上帝粒子系列0-----基本粒子家族1:電子、質子、中子

前言:2012年7月14日歐洲CERN公布已發現類希格斯粒子，震撼整個物理界。

接下來有一系列有關上帝粒子的文章。

在此先簡單介紹基本粒子發展史

甚麼是”基本粒子呢?將物質切割到最細微的狀態，必會出現在也無法繼續分割的最小微粒，研究粒子的學問為粒子物理學，又稱高能物理，對基本粒子的有更進一步研究大致從二十世紀開始。

近代原子論由英國化學家道爾吞John Dalton(1766.9.6－1844.7.27)提出，說明物質的最小單位為原子(atom，希臘語為不可分割的)。不過當時的科學家並不曉得原子是否還能夠分割。

英國物理學家湯木生Joseph John Thomson(1856~1940，為卡文迪西實驗室主任，因對陰極射線的研究在1906年獲得諾貝爾物理學獎)受到馬克斯威爾方程組及x射線的發現，仔細觀察陰極射線的彎曲情形，而在1897年指出陰極射線的真正身分是帶負電荷的粒子，也就是”電子”。


後來又發現電子是質量遠比原子小的粒子(已知電子的質量大約為氫原子的1800分之一)，現在一般認為電子是無法在分割的”基本粒子”，也是物理史上第一個被發現的基本粒子。之後科學家由熱電子發射現象及光電效應等等，認為電子是構成所有原子(也可說物質)的要素之一。

英國實驗物理學家拉塞福Ernest Rutherford(1871~1937，湯木生的學生，學術界公認他為繼麥可·法拉第之後最偉大的實驗物理學家。證明了放射性是原子的自然衰變，190年獲諾貝爾化學獎) 用α粒子(He原子的原子核，由兩個質子和兩個中子組成，質量約為電子的7000倍)撞擊一片薄的金箔，他注意到大部分的α粒子都能通過金箔，但卻有八千分之一會回跳。(他以”朝衛生紙發射的子彈竟然會反彈回來”表示自己的驚訝。)這代表什麼呢?原來原子內部是空蕩蕩的!使用α射線實驗也可想像成原子的中心有個小但質量大的粒子(也就是原子核)，只有撞到它時，α射線才會大幅轉向，除此之外都可從空無一物的原子內部直接穿過(但事實上，當α射線接近原子核到某種程度時，因為靜電力的關係，其行進路線會發生彎曲)，即使原子核周圍有電子，但電子的質量非常小(其實不只是非常而已)，對α射線幾乎是沒有影響。從這項實驗所觀察到的結果，拉塞福在1911年建立原子核模型，依照此模型，整個原子的質量幾乎集中於原子核，原子帶有正電且位於原子中心，而核外的電子則因原子核的電力吸引而環繞原子核運動，當時拉塞福將其運動想像成行星繞太陽運行般，所以也有人稱為行星軌道模型。

那原子核裡，究竟有是甚麼東西聚成的呢?拉塞福在1919年進行以α粒子撞擊各種較輕的原子，這過程中發現了質子(proton)。由實驗結果推論出所有的元素原子核中都含有氫的原子核，他將氫原子核命名為質子，每一個質子帶有一個基本電荷的正電，還而電子帶一個基本電荷的負電，因此組成了一個電中性的氫原子。當時科學家普遍認為原子核內由質子和電子構成，剩下的電子則在外頭的軌道繞行，所以原子保持電中性。在1920年時拉塞福可不這麼認為，他猜想原子核內可能有一個質量和質子差不多，但為電中性的粒子，他稱為中子(neutron)，但他所想像的中子是由於氫原子中的電子掉進原子核內而產生的。

1932年，英國物理學家查兌克James Chadwick(1891~1974，為拉塞福的學生，1935年因發現中子的成就在獲得諾貝爾物理學獎)觀測α射線射入某金屬時所產生的游離輻射(放射線)。他認為該游離輻射的真正身分是金屬中的原子核和α射線碰撞而碰出的原子核碎片。後來，科學家得知該游離輻射是電中性粒子的粒子流，並且也知道它的質量約與質子相當，也就是中子。總之，科學家知道原子合是由質子和未帶電荷的中子的這2種粒子組成(除了氫原子核僅有一個質子)。

p.s.由於中子的電中性讓它不僅很難偵測，也很難被控制，且電中性使得我們無法以電磁場來加速、減速或是束縛中子。自由中子僅對磁場有很微弱的作用（因為中子存在磁矩），而真正能有效控制中子的也只有核作用力。

補充--電子後續發展:

美國物理學家密立坎Robert Andrews Millikan(1868~1953，因對基本電荷和光電效應的研究獲得1923年的諾貝爾物理學獎)和學生夫列契Harvey Fletcher(1884~1981)在1909~1912年設計了油滴實驗，此實驗的目的是要測量單一電子的電荷。方法主要是平衡重力與電力，使油滴懸浮於兩片金屬電極之間。並根據已知的電場強度，計算出整顆油滴的總電荷量。重複對許多油滴進行實驗之後，密立根發現所有油滴的總電荷值皆為同一數字的倍數，因此認定此數值為單一電子的電荷e：e=1.592*10的-19次方

 附錄:文中提及科學家之照片
英國化學家道爾吞John Dalton(1766.9.6－1844.7.27)

英國物理學家湯木生Joseph John Thomson(1856~1940

英國實驗物理學家拉塞福Ernest Rutherford(1871~1937

英國物理學家查兌克James Chadwick(1891~1974

美國物理學家密立坎Robert Andrews Millikan(1868~1953

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