課程內(nèi)容

《叫三聲夸克》
    有一種禮品盒，看上去只是一個(gè)盒子，不知道里面是空的，還是裝了什么東西。打開(kāi)來(lái)看看，里面又是一個(gè)盒子。好奇心驅(qū)使，再打開(kāi)這個(gè)盒子，里面仍然是一個(gè)盒子……總之，盒子里裝盒子，不知道最里面的盒子里面到底是什么。
    物理學(xué)家在研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的時(shí)候，也遇到了一個(gè)類(lèi)似的問(wèn)題：最里面是什么？
    世界上的物質(zhì)千千萬(wàn)，石頭、鐵、空氣、水……形態(tài)不同，性質(zhì)各異，但有一點(diǎn)是相同的，最小單位都是原子。鐵的最小單位是鐵原子，氫的最小單位是氫原子；水的最小單位是水分子，不過(guò)，水分子是由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子組成的。
    世界上的物質(zhì)千千萬(wàn)，分到最小的單位，分到原子這一步就算到頭了。自古以來(lái)都認(rèn)為原子是不可再分的了。
    到了19世紀(jì)末，X射線的發(fā)現(xiàn)促使人們思考，是不是盒子里還有一個(gè)盒子？果然，進(jìn)入20世紀(jì)以后，人們發(fā)現(xiàn)原子不是最小單位，在原子內(nèi)部，外圍是電子，中心是原子核。原子的質(zhì)量幾乎全部集中在原子核。原子核本身卻十分微小，大約10萬(wàn)個(gè)原子核排成一條直線才相當(dāng)于一個(gè)原子的直徑。
    好奇心驅(qū)使科學(xué)家進(jìn)一步研究原子核的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)原子核是由質(zhì)子和中子組成的。人們產(chǎn)生了一個(gè)新的看法：原子是由電子、質(zhì)子和中子等基本粒子構(gòu)成的。把這些粒子叫做“基本粒子”，好像是說(shuō)原子這個(gè)盒子里，也就是這些東西了。
    可是，后來(lái)科學(xué)家在宇宙線中發(fā)現(xiàn)了一些新的粒子，在實(shí)驗(yàn)室里，在加速器中發(fā)現(xiàn)了更多的粒子，基本粒子的數(shù)量猛增到300多種，據(jù)最新報(bào)道說(shuō)，已經(jīng)達(dá)到了700多種。
    物理學(xué)家分別為這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……還測(cè)定了它們的質(zhì)量是多少，帶有什么樣的電荷，如何自旋（左旋還是右旋），壽命多長(zhǎng)，就像調(diào)查戶(hù)口似的，記入了檔案，再加以分析。
    經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)基本粒子是不穩(wěn)定的，壽命很短，很容易轉(zhuǎn)化為其他基本粒子。這些基本粒子的質(zhì)量大小差別很大，可以根據(jù)質(zhì)量大小來(lái)分類(lèi)。還有另一種分類(lèi)方法，它把基本粒子分為兩類(lèi)，一類(lèi)是輕子，另一類(lèi)是強(qiáng)子。
    電子和中微子屬于輕子，輕子的數(shù)量比較少；絕大多數(shù)的基本粒子都屬于強(qiáng)子，其中包括質(zhì)子和中子。面對(duì)數(shù)量如此之多的強(qiáng)子，科學(xué)家們又在思考了：還有比質(zhì)子和中子更小的結(jié)構(gòu)嗎？
    這又是一個(gè)“盒子里還有盒子嗎”一類(lèi)的問(wèn)題，科學(xué)家從實(shí)驗(yàn)里已經(jīng)感覺(jué)到，強(qiáng)子內(nèi)部有結(jié)構(gòu)。這好比拿起盒子搖一搖，聽(tīng)到響動(dòng)，可以初步判定盒子里有東西。
    這時(shí)候，科學(xué)家充分發(fā)揮了想像力。美國(guó)科學(xué)家蓋耳曼提出了一個(gè)“夸克模型”，說(shuō)是所有的強(qiáng)子都是由3種夸克構(gòu)成的。
    夸克是譯音，意思是海鳥(niǎo)的叫聲。因?yàn)樵陂L(zhǎng)詩(shī)《芬尼根之覺(jué)醒》中有一句話：“向麥克老人三呼夸克?！鄙w耳曼把夸克借用過(guò)來(lái)，無(wú)非是一語(yǔ)雙關(guān)，說(shuō)明每一個(gè)強(qiáng)子都有3種夸克。
    想像固然浪漫，蓋耳曼提出夸克模型卻是經(jīng)過(guò)理論分析的，而且分析得很有道理。慢慢地，蓋耳曼的理論被大多數(shù)人接受了。這等于承認(rèn)了盒子里有東西。
    知道了有夸克這種物質(zhì)，那就得把它找出來(lái)。要把想像中的夸克變成真實(shí)的夸克并不容易，找了20年，也沒(méi)發(fā)現(xiàn)夸克的蹤跡。人們有點(diǎn)泄氣了。沒(méi)想到1976年，旅美華人科學(xué)家丁肇中發(fā)現(xiàn)了J粒子。J粒子的J與中文的丁字非常相似，這也是給這種新粒子命名的妙處。新粒子的發(fā)現(xiàn)，引起種種猜測(cè)，J粒子是不是第四種夸克？這一發(fā)現(xiàn)，又喚起了尋找夸克的熱情。
    1976年以后，對(duì)夸克又有了新的認(rèn)識(shí)，說(shuō)夸克不止3種，還有第四、第五、第六種，理論更深入更復(fù)雜。
    這時(shí)又有一種說(shuō)法：為什么夸克不能脫離其他粒子而獨(dú)立存在呢？這真是怪事，仿佛士兵犯了錯(cuò)誤被禁閉而失去了自由，難道就沒(méi)有一個(gè)自由夸克嗎？
    還有人說(shuō)，物質(zhì)的最小結(jié)構(gòu)也許就到此為止了。盒子里裝盒子，發(fā)現(xiàn)的盒子已不少了，按順序是原子——原子核——強(qiáng)子——夸克。
    在研究夸克的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)夸克與3這個(gè)數(shù)字特別有緣，3呼夸克，3種夸克；夸克的種類(lèi)多了以后，夸克又可以分成3個(gè)組，人們把這種組叫做“代”，也就是夸克有3代。
    可是，夸克的第三代里還缺一個(gè)夸克，科學(xué)家假設(shè)它叫頂夸克。1994年4月6日，在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，終于發(fā)現(xiàn)了頂夸克的存在。
    在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，有一個(gè)加速器，地下的環(huán)形隧道長(zhǎng)達(dá)6.4千米。在長(zhǎng)達(dá)8年的時(shí)間里，先后有900名科學(xué)家在這里工作，終于找到了頂夸克。這一發(fā)現(xiàn)，證實(shí)了夸克是存在的，證實(shí)了頂夸克是第三代。
    新的發(fā)現(xiàn)，帶來(lái)了新的希望，也帶來(lái)了新的問(wèn)題：
    “3”字有什么意義？
    為什么只證實(shí)了頂夸克的存在？
    而最基本的問(wèn)題仍然是：物質(zhì)的最小結(jié)構(gòu)就是夸克嗎？
    盒子里還有盒子嗎？

探究·練習(xí)
一、課文以盒子里面有盒子為比喻，來(lái)說(shuō)明物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。請(qǐng)你根據(jù)課文填寫(xiě)物質(zhì)的盒式結(jié)構(gòu)圖，再想一個(gè)比喻來(lái)說(shuō)明另一個(gè)事物的結(jié)構(gòu)或特點(diǎn)。
    物質(zhì)

二、假如對(duì)下列句子中加橫線的部分作如下改動(dòng)，表達(dá)的內(nèi)容和效果有什么不同？
1、原子核本身卻十分微小，大約10萬(wàn)個(gè)原子核排成一條直線才相當(dāng)于一個(gè)原子的直徑。
   改為：10萬(wàn)個(gè)原子核的直徑才等于一個(gè)原子的直徑。
2、科學(xué)家從實(shí)驗(yàn)里已經(jīng)感覺(jué)到，強(qiáng)子內(nèi)部有結(jié)構(gòu)。這好比拿起盒子搖一搖，聽(tīng)到響動(dòng)，可以初步判定盒子里有東西。
   改為：強(qiáng)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為科學(xué)家的分析提供了初步的根據(jù)。
三、科學(xué)實(shí)驗(yàn)往往經(jīng)歷這樣一個(gè)過(guò)程：科學(xué)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題→提出假說(shuō)，實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)→建立理論，不斷完善→發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，又產(chǎn)生新的疑問(wèn)……
    試以夸克的發(fā)現(xiàn)為例說(shuō)明這樣一個(gè)過(guò)程。說(shuō)明時(shí)要用到課文中的一些關(guān)鍵詞語(yǔ)。