成物质最小的微粒是夸克。
20世纪60年代,美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克(quark)组成的,很多中国物理学家称其为“层子”。它们具有分数电荷,是电子电量的2/3或-1/3倍,自旋为1/2。“夸克”一词是由默里·盖尔曼改编自詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根彻夜祭》(Finnegan's Wake)中的诗句。最初解释强相互作用粒子的理论需要三种夸克,叫做夸克的三种味,它们分别是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇异夸克(strange,s)。1974年发现了J/ψ粒子,要求引入第四种夸克粲夸克(魅夸克)(charm,c)。1977年发现了Υ粒子,要求引入第五种夸克底夸克(bottom,b)。1994年发现第六种夸克顶夸克(top,t),人们相信这是最后一种夸克。
夸克理论认为,所有的重子都是由三个夸克组成的,反重子则是由三个相应的反夸克组成的。比如质子(uud),中子(udd)。夸克理论还预言了存在一种由三个奇异夸克组成的粒子(sss),这种粒子于1964年在氢气泡室中观测到,叫做负ω粒子。
夸克按其特性分为三代,如下表所示:
符号 中文名称 英文名称 电荷(e) 质量(GeV/c^2)
u 上夸克 up +2/3 0.004
d 下夸克 down -1/3 0.008
c 粲(魅)夸克 charm +2/3 1.5
s 奇夸克 strange -1/3 0.15
t 顶夸克 top +2/3 176
b 底夸克 bottom -1/3 4.7
在量子色动力学中,夸克除了具有“味”的特性外,还具有三种“色”的特性,分别是红、绿和蓝。这里“色”并非指夸克真的具有颜色,而是借“色”这一词形象地比喻夸克本身的一种物理属性。量子色动力学认为,一般物质是没有“色”的,组成重子的三种夸克的“颜色”分别为红、绿和蓝,因此叠加在一起就成了无色的。因此计入6种味和3种色的属性,共有18种夸克,另有它们对应的18种反夸克。
夸克理论还认为,介子是由同色的一个夸克和一个反夸克组成的束缚态。例如,日本物理学家汤川秀树预言的[[π+介子]]是由一个上夸克和一个反下夸克组成的,π-介子则是由一个反上夸克和一个下夸克组成的,它们都是无色的。
除顶夸克外的五种夸克已经通过实验发现它们的存在,华裔科学家丁肇中便因发现粲夸克而获诺贝尔物理学奖。近十年来高能粒子物理学家的主攻方向之一是顶夸克 (t)。
至于1994年最新发现的第六种“顶夸克”,相信是最后一种,它的发现令科学家得出有关夸克子的完整图像,有助研究在宇宙大爆炸之初少于一秒之内宇宙如何演化,因为大爆炸最初产生的高热,会产生顶夸粒子。
研究显示,有些恒星在演化末期可能会变成“夸克星”。当星体抵受不住自身的万有引力不断收缩时,密度大增会把夸克挤出来,最终一个太阳大小的星体可能会萎缩到只有七、八公里那么大,但仍会发光。
夸克理论认为,夸克都是被囚禁在粒子内部的,不存在单独的夸克。一些人据此提出反对意见,认为夸克不是真实存在的。然而夸克理论做出的几乎所有预言都与实验测量符合的很好,因此大部分研究者相信夸克理论是正确的。
1997年,俄国物理学家戴阿科诺夫等人预测,存在一种由五个夸克组成的粒子,质量比氢原子大50%。2001年,日本物理学家在SP环-8加速器上用伽马射线轰击一片塑料时,发现了五夸克粒子存在的证据。随后得到了美国托马斯·杰裴逊国家加速器实验室和莫斯科理论和实验物理研究所的物理学家们的证实。这种五夸克粒子是由2个上夸克、2个下夸克和一个反奇异夸克组成的,它并不违背粒子物理的标准模型。这是第一次发现多于3个夸克组成的粒子。研究人员认为,这种粒子可能仅是“五夸克”粒子家族中第一个被发现的成员,还有可能存在由4个或6个夸克组成的粒子。
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。
分子是组成物质的微小单元,它是能够独立存在并保持物质原有的一切化学性质的最小微粒
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。
至今没有定论,目前认为是夸克和胶子