粒子模型对粒子波动性质的考查

现代物理学认为，粒子具有波粒二象性。然而，波和粒子的解释相互不协调，粒子将其能量集中于一个小的区域内，波的能量是均匀分布在整个波前上。对于波粒二象性的困境，自量子论诞生以来，许多物理学家和哲学家都顽强地拼搏过这个问题 ，遗憾的是都无果而终。虽然波粒二象性已被科学界广泛接受，但这仅是一种限于当时科技和认识水平而被迫妥协的结果，许多人将它视为一个权宜之计，而不是一个终极的答案。

粒子模型对单粒子双缝干涉实验的考查

在物理学上，单粒子的双缝干涉实验被视为粒子具有波动性的最有力证据。在该实验中(以光子为例)，入射光里只包含一个光子，在屏幕上光子将整体的为其上某个感光单元所接收。在底片上起初星星点点、继而干涉条纹渐露端倪、最终呈现出完整的干涉图样。如果交替地每次挡住其中一条缝，就可以肯定每个光子通过的是另一条缝，结果是双缝干涉条纹消失了，屏幕上显示单缝衍射图样。

物理学界对上述实验的通常推理是：干涉条纹是两束光相干叠加的结果，按经典粒子的概念，一个光子只通过双缝之一，另一个缝的存在与否，似乎对它的行踪没有影响。它打在屏幕上的概率怎么会受另一缝的制约？如果说下一个光子通过了另一条缝，前后两光子在时间上相隔甚远，干涉效应绝不可能在它们之间发生。所以，是一个光子自己和自己发生干涉，即一个光子同时通过了两条缝。

1.单光子与光束在干涉机制上的矛盾

理性比较光束和单光子的双缝实验不难发现，一方面，前者要求光束必须为相干光 ，否则不能干涉；而后者单光子之间不存在相干，也能出现干涉条纹。显然这两个实验本身就存在无法调和的矛盾。

另一方面，前者的解释是：通过双缝后的不同光子之间发生干涉；而后者的解释：是同一个光子同时通过双缝后与自身干涉。显然，对于同一套实验装置产生的干涉条纹，出现了两种完全不同的干涉机制。难道自然界为我们准备了多套干涉方式，以供我们根据需要来任意选择吗？

面对上述两种实验事实，我们已经陷入干涉机制的困境。

2. 单光子双缝干涉效应的系统相对论解释

在单光子双缝实验中，实验装置的两缝间隔为微米级，如图2-1所示。由于间隔的截面尺度极小，在间隔的临界场中作无规则运动的自由电子，具有围绕“间隔”做环绕运动的分量。这些自由电子相互诱导运动，最终它们都围绕 “间隔”作同向的环绕运动。这种规则的运动导致自由电子之间相互耦合，形成电子对或电子链。于是，在间隔周围形成了一个电流磁场 。

在这个电流磁场的诱导作用下，缝的另一侧上产生一个其表面原子核形成的协变磁场，这两个场统称缝隙场。单光子在通过任意一条缝时，在缝隙场的作用下发生偏向运动，即物理学上的衍射。

在间隔上做环绕运动的自由电子具有一个稳定转动周期T₁，设T₁=nτ₀ ，其中n为整数，τ₀为某个时间单位。一般，从光源发出的光子也具有固定的周期T₂，可表示为：T₂=mτ₀ ，其中m为整数。那么，光源和双缝构成的系统也存在一个周期T，即：T=0。这里未考虑入射单光子的随机路径。

如上所述，相隔时间T的两个光子受到缝隙场的作用相同，设光子与缝隙场的作用共分x种情况，则有：x=T/T₂=

可见，光子与缝隙场的作用共有T/T₂种类型。换言之，通过缝隙后的光子具有T/T₂个运动方向，形成T/T₂条亮纹。由此推测，实验显示的亮纹是将两缝亮纹重叠而成，当然这需要精细调制。显然，这与所谓的自身干涉毫无关联。

当任意一个缝被挡住，间隔消失了，间隔上的电流磁场也就消失，缝隙场也就不存在了，所谓干涉条纹也就消失了。于是，在屏幕上呈现出因受缝隙边沿临界场影响而形成的衍射图案。

粒子模型对波粒二象适用范围的考查

现代物理学认为，对于粒子的波动性和粒子性，它们的使用范围是不同的，即在讨论与物质(物体)相互作用时粒子性有效，在讨论在空间中的运动时波动性有效。

我们知道，不论任何物体，构成物体的分子或原子之间存在着间隙、原子核与电子之间也存在间隙。因此，一个物体就是由悬浮于空间中的各级粒子通过不同作用关系逐级构成的一个松散结构的聚合体。

一方面，根据接触的相对性原理，任何物体或粒子之间的相互作用都是在一定间隙下通过场传递的。也就是说，无论一个粒子与某个物体作用与否，粒子始终处于空间中。而无论物体内的空间还是物体外的空间，它们都是整个连续空间的一部分，粒子性和波动性的精确分界线应在哪个位置呢？显然，从连续空间的角度看，这个分界线并不存在。

另一方面，一个粒子与物体的相互作用，本质是与物体中的某个粒子的相互作用(如核外电子、原子核等)，只不过这个粒子处于束缚态、具有我们可以描述的位置和状态罢了。如果一个粒子与束缚态粒子相互作用就表现出粒子性，而与自由态粒子相互作用时就表现出波动性。这显然是表明，一个粒子是根据与它作用粒子的束缚态或自由态，来决定它要表现出粒子性或波动性。难道一个粒子能够识别与它作用粒子的状态吗？显然，粒子是不可能有意识的。

综上所述，系统相对论认为，包括光子、电子等各种粒子，它们都不具有波动本性，但在特定条件下可以显示出波的某些特征。

基本粒子原意是物质存在的基本单元，它是随着人们对物质结构认识进展而不断发展的，现已认识到不能把它看成是最后的、最简单的组成单元。

粒子模型基本粒子的自旋量子数

1921年，德国史特恩和格拉赫在实验中将碱金属原子束经过一不均匀磁场射到屏幕上时，发现射线束分裂成两束，并向不同方向偏转。基于当时的认知人们认为，电子除了有轨道运动外，还有自旋运动，上述现象是电子自旋磁矩顺着或逆着磁场方向取向的结果。1925年，荷兰物理学家乌伦贝克和哥希密特提出，电子有不依赖于轨道运动的固有磁矩(自旋磁矩)的假设 。

粒子物理学认为，电子自旋量子数s=1/2，它是表征电子自旋角动量的量子数。自旋为1/2的基本粒子还包括正电子、中微子和夸克。光子是自旋为1的粒子，理论假设的希格斯玻色子的自旋为0。

粒子物理研究表明，自旋是和空间旋转对称性相联系的。系统相对论认为，所谓自旋就是指粒子的自转，所谓自旋量子数是对处于转动状态下的粒子场的结构对称性的一种描述。

在微观环境中，粒子总是在不停地转动。如图2-2所示，自旋为1的粒子(如光子)，是指粒子的场在旋转一圈后看起来一样，即该粒子场在转动面上是360度对称结构；自旋为1/2的粒子(如电子和质子)，是指粒子的场在旋转1/2圈后看起来一样，即该粒子场在转动面上是180度对称结构；自旋为0的粒子(如普通天体)，是指该粒子的场从任意角度看都一样，即该粒子是各向同性的全对称结构。通常粒子自旋量子数介于0和1之间。

值得注意的是，在量子力学中，自旋为2的粒子在旋转180度后看起来一样、自旋为1/2的粒子必须旋转2圈才会一样。这一点正好与系统相对论的描述相反，也正因如此，才使得自旋概念变得更加神秘。

对于史特恩和格拉赫的碱金属实验，根据系统相对论原子模型可知，核外电子是在原子核的场域中做环绕运动的，核外电子不可能与外界磁场发生直接作用(否则，电子将不再围绕原子核运行)。换言之，与外界磁场发生相互作用的是原子核的极性场。因此，将原子束分裂的原因归结于核外电子是不正确的。

系统相对论的解释是：根据场域原理，在强磁场中，碱金属原子的场域都较小，原子场域都相对独立而几乎不存在相互作用。当进入弱磁场时，碱金属原子的场域迅速增大，导致相邻原子之间产生相互作用，自转方向相反的原子之间因相互排斥而远离，同向转动的原子之间因相互协变而形成一束稳定的粒子流，这就是原子束分裂的原因。

粒子模型基本粒子并不基本

现代物理学认为，基本粒子理论在本质上是一个发展中的理论，它在许多方面还不能令人满意，其中有两个具有哲学意义的理论问题尚待澄清，即：层次结构问题和相互作用统一问题 。

在物质结构的原子层次上，可以把原子中的电子和原子核分割开来；在原子核层次上，也可以把组成原子核的质子和中子从原子核中分割出来。可是进入到“基本粒子”层次后，强子虽然是由带“色”的层子和反层子组成的，但却不能把层子或反层子从强子中分割出来。这种现象被称为“色”禁闭，对于“色”禁闭现象的原因，至今还未能从理论上找到明确答案。

上世纪80年代已知的层子、反层子已达36种，轻子、反轻子已达12种，再加上作为力的传递者的规范场粒子以及希格斯粒子，总数已很多，这就使人们去设想这些粒子的结构。对此物理学家们已经给出许多理论模型，但各模型之间差别很大，近期内还很难由实验验证和判断究竟哪个模型正确。

系统相对论认为，现代物理学所定义的基本粒子并不基本，真正的基本粒子是cn粒子。

光是人类认识最早的事物之一，然而对于光的本性，直到今天人们尚未形成一致的观点、还在争论。当前物理学面临的各种困难与挑战、矛盾与困惑，或多或少都与光本性的认识有关 。

粒子模型光子存在结构的启示

尽管粒子物理学把光子定义为一种基本粒子，然而还是有人提出了光的光子模型和光波模型，这两类光的模型与许多实验事实相矛盾、是错误的。可以看出，这些模型的构建受到了正负电概念的深刻影响。细致观察光的一些特性，可以窥见光子存在结构的信息。

1.光子的频率与自旋

根据我们在宏观上获得的经验，将光子频率视为光子的转动频率是一个容易理解的方案。然而，对于各向同性(即没有极性)的粒子，我们是无法探测它的转动频率的，因此光子频率的存在，意味着光子是非各向同性的，即光子是有极性的，而极性又意味着结构的存在。因此，光子的频率特性给出了光子存在结构的暗示。

光子的自旋量子数为1。从2.2节可知，光子每转动1圈我们才看到相同的面(场)，即在转动方向上光子是360度对称结构。如果将光子理解为一个条形磁铁，这个磁铁水平放置且在水平面内转动，那么这个磁铁转动360度时，我们看到的将是同一个磁极。因此，从光子的自旋量子数，我们可以获得光子可能存在两个极的信息。

2.对普朗克“能量子”的推导

1900年，普朗克从适用于高频的维恩位移定律和适用于低频的瑞利-琼斯分布公式，拟合出了普朗克黑体辐射公式，该公式完全符合于实验。为了给出公式的解释，普朗克认为，产生电磁波的源可看成是“谐振子”，进而假设谐振子的振动能量(E_r)只可能取离散值，即E_r=nhv₀=nε₀ 。与此不同，1905年爱因斯坦假设电磁波(光)本身是量子化的，即光由粒子组成，这种粒子称为光子，光子的能量E_v=hv，进而给出了光电效应的解释。

实际上，谐振子的概念是普朗克为了理解他的黑体辐射公式而提出的，它未必是一种真实的存在，因为谐振子无法被直接观测。事实上，我们是通过观测谐振子发出的光子来间接理解它的。换言之，谐振子的能量E_r是通过它发出的光子的能量E_v反映出来的，可见E_r与E_v是完全等价的概念。于是有：

E_v=E_r=nε₀=hv (2-1)

上式中，ε₀不再是谐振子中的能量子，而应理解为光子中的能量子，可见光子的能量E_v是能量子ε₀的整数倍。换言之，一个光子是由若干能量子ε₀构成的，光子所含能量子的数量越多，光子的能量就越高，在真空中它的频率也越高。

上述推导出的光子中的能量子ε₀与系统相对论中的刚体态能量子e₀(即cn粒子)是完全等价的概念。由此我们获得光子是由更基本的粒子构成的启示。

粒子模型光子的管状体模型

如上所述，系统相对论构建的光子模型如下：

光子是由若干cn粒子通过叠加方式凝聚成的管状粒子，cn粒子是构成光子的基本单元，也是最小的光子。光子中的cn粒子按极性同向排列，cn粒子之间的耦合涡环(场环)如同一条条绳索将它们紧紧捆在一起。光子是轴对称结构，如图2-3中a所示。

光子的场结构如图2-3中b所示，光子的场是由内场、临界场和外场组成的三层结构。光子中，各cn粒子独立涡环的包络线围成的区域称作光子的内场，又称光子的本体。

在内场外侧，部分cn粒子之间耦合涡环的包络圆围成的区域，称作光子的临界场，这个包络球又称作光子体；相应地，将这个临界场的外边界称作光子的表面，临界场的半径r₀称作光子的半径。

在光子体的外部，弥散着所有cn粒子共同的耦合涡环，称作光子的外场，简称光子场。与cn粒子一样，光子也如同一个微小的磁体，它的场是具有一个阳极N和一个阴极S的极性场，又称双极场。

从单个cn粒子到若干cn粒子构成的光子，它们都具有管状体的结构，系统相对论称之为管状体粒子族。依据这个光子模型，我们可以更好地理解光子的横波、偏振等特性 。

现代物理学认为，电子是一种带负电的稳定的基本粒子。然而，对于电子为什么既有质量又带电荷，尚给不出合理的解释。

粒子模型电子存在结构的启示

在电磁理论中，通常将电子视为一个电荷均匀分布的带电小球，如图2-4所示。在这个经典的电子小球模型中没有给质量留下位置，而且对1/2的自旋也无法给出合理解释，显然这个模型过于粗糙。细致观察电子的一些特性，可以窥见电子存在结构的信息。

电子的自旋量子数为1/2，从2.2节可知，电子每转动1/2圈我们就看到相同的面，即在转动方向上电子是180度对称结构。如果将电子的磁矩和宏观磁体的性质联系起来，电子可以理解为四个三角条形磁铁的组合体，如图2-5所示。那么，这个磁铁组合体转动180度时我们看到的将是相同磁极方向的另一个条形磁铁。因此，从电子的自旋量子数，我们获得电子可能存在四个极面的信息。

电子既带电荷又有质量，而电荷和质量本质上是表征库仑力和万有引力的一种计量方式，这两种不同性质的力反映出电子具有两种不同性质的场。可见，电子同时具有表征质量性质和电荷性质两种类型的场。

粒子模型电子的长方体模型

如上所述，系统相对论构建的电子模型如下：

电子是由若干光子凝聚成的近长方体的稳态粒子，如图2-6中a所示。电子中的光子是对称的凌形排列，相邻光子的极向相反，它们之间的耦合涡环(中性场线)，如同一条条绳索将它们紧紧地捆绑在一起，光子的层数是2的倍数，图2-6中b为上下对称的8层光子构成的电子正方形端面。

和光子一样，电子的场从内到外也分为内场、临界场和外场三层结构，如图2-6中c所示。电子中光子的独立场线(是指未与相邻光子耦合的场线，参见图2-3中b)的包络面围成的区域称作电子的内场，又称电子的本体。

在电子内场外侧，场强衰减步长(见3.1节)从光子间距逐步增大、最终达到一个常数r₀，半径r₀围成的区域称作电子的临界场，又称作电子体；相应地，将这个临界场的外边界称作电子的表面，临界场的半径r₀称作电子的半径。

在电子体的外部，场强衰减步长为常数r₀，这个区域称作电子的外场，简称电子场。如图2-6中c所示，电子场由中性场和极性场两部分构成，这为电子的电荷和质量的来源提供了解释，即电子的中性场决定了它的质量性质、极性场决定了它的带电性质。

粒子模型电子场的结构

如图2-6中c所示，电子场在两个端面上属中性场；在四个侧面上的场是极性场，且相对两侧面极性方向相同，相邻两侧面极性方向相反。从电子场的结构，我们可以推导出电子的一些性质 。

电子的四个侧面如同四个条形磁铁，从每个端面看都是相对两侧面极性相同，相邻两侧面极性相反，称之为四极场。质子场的极性场也属四极场(见后文)，因此电子和质子一样，也具有电四极矩性质。

粒子模型中微子与长方体粒子族

1930年，德国科学家泡利预言了中微子的存在，1956年美国莱因斯和柯万在实验中直接观测到中微子。根据现代物理学研究的结果，中微子自旋为1/2，质量非常轻，小于电子质量的百万分之一。

据此系统相对论认为，中微子与电子结构类似，是由较小光子聚合而成近长方体的稳态粒子，但所含光子的层数和尺寸远小于电子。一方面，由于中微子尺度小，而呈现出具有极强的穿透力；另一方面，由于中微子场非常弱，这使它难以探测。

中微子具有与电子类似的特性，它们属同一类型的粒子，中微子和电子统称为长方体粒子族。

现代物理学认为，质子和中子是构成原子核的基本单元，故统称为核子。系统相对论认为，质子和中子理论都是发展中的理论。

粒子模型质子的正十四面体模型

在分析总结了原子、原子核的大量实验数据的基础上，系统相对论认为，质子是由不同长度的光子凝聚成的正14面的四面-六面体的稳态粒子。质子中光子的排列方式与电子的相同，但光子的层数是4的倍数。

如图2-7所示，质子的表面由8个相等的正六边形和6个相等的正方形组成。其中前后两个正方形构成了质子的两个端面，剩余四个正方形构成质子的四个侧面；在质子的前后两端各有四个正六边形的斜面。与电子相比，质子更接近于一个球体 。

1. 质子的场结构

从质子的一端看，质子是一个八边形，见图2-7中b。四个侧面上的场线分布，随侧面上光子极向的相间分布，而呈现出正、反向场线相间分布的特征，这种场不同于场线同向的极性场，也不同于质子端面上的中性场，称之为混合极性场。

在质子前后斜面的共同边界上是一个尺度相对较小的极性场，这是因为这个边界上的光子非常小导致的。一般这个极性场位于质子的临界场中，不参与跟外界的相互作用。与之相比，侧面上的混合极性场尺度要大得多，它参与跟外界的相互作用，并呈现为质子的正电荷性质和四极矩性质。

从图2-7中可以看出，中性场占据了质子表面的绝大部分，因此质子的场是以中性场为主的、由中性场和极性场构成的复合场。

2. 质子的质量与电量

现代原子核物理公认，质子带正电荷e=1.6×10库仑，其静止质量m_p=1.67×10千克。系统相对论认为，质子的复合场性质决定了它既有质量又有“电量”，即质子的中性场决定了它的质量性质、极性场决定了它的带电性质。

如同太阳场域可以容纳下八大行星而太阳的质量远大于八大行星质量之和一样，作为氢原子，虽然一个质子只能容纳一个电子在核外环绕运行，这并不代表质子的“电量”就等于电子的“电量”。可见，“质子带一个单位的正电荷e”的说法是值得商榷的。

实际上，作为氢原子，质子与核外电子之间的相互作用并非主要是二者极性场之间的所谓电磁相互作用，二者中性场之间的引力作用也对电子的运行起着重要的作用，是不可忽略的。因此，认为“氢原子中质子与电子的引力作用可以忽略不计”的观点是不正确的。

粒子模型中子的复合粒子模型

现代物理学认为，中子是中性不带电的、自旋为1/2的粒子。在原子核物理中，通常将中子和质子视为同一种粒子的两种不同的电荷状态，以不同的同位旋量子数相区别。

1. 中子模型

高能电子、μ子或中微子轰击中子的散射实验显示，中子内部的电荷和磁矩有一定的分布，说明中子不是点粒子，具有一定的内部结构。系统相对论构建的中子模型如图2-8中a所示，电子一端的中性场与质子一端的中性场相互耦合而形成的复合粒子，称为中子。

如图2-8中a所示(质子斜面上的中性场未画出，参见图2-7)，一方面，电子与质子端面上的中性场线相互耦合，即中性场之间的引力作用；另一方面，电子与质子之间的极性场线也相互耦合，即极性场之间的所谓电磁相互作用。

从图2-8中b可以看出，电子半个侧面的极性场线与质子半个侧面上的同极向光子的极性场线之间相互耦合，这些耦合场线如图2-8中a所示，向中子体内进一步收缩、聚集。于是，质子侧面对称两半的、未与电子耦合的正反向的极性场线，向中线偏移、相遇而导致耦合，如图2-8中b中红线所示，红色实线表示在前端耦合的场线，红色虚线表示在后端耦合的场线。

如上所述，中子较质子的极性涡通量敛聚于更小的区域内，导致对外呈现出极性涡通量减小；另一方面，电子与质子相互耦合而构成的中子较质子的半径更大，相应地其表面场强较质子减弱。这就是我们所观测到的宏观环境中“中子不带电”的原因。

根据原子核的梭状模型，原子核表面附着的电子与质子共同构成了中子，这就是人们将中子视为核子的原因，当然作为核子的中子只能位于核表面。

2. 中子的质量

在原子核物理中，中子静止质量m_n=1.675×10千克。比较m_n、m_p、m_e的大小不难发现：m_n>m_p m_e。换言之，当一个质子和一个电子结合成一个中子时，质量出现增溢。N.玻尔据此认为，β衰变过程中能量守恒定律失效。

1931年春，国际核物理会议在罗马召开，W.泡利在会上提出，β衰变过程中能量守恒定律仍然是正确的，能量亏损的原因是因为中子作为一种大质量的中性粒子在衰变过程中变成了质子、电子和一种质量小的中性粒子，正是这种小质量粒子将能量带走了。W.泡利预言的这个窃走能量的“小偷”就是中微子。对此系统相对论有不同的观点。

实际上，中子的质量m_n与它的中性涡通量Ф_m成正比。根据原子核长毛原理和图2-8中子模型可知，中子的半径比质子的半径要大一些，因此中子表面附着的光子的能量比质子的要高一些，而这些光子的能量主要以中性场的形式体现出来，即体现为质量。因此，当一个质子和一个电子结合成一个中子时，质量就会出现增溢。反之，就会出现质量亏损，这与中微子无关。

综上所述，根据系统相对论的质子和中子模型，同位旋的概念进而夸克模型都是值得商榷的。

粒子模型两个质子的凝聚

通常物理学上将质子和中子称作核子，即原子核由质子和中子构成。从中子模型可知，中子是由质子和电子构成的复合粒子，因此将原子核理解为由质子和电子构成更为恰当。

原子核中的质子之间和质子与电子之间是通过场的耦合而凝聚在一起的。质子与电子之间的耦合原理见中子模型。根据质子模型可知，质子端面的中性场是比其斜面和侧面更强的场，因此两个质子是端面相对凝聚在一起的。

如图7-1所示，凝聚在一起的两个质子，它们内部的光子一一对应且极性相反，端面中性场之间、斜面中性场之间以及侧面极性场之间的场线相互耦合，所有耦合场的耦合力共同构成了物理学上所谓的强核力。

粒子模型原子核的梭状模型

以氮原子核为例，如图7-2所示，氮原子核存在上下、左右和前后三种结构对称性。原子核中心最长的一串质子和电子称作原子核的中轴，用R0/L0表示，L0对应的面又称原子核的主面；图7-2中a中上下两侧的两串质子和电子对应的轴记为R 1和R-1，相应地，前后两侧的两串质子和电子对应的轴记为L 1和L-1(见图7-2中b)。氮14和氮15的原子核中各轴上的质子和电子的数量见图7-2c和d。不同轴上相邻的两个质子，在轴上的位置相差半个质子占位。

从氮原子核模型可以看出，原子核是由质子和电子凝聚成的梭状体。核内质子同向规则排列，相邻轴上质子相互咬合而不存在间隙，原子核的剖面图呈肺泡结构，可见原子核的物质密度是极高的；所有相邻的质子间，它们相对的光子均极性相反而紧密耦合在一起(参见图7-1)，这就形成了核力的强力性质；电子如同毛发一样附着在核表面的质子上，电子和它所附着的质子一起，我们称作了中子，这就是实验观测到中子都分布在核表面的原因 。

从上述核结构模型可以看出，核力是由核子之间多个中性场之间和极性场之间的耦合力共同构成的，其中中性场之间的耦合力起主导作用。可见，核力和引力是性质相同的力，关于核力的短程性，这是由质子费米级的场强衰减步长(即质子半径)所决定的。

粒子模型部分原子核的结构模型

根据原子核的梭状模型原理，参考元素丰度和元素周期理论，建立元素周期表的前两个周期元素的核结构模型和原子核中核子排列分别见图7-3和下表。

从图和表可以看出，丰度为100%的元素，其核结构具有三个方向上的对称性；丰度非常低的元素，其核结构的对称性也较差；同一种元素的不同同位素之间，核结构对称性较好的，其丰度也相对较高。据此推测，所谓幻数核就是核结构对称性较好的原子核。

由此可以得到如下结论：原子核中轴或主面上的质子数最多，距离中轴或主面越远，轴或面上的质子数越少；中轴上质子数不少于4时，其两侧轴上才会有质子存在，依次类推，且二者的质子数相差一般不小于3。

需要指出的是，上述核结构模型还处于初级阶段。尤其中轴以外各轴上的质子和电子的排列，存在多种可能性。只有通过实验观测，才能从多个可能性中确定唯一的排列，或确认同位素存在进一步的细分。

值得一提的是“原子质量单位”的概念。1960年物理学国际会议决定，定义一个C中性原子处于基态时静止质量的1/12为原子质量单位。从上述原子核模型可知，原子核具有由中性场和极性场构成的复杂的场结构，“原子质量单位”仅是一种极为粗造的描述原子核的一种方法而已。

近一个世纪以来，我们之所以没有建立起一个相对完善的原子模型，是因为缺乏一个有效的原子核模型。

粒子模型原子核的场结构与核外电子的运动轨道

首先让我们先回顾一下氢原子的场结构与核外电子的运动轨道，参见图2-7。我们以硼11为例展开讨论(忽略中性场的作用)。

图7-3中c的中心纵向剖视图如图7-4所示。从图7-4中可以看出，硼11原子核的极性场分列四个象限中，且相邻象限的极性场相互垂直。每个象限的极性场由核表面两个质子侧面上的(混合)极性场组成，且它们具有相同方向。这四个方向上的极性场，在原子核物理中称作原子核的四极矩。

当核外电子进入原子核的极性场中时，电子受到极性耦合引力的作用而改变运动方向。不考虑原子核中性场的引力作用，绕核运动的电子轨道呈正八边形，每个极性场对电子产生平均45度的偏转作用。

所有原子核都具有四极矩的性质，所不同的是每个极的极性场个数，最少的为1，如氢核、氦核；原子核越大每个极的极性场个数越多。但每个极都对核外电子产生90度的偏转作用，每个极的极性场个数越多，电子轨道越接近于圆形。

粒子模型原子核的轴向对称结构与核外电子的分布

以碳12原子为例，如图7-5所示。核外电子轨道沿原子核中轴线呈左右对称分布，这就是电子壳层模型中电子的数量均为2的倍数的原因；从外到内依次为1s、2s、2p轨道，且轨道半径依次增大。

当分别从两端观察1s轨道两个电子的运动方向时，我们会看到两个电子的运动方向正好相反，即一个顺时针运动，另一个逆时针运动。如果从同一端观察，在轨道上所有核外电子沿相同的方向运动。由于电子的自转方向与轨道运动方向是一致的，因此实际观测1s轨道上的两个电子的自转方向相反。这就是W.泡利不相容原理的本质。

分子物理学认为，分子由原子组成，原子间通过一定的相互作用力，按一定的方式结合成分子。系统相对论认为，分子是两个或多个原子的原子核相互耦合而连接在一起的、有一定几何结构的聚合体。

粒子模型水分子模型

以水分子为例，如图2-9所示，两个氢原子核附着在氧原子核一端的两个斜面上，形成120度夹角的几何结构。图2-9中所示为氧16原子核。

氢原子核与氧原子核之间的相互作用包括两部分，一是，两核相接触侧面上中性场之间的耦合力，这个力类似强相互作用，称之为亚核力，用F_m表示；另一个是两核极性场之间的耦合力(图2-9中未画出，参见图2-8中a)，用F_p表示。氢原子核与氧原子核之间的相互作用力F可表示为：

F= F_m F_p (2-2)

F_p类似化学上的共价键，但共价电子对这个力并没有贡献，相反共价电子是在这个耦合场中运动的。F_m和F_p涡通量表达式参见公式(3-11)。可见，水分子中原子之间的作用力是由核间的中性耦合力和极性耦合力两部分构成的，将这种复合作用简单归于某种化学键是不确切的。

另外，由于水分子中距离氧原子中轴越近场强越强，因此在氢原子与氧原子之间的作用面上，靠近中轴一侧的耦合力强于远离中轴一侧的耦合力，而形成跷跷板效应，导致两氢核之间的夹角减小，这就是实测键角为104.5°的原因。

粒子模型石墨晶体结构模型

现代化学认为，石墨的结晶格架为六边形层状结构，具有完整的层状解理，解理面之间以分子键为主。在石墨晶体中，同层的碳原子以sp2杂化形成共价键，每一个碳原子以三个共价键与另外三个原子相连。六个碳原子在同一个平面上形成了六边形的环，伸展成片层结构，对于同一层来说，它是原子晶体。在同一平面的碳原子还各剩下一个p轨道，它们相互重叠，电子比较自由，相当于金属中的自由电子，所以石墨能导热和导电。

常见的石墨晶体结构图中都将碳原子作为点粒子看待，使得石墨的一些特性不容易直观理解。根据系统相对论的碳原子模型(见图7-5)，绘制石墨晶体结构如图2-10所示。图2-10中的碳原子核为碳12，它呈对称平面结构。

从图2-10可以看出，6个碳原子通过亚核力形成六边形结构，这种亚核力包括核间质子端面之间的作用和核间质子斜面之间的作用两种类型。系统相对论推测，核间质子端面之间的作用建立之前，它们端部的电子脱落而成为游离态电子；核间质子斜面之间的作用建立后，其中一个2p轨道被占用(参见图7-5)，该轨道上的束缚电子也成为游离态电子。正是大量游离电子的存在，使得石墨具有良好的导电性和导热性。

相邻解理面之间不存在上述核间直接相互作用，它们之间的作用主要是中性场之间的引力作用。这个引力作用较上述亚核力要弱得多，因此石墨晶体在层与层之间比较容易分离。

粒子模型分子力与分子的状态

分子力又称范德华力，是指分子间的相互作用。分子物理学认为，当两分子相距较远时，一个分子被另一个分子随时间迅速变化的电偶极矩所极化，从而产生电的吸引力，这时分子力主要表现为引力；当两分子非常接近时，各分子的外层电子云开始重叠，从而产生电的排斥力，分子间距离越近，排斥力越大，这时分子力主要表现为斥力。

根据系统相对论的分子模型可知，分子的场是由中性场和极性场构成的复合场，因此分子之间的引力F_q包括中性耦合力F_m和极性耦合力F_p两部分，即：

F_q=F_m F_p (2-3)

另一方面，分子之间的作用面上，除了耦合面以外还有剪切面，剪切面产生彼此排斥的斥力F_r。因此，分子之间的相互作用类似光子中cn粒子之间的相互作用，对于处于稳定状态的物体，其内部分子之间的引力和斥力是相互平衡的，即处于平衡状态的分子受力F可表示为：

F=F_q F_r=0 (2-4)

对于固体而言，内部的每个分子都在相对固定的位置上不断地振动，每个分子的运动与其周围分子的运动是相互协同、密切关联的。因此就一个物体而言，它是其内分子共同构成一个协变系统。2100433B

标准模型包括三代轻子和三代夸克，以及传递相互作用的光子、胶子、W、Z玻色子和已被实验发现的产生所有粒子质量的希格斯粒子。标准模型是SU(3)XSU(2)XU(1)群产生出来的。描述夸克和胶子相互作用的是SU(3)群，研究本类相互作用的是量子色动力学；描述弱电相互作用的是SU(2)XU(1)群,描述他们的是量子电动力学。2100433B

已经发现的粒子达到400多种。

按照粒子与各种相互作用的不同关系，将粒子分为 ：

粒子媒介子

光子（传递电磁相互作用）

胶子（传递强相互作用）

粒子轻子

电子

电子中微子

μ子和μ子中微子

τ子和τ子中微子

粒子强子

质子

中子

介子

超子

粒子夸克

上夸克

下夸克

奇夸克

粲夸克

底夸克

顶夸克

基本粒子是构成一切物质实体的基本成分；也指量子理论中有基本力的粒子。

严格地说，基本粒子是不能再分解为任何组成部分的粒子。在这一定义下，只有夸克和轻子两种基本粒子。但是，虽然质子和中子由夸克组成，这两类重子都不可能分解为它们的夸克成分，因为独立的夸克是不能存在的。所以，尽管质子和中子以及其他重子由夸克组成，它们常被看成是基本粒子。

粒子电子发现

直到19世纪末，原子一直被认为是物质的基本建筑砌块。后来，英国粒子物理学先驱、剑桥卡文迪什实验室的约瑟夫·约翰·汤姆逊(Joseph John Thomson，1856—1944)，发现原子产生的一种辐射能够用原子自身分裂出来的带电微粒流来解释，知道这种带电微粒就是电子 。

粒子原子核

既然电子带负电荷 ，而原子呈电中性，很明显，原子内部必然有另外的带正电荷的粒子，以抵消电子的负电荷。20世纪初叶，工作于曼彻斯特的新西兰裔物理学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford，1871—1937) (后来继汤姆孙任卡文迪什实验室主任)证明，这一正电荷与原子的大部分质量一起，都集中在很小的中心核内。

起初人们认为，原子核是电子与荷正电的质子的混合物。到了1932年，也在卡文迪什实验室工作的詹姆斯·查特威克(James Chadwick，1891—1937)才发现了不带电的质量几乎与质子一样的中子。于是原子核被解释成由强核相互作用，或强力，维持在一起的质子和中子的集合。

那时，这三种粒子——电子、质子和中子

——似乎是构成一切物质的仅有基本粒子，但宇宙射线研究和粒子加速器中高能粒子束互相轰击的实验却表明，还存在其他类型‘亚原子’粒子；不过这些‘新’粒子是不稳定的，它们将迅速‘衰变’成其他粒子簇射，以我们熟悉的电子、质子和中子告终。

重要的是应该懂得，这些新粒子根本不是存在于粒子加速器中互相轰击的粒子(如质子)的‘内部’；它们是从注入加速器的能量中，按照阿尔伯特`爱因斯坦的公式 (或者，在所讨论的情况下，更恰当的是)创造出来的。

然而，在它们的短暂寿命期间，它们是具备质量和电荷等特征的真正粒子。这样的粒子，应该曾经在大爆炸的高能条件下大量出现。

粒子介子

物理学家不知道如何将这些粒子纳入一个圆满的物理理论，他们试图解释这些粒子之间基本力的作用方式。他们这样做时，仿效光子携有带电粒子之间的电磁力，想借助另一类携带着力的粒子——介子。但介子又是用什么东西制造的呢？

粒子夸克

1964年物理学家盖尔曼提出夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克quark。夸克模型经过几十年的发展，已被多数物理学家接受 。

有一段时期，局面极其混乱。但1960和1970年代发展的夸克理论使局面趋于明朗。夸克理论认为，所有已知粒子可以分成两族。一族由夸克组成，能够‘感知’只在夸克之间起作用的强力，叫做强子。另一族叫做轻子，它们不能感知强力，但参与以所谓的弱力做媒介的相互作用(或称弱相互作用)，比如，放射衰变(包括β衰变)过程就是弱相互作用引起的。强子既能参与强相互作用，也能感知弱力。

粒子轻子

是名副其实的基本粒子，它们不由任何别的东西构成。典范的轻子就是电子，电子与另一种叫做中微子(严格说应是电子中微子)的轻子相伴生。当电子参与放射衰变这类过程时，总有中微子卷入。

由于一些无人知晓的原因，这一基本图像已经复制了两次，产生了三‘代’轻子。除电子本身外，还有比较重的叫做μ介子，它们除了比电子重207倍外，完全像是电子；还有一种甚至更重的粒子叫做τ粒子，它的质量接近质子的两倍。这两种重电子各有其自己的中微子，所以轻子族有六种(三对)粒子。虽然μ介子和τ粒子都能在粒子加速器中用能量制造或从宇宙线产生，但它们很快衰变，转化成电子或中微子。

粒子强子族

强子族本身又再分为两类 。由三个夸克构成的粒子叫做重子，就是我们常说的‘物质’粒子，包括质子和中子(重子和轻子都是费米子族的成员，费米子实际上是普通物质粒子的别称)。由成对的夸克构成的粒子叫做介子，它们是携带基本力的粒子，尽管还有其他的介子(这些力的载体和其他介子又称为玻色子)。

只需要两种夸克(它们的名字很怪，叫做‘上’夸克和‘下’夸克)就能解释质子和中子的结构。一个质子由通过强力维持在一起的两个上夸克和一个下夸克构成，而一个中子由通过强力维持在一起的两个下夸克和一个上夸克构成。

力本身可视为胶子的交换，而胶子本身又由夸克对组成，因而是介子。

正如轻子族复制了三代，夸克族也如此。虽然只需要两种夸克来解释质子和中子的本质，但复制的两代夸克却一代比一代重，其中一代叫做‘奇’夸克和‘粲’夸克，最重的一代叫做‘底’夸克和‘顶’夸克。和重轻子一样，这些粒子能够在高能实验中产生(因而大爆炸时必定大量存在过)，但迅速衰变成它们的较轻对应物。虽然不可能分离出单个夸克，但粒子加速器实验已经提供了夸克族所有这六个成员存在的直接证据；最后一种(顶)夸克是芝加哥费密实验室的科学家于2007年找到的。

对夸克的质量和其他性质的研究表明，不可能有更多代的夸克，只能有三族夸克和三族轻子。幸而标准大爆炸模型也认为不可能存在多于三代的粒子；不然的话，极早期宇宙中额外中微子造成的压力应该驱动宇宙过快地膨胀，从而使留存下来的氦含量与极年老恒星的观测结果不符(见αβγ理论、核合成)。这是最美妙的证据之一，表明粒子物理学和宇宙学两者的标准模型对宇宙行为的描述，都同基本真理相去不远。

但是，除了大爆炸的最早片刻之外，第二和第三代粒子在宇宙的演化或其内容物的行为中基本不起作用。我们在宇宙中看到的每样东西都能用两种夸克(上和下)和两种轻子(电子和电子中微子)加以说明；确实，由于单个的夸克不能独立存在，我们看到的每样东西的行为，仍然能够用1932年就已经知道的电子、中子和质子再加上电子中微子，以及四种基本力，相当准确地予以近似说明。