课程内容

《叫三声夸克》
    有一种礼品盒，看上去只是一个盒子，不知道里面是空的，还是装了什么东西。打开来看看，里面又是一个盒子。好奇心驱使，再打开这个盒子，里面仍然是一个盒子……总之，盒子里装盒子，不知道最里面的盒子里面到底是什么。
    物理学家在研究物质结构的时候，也遇到了一个类似的问题：最里面是什么？
    世界上的物质千千万，石头、铁、空气、水……形态不同，性质各异，但有一点是相同的，最小单位都是原子。铁的最小单位是铁原子，氢的最小单位是氢原子；水的最小单位是水分子，不过，水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成的。
    世界上的物质千千万，分到最小的单位，分到原子这一步就算到头了。自古以来都认为原子是不可再分的了。
    到了19世纪末，X射线的发现促使人们思考，是不是盒子里还有一个盒子？果然，进入20世纪以后，人们发现原子不是最小单位，在原子内部，外围是电子，中心是原子核。原子的质量几乎全部集中在原子核。原子核本身却十分微小，大约10万个原子核排成一条直线才相当于一个原子的直径。
    好奇心驱使科学家进一步研究原子核的结构，发现原子核是由质子和中子组成的。人们产生了一个新的看法：原子是由电子、质子和中子等基本粒子构成的。把这些粒子叫做“基本粒子”，好像是说原子这个盒子里，也就是这些东西了。
    可是，后来科学家在宇宙线中发现了一些新的粒子，在实验室里，在加速器中发现了更多的粒子，基本粒子的数量猛增到300多种，据最新报道说，已经达到了700多种。
    物理学家分别为这些微小的粒子取了名字：光子、介子、中微子、用字母命名的K子以及什么什么子……还测定了它们的质量是多少，带有什么样的电荷，如何自旋（左旋还是右旋），寿命多长，就像调查户口似的，记入了档案，再加以分析。
    经过分析，发现大多数基本粒子是不稳定的，寿命很短，很容易转化为其他基本粒子。这些基本粒子的质量大小差别很大，可以根据质量大小来分类。还有另一种分类方法，它把基本粒子分为两类，一类是轻子，另一类是强子。
    电子和中微子属于轻子，轻子的数量比较少；绝大多数的基本粒子都属于强子，其中包括质子和中子。面对数量如此之多的强子，科学家们又在思考了：还有比质子和中子更小的结构吗？
    这又是一个“盒子里还有盒子吗”一类的问题，科学家从实验里已经感觉到，强子内部有结构。这好比拿起盒子摇一摇，听到响动，可以初步判定盒子里有东西。
    这时候，科学家充分发挥了想像力。美国科学家盖耳曼提出了一个“夸克模型”，说是所有的强子都是由3种夸克构成的。
    夸克是译音，意思是海鸟的叫声。因为在长诗《芬尼根之觉醒》中有一句话：“向麦克老人三呼夸克。”盖耳曼把夸克借用过来，无非是一语双关，说明每一个强子都有3种夸克。
    想像固然浪漫，盖耳曼提出夸克模型却是经过理论分析的，而且分析得很有道理。慢慢地，盖耳曼的理论被大多数人接受了。这等于承认了盒子里有东西。
    知道了有夸克这种物质，那就得把它找出来。要把想像中的夸克变成真实的夸克并不容易，找了20年，也没发现夸克的踪迹。人们有点泄气了。没想到1976年，旅美华人科学家丁肇中发现了J粒子。J粒子的J与中文的丁字非常相似，这也是给这种新粒子命名的妙处。新粒子的发现，引起种种猜测，J粒子是不是第四种夸克？这一发现，又唤起了寻找夸克的热情。
    1976年以后，对夸克又有了新的认识，说夸克不止3种，还有第四、第五、第六种，理论更深入更复杂。
    这时又有一种说法：为什么夸克不能脱离其他粒子而独立存在呢？这真是怪事，仿佛士兵犯了错误被禁闭而失去了自由，难道就没有一个自由夸克吗？
    还有人说，物质的最小结构也许就到此为止了。盒子里装盒子，发现的盒子已不少了，按顺序是原子——原子核——强子——夸克。
    在研究夸克的时候，发现夸克与3这个数字特别有缘，3呼夸克，3种夸克；夸克的种类多了以后，夸克又可以分成3个组，人们把这种组叫做“代”，也就是夸克有3代。
    可是，夸克的第三代里还缺一个夸克，科学家假设它叫顶夸克。1994年4月6日，在费米实验室，终于发现了顶夸克的存在。
    在费米实验室，有一个加速器，地下的环形隧道长达6.4千米。在长达8年的时间里，先后有900名科学家在这里工作，终于找到了顶夸克。这一发现，证实了夸克是存在的，证实了顶夸克是第三代。
    新的发现，带来了新的希望，也带来了新的问题：
    “3”字有什么意义？
    为什么只证实了顶夸克的存在？
    而最基本的问题仍然是：物质的最小结构就是夸克吗？
    盒子里还有盒子吗？

探究·练习
一、课文以盒子里面有盒子为比喻，来说明物质结构的特点。请你根据课文填写物质的盒式结构图，再想一个比喻来说明另一个事物的结构或特点。
    物质

二、假如对下列句子中加横线的部分作如下改动，表达的内容和效果有什么不同？
1、原子核本身却十分微小，大约10万个原子核排成一条直线才相当于一个原子的直径。
   改为：10万个原子核的直径才等于一个原子的直径。
2、科学家从实验里已经感觉到，强子内部有结构。这好比拿起盒子摇一摇，听到响动，可以初步判定盒子里有东西。
   改为：强子的内部结构为科学家的分析提供了初步的根据。
三、科学实验往往经历这样一个过程：科学实验，发现问题→提出假说，实验检验→建立理论，不断完善→发现问题，又产生新的疑问……
    试以夸克的发现为例说明这样一个过程。说明时要用到课文中的一些关键词语。