原子是由什么组成的？物理学中的物质

物理学中的物质

1．什么是原子

物理学是研究物质运动规律的，让我们来看看目前物理学对物质的认识。首先，我们观察一下我们身边的实物：山、水、树木、动物、空气……它们有着各种不同的结构和形态。但是我们现在已经知道，它们都是由原子组成的。这是一个非常重要的概念，知道了这一点就会使我们更好地理解自然界中的很多现象，而且对错综复杂的自然界的研究有了一个统一的基础。

说物体是由原子组成的，学过初中化学的同学也许会说这句话不对。应该说物体是由分子组成的，分子才是原子组成的。后一种更适合于化学和物理学知识尚不丰富的学生。事实上，分子的概念在有些情况下并不是太准确。比如说到水分子，我们都知道是由一个氧原子和两个氢原子通过化学键的作用结合在一起形成的，这时分子的概念很明确（见图1－6）。像食盐晶体，是氯原子和钠原子以立方形式排列，我们很难说哪一个氯原子和哪一个钠原子形成一个分子（见图1－6）。另外一点就是，宇宙中分子有千万种，而天然存在的原子却只有不到一百种，不同原子结合成分子的规律十分复杂，作为初步学习物理学知识的我们，掌握一点最基本的概念是非常必要的，还是让我们说物体是由原子组成的吧。

图1－6　水分子（左）和食盐晶体分子示意图

先让我们了解一下原子的大小。如果设想原子是一个球体，其半径大约是0．1～0．2纳米（长度单位，1纳米＝10^－9米）。原子很小，不要说用肉眼，就是一般的显微镜也不可能看清楚单个原子。做一个形象的比喻，如果把一个苹果放大到地球那么大，一个普通原子就像一个苹果那么大。

知道物体由原子组成的，我们稍加思考，就会理解许多物理现象。盛水的杯子不加盖，杯中的水会慢慢减少，这是因为水分子慢慢地跑到空气中去了，这就是蒸发；大量的原子固定在一定的位置上并互相作用结合在一起，这就形成了固体；我们想拉断一根棒状材料需要很大力气，原来原子之间有一种结合力……看来“物体由原子组成”这一概念确实是非常重要的。

让我们的目光向更小的尺度上看去：原子是由什么组成的呢？原子是由一个原子核和一个或多个围绕核运转的电子组成的。这有点像太阳系，太阳就像原子核，围绕太阳运转的行星就像电子。但是有两点不好比，一是原子核带正电荷，电子带负电荷，而太阳、行星都不带电荷；其次，原子内部是靠电磁力维持运动，而太阳系星体则是靠万有引力维持运动。再做一个形象的比喻，如果把一个原子放大到一个很大的房间那么大，原子核就像一只小萤火虫大小，看来原子里面很“空”。继续下去，原子核是由什么组成的呢？原子核是由中子和质子组成的，质子带正电荷，中子不带电荷。再继续下去，中子、质子又是由什么组成的呢？物理学的研究和发展已经可以回答这个问题：它们是由夸克组成。你也许会继续问下去，夸克是由什么组成的？作为实验科学的物理学目前不能完全回答这个问题，因为还没有实验证据说明夸克有内部结构。比原子更小的领域，物理学同样做了深入研究。如果让我们把目光投向更大的方面会怎样呢？遥望星空，有恒星、星系、星系团……它们是由什么组成的？它们在如何运动？物理学也同样给予关注，同样在进行研究，这就是天体物理学。

2．什么是场

介绍过实物这类物质后，我们再来介绍物理学中的另一类物质，这就是场。场的概念对初学物理的同学来说会有陌生感，但事实上它同样就在你身边。我们可以用一个瓶子装一瓶水，或者装一瓶沙子，但无法装一瓶光，看来光是与水和沙子完全不同的“东西”，水和沙子是物质，物理学上说光也是一种物质。

这里有两个问题需要说明一下，首先，光就是光，为什么要称作场？最初人们对带电体进行实验研究时，发现有两种电荷，一种称作正电，一种称作负电，它们之间有相互作用，实验结果是同种电荷之间有排斥力，正、负电荷之间有吸引力。进一步研究表明，这种相互作用力是通过带电体周围存在的一种特殊“东西”——电场传递的，就像我们拉车时用一根绳子传递拉力一样。虽然场这种东西我们看不见、摸不着（严格地说是可以看得见，摸得着，只是一般带电物体的场是看不见、摸不着的），但它确实存在。进一步研究，当带电体变速运动时，就会向外辐射变化的电磁场，这就是我们熟悉的电磁波。当人们了解了光是发光体中的电子剧烈运动而向外辐射的变化电场这一机理后，很自然地就将光归类到场这一概念之中了。其次，将场看做是一种物质，除了它是客观存在以外，还有什么依据？我们说，场与实物确实存在很大不同，但从物理学的角度看，它们也是有共同点的。比如一个运动着的物体有能量，有动量，场也有能量、有动量；物体撞击到墙壁上反弹，会对壁产生一个压力，光照到镜面上反弹，也会产生一个压力，称作光压。因此，将场看做是一种物质也是理所当然的了。