logo 首頁 > 文匯報 > 教育 > 正文

【科學講堂】元素排成表 世界可理解

2018-09-26
■我們現在了解的物質組成部件:分別可以看到「上夸克(u)」、「下夸克(d)」和「奇夸克(s)」。 網上圖片■我們現在了解的物質組成部件:分別可以看到「上夸克(u)」、「下夸克(d)」和「奇夸克(s)」。 網上圖片

我們身邊各種各樣的物質,究竟是由什麼構成的?各種物質看起來千變萬化,當中是否有任何的規律?這些問題,遠至公元前300年的希臘哲學家阿里士多德早已在詢問。到了19世紀,俄羅斯化學家門捷列夫(Dmitri Mendeleev)成功將各種元素排列成元素周期表,呈現出它們之中隱藏的秩序。這給了科學家們極大的信心,提供了一個很好的範例:物質之間真的有秩序,而且是可以被我們理解的。

原子非最小單位

到了20世紀初,盧瑟福(Ernest Rutherford)的金箔實驗發現了原子之中,原來大部分都是「一無所有」的空隙,而原子大部分的質量則集中在位於中央的原子核之中。

隨茯鴔猼熊o展,我們認識了原子並不是物質最小的單位:原子的外圍是電子,而原子核則是由質子及中子所組成。原來不同的原子是由不同數量的電子、質子及中子所構成,而它們相互之間的影響造成了不同元素的特性。

這個成功的探索,鼓勵了科學家繼續詢問相同的問題:質子跟中子又是否由更小的「部件」所組成的?為了尋找答案,在20世紀中後期,科學家們不斷地在實驗室中將不同的粒子加速,令它們擁有更高的能量;然後再讓它們相撞,藉此將它們的高能量轉化成質量,造出更重的新粒子。

這帶出了一個百花齊放卻又混亂的局面:一時之間科學家在實驗室中發現了很多不同的粒子,是否可以重複門捷列夫的創舉,找出它們背後的規律?

由更小粒子製造

美國物理學家蓋爾曼(Murray Gell-Mann)做到了:他指出了一系列的這些新粒子,如何可以利用三種更小的粒子「製造」出來。這些更小的粒子,分別就是我們現在叫的「上夸克(up quark)」、「下夸克(down quark)」和「奇夸克(strange quark)」。(由此看來,物理學家可能並不太擅長改名。)

其後的繼續研究,發現夸克跟「3」這個數字特別投緣:夸克之間有一種獨特的吸引力,稱為「強作用力(strong force)」。「強作用力」跟「3」的關聯在哪裡?我們熟悉的電荷可以分為「正電荷」及「負電荷」兩類,而兩者相遇時就會互相抵消;強作用力也有類似的特質:它也有自己的「電荷」,不過卻有3種,因此只有3種不同的「強作用力電荷」走在一起時才會互相抵消。

在此,物理學家借用了一下藝術家對顏色的理解:紅、藍、綠3種原色加起來,就成為「潔淨無瑕」的白色了,跟強作用力的狀況十分相似。因此強作用力的電荷,現在就被稱為「顏色」:每一顆夸克,都可以被分類為紅色、藍色或綠色。

小結

門捷列夫的元素周期表,是不少科學家心中的範例:世界是可以被理解的。夸克的發現,讓我們更進一步了解比原子核更小的微觀世界。夸克本身也有許多奇怪的性質,希望在未來再和大家分享。

逢星期三見報

讀文匯報PDF版面

新聞排行
圖集
視頻