什么是元素周期表中的基本粒子？基本粒子与元素周期表

也许，大家会对宇宙的深邃和自己的渺小感到一丝的恐惧，我们只是生活在5%最常规的物质世界里面，但是对于已知的这5%，我们也不是完全了解，我这么说你可能会感到有点诧异，毕竟我们的科学探索已经这么先进了，但是我不得不告诉你，我们的基础科学还有很多事情没有做，还有很多问题没有搞清楚答案，构成我们的世界最基本的粒子到底是什么，现在聊聊目前最前沿的科学发现最小的基本粒子及深度解析。

基本粒子存在的意义

经过了日复一日的探索，目前发现了12种物质粒子，绝大多数都是从高能粒子对撞机里撞出来的，这12种粒子里有6种被称为“夸克”，英文名是“Quark”，剩余的6种被称为“轻子”，英文名是“ lepton”，正好是一样一半，但是可别以为我们这个世界就是由这12种基本粒子组成的，事实上组成我和你周围一切事物只需要上面12种粒子中的3种就够了，它们是2种夸克和1种轻子，这2种夸克的名字，叫“上夸克”和“下夸克”，另外一种构成物质的“轻子”就是我们所熟悉的“电子”。

在上中学的时候，我们了解到物质的物质的最小单元是“原子”，原子外面绕着电子不同质量的原子核，加上不同数量的电子，就构成了元素周期表里不同的元素，再往下细分，“质子”和“中子”，就是由上夸克和下夸克构成的。基本元素分成原子核和它外面的电子，原子核里面有质子和中子，把质子和中子再细分下来就看到上夸克和下夸克。

上夸克、下夸克和电子已经完全足够构成我们一切的宇宙了，那剩下的9种粒子是干什么用的呢？它们为什么存在呢？

遗憾的是，对于这些问题目前还真的不知道答案，宇宙是通过三种最小的基本粒子构建出来的，通过它们的各种排列组合，就可以把它们组成原子，再通过原子组成分子，然后通过分子组成复杂的物体，比如恒星，行星，地球上一切的动物，也包括你和我，我们对这些比较非常熟悉，但是我们不知道为什么偏偏是由12种基本粒子里面的3种，按照这种方式组成我们的宇宙，也不知道这些物质能不能按照另外一种方式把它们组成起来，目前我们发现的是宇宙在微观层面唯一的组合方式还是存在着很多其他不同的版本的。

简而言之，我们知道了5%的宇宙如何运转，但不知道它为什么要这样运转，有些人可能会觉得这样的问题根本就没有意义，宇宙就是通过这种方式组合到一起的，其他的方式即使存在我们也永远没有办法知道，但是我们人类就是这么好奇就一定要刨根问底，找到事情的答案，科学的进步也是在这种不断的刨根问底里一层一层的向前推进的，如果我们一开始就没有打破砂锅问到底的精神，可能我们研究到分子这个层面就停下来了，对于大多数人来说，这个答案也许没有那么重要，但对物理学上来说这个问题非常的重要，物理学家一定要将宇宙分解到不能再分解，找到那个最小的粒子，直到再也没有办法往下分为止，一旦物理学家发现了这样的基本例子，物理学家就会仔细的研究这些粒子是通过怎样的一个规则来构建我们的宇宙的，由此来理解万物的运转方式，科学家们内心都有这样一个梦想，就是宇宙划分到底层一定是非常简洁的，目前已经找到了夸克和轻子，但是并不确信已经把宇宙切成了最小的部分，话说如此，我们也不能说我们完全没有线索，这个线索在哪呢？就是我们目前发现的这些基本粒子，它能拼成一张表格，这张表格非常像我们熟悉的“元素周期表”，在利用粒子对撞机，研究了一个多世纪之后，物理学家们发现了这12种基本物质粒子。

基本粒子

这12种基本粒子被分为了（三列/四行），每一列是一代的基本粒子（第一列就叫做“第一代基本粒子”，第二列就叫做“第二代基本粒子”，第三列就叫做“第三代基本粒子”），这些粒子的顺序也是从第一代到第三代逐步发现的。

♤第一代基本粒子：

它们是“上夸克 (u)、下夸克 (d)、电子 (e)、电子中微子（νe）”。

♡第二代基本粒子：

它们是“粲夸克 (c)、奇夸克 (s)、缪子 (μ)、缪中微子（νμ）”。

♧第三代基本粒子：

它们是“顶夸克(t)、底夸克(b)、陶子 (τ)、陶中微子（ντ）”。

图解：12种基本粒子

这个表格是非常重要的，它里面藏着一个惊人的秘密，让我们回顾一下人类对宇宙是怎样构成的这件事情的探索过程，最早人们认为宇宙是这样构成的：（把古人的这些物质想象成一张表格）

01

宇宙是由恒星、星云、行星、你、我、山、河、海、植物、动物、石头等等，虽然它是一幅完整的表格，可是这张表格并没有用处，因为这张图没有呈现任何基本的信息，也没有向我们揭示什么内在的规律，它只是呈现了最显而易见的物体。

02

古希腊人提出了一个更简单的表格，这张表格里有4种元素，它们分别是水，土，空气和火。

图解：（左上：土）、（右上：水）、（左下：空气）、（右下：火）

03

东方人也提出了一个类似的表格，这张表格有5个元素，它们是金，木，水，火，土，这个时期的人们都相信宇宙万物都是由这些基本的元素通过不同的比例组合到一起的。

04

现在我们知道这些想法是错误的，或者说是不精确的，但是古人至少往正确的方向上迈出了一步，也就是通过一张宇宙图像来简化人类对整个宇宙的描述，再后来人们发现恒星、石头、土壤、水、火都是由原子组成的，再后来人们又发现原子是由更小的粒子组成的，比如质子和中子，这些还可以继续分成更小的粒子“夸克”。

“基本粒子”与“元素周期表”隐藏着规律

我们所熟知的“元素周期表”，当古人发现元素周期表的时候还不知道原子实际上由更小的电子和质子构成的，仔细看现在的元素周期表，你会发现元素周期表有一侧的元素非常容易发生化学反应，而另外一侧的元素则不太容易发生化学反应，一般把不太容易发生化学反应的那一侧叫做“惰性元素”。同样，位置相近的元素，比如金属元素或者气体元素，它们具有类似的性质，这些规律向我们提供了一个线索，就是元素周期表呈现的并不是最基本层次的粒子。

图解：元素原子属性

☞举例说明：

如果元素周期表上面每一个元素都已经是不可再分的粒子了，那它们各自呈现的性质应该是随机的，而不应该形成某一类的规律。

这就好比你喝了一杯草莓味的奶茶，又喝了一瓶芒果味的奶茶，它们尝起来虽然有区别，但是口感非常相似，于是你就会猜这两杯奶茶肯定不是最基础的元素单位，肯定有什么更基础的元素组成了它们，它们的某一部分彼此相似，另外一小部分彼此不同，所以它们才会呈现出这种有规律的相似性，那组成这两杯的奶茶更基本的元素相同的部分就是水，不同的部分就是里面加的香料，虽然可能你发现不了比奶茶更低层面的水和配料，这些基本的元素，但你通过这种相似性也能够做出这种猜测。

同样科学家在看元素周期表的时候也注意到了这些规律，于是科学家就开始思考这背后一定藏着什么东西，后来他们就发现元素周期表的规律，元素周期表的规律主要关乎于电子轨道的排列方式，这个知识我们就不重新复习了，大家都在中学学习过，我们还知道元素周期表上每一个位置都肯定有一个元素。只要把合适的“中子、质子和电子”放在一起，就肯定能得到某一个元素，即便是这个元素还没有发现，但是只要元素周期表上有一个空位，就迟早能找到这个元素。

回顾了人类发展的历程，又重点说了元素周期表，现在回看一下目前这些基本粒子所列出的这个表格，研究一下前面所说过的粒子表格也会发现类似元素周期表的规律，会发现两种不同的物质粒子“夸克和轻子”，每一列都有两个“夸克”和两个“轻子”，夸克会受到强合力的作用，而轻子不会受到强和力的作用。

构成常规物质的粒子都位于第一列，第二列和第三列每一列的粒子都和第一列很像，它们都是前两个是夸克，后两个是轻子，每一列的某个粒子和它所在的同一行的其它粒子都有相类似的性质。这些性质包括它们能参与的基本力的相互作用，“夸克”粒子能参与强合作用力，而轻子不能参与强合作用力。

每一行的粒子所携带的电荷也是一样的，第一行的上夸克、粲夸克和上夸克，它们所携带的电荷是 2/3，第二行的下夸克、奇夸克和底夸克携带的电荷是-1/3，第四行电子、缪子和陶子携带的电荷是-1，第三行所有的电子中微子、缪中微子、陶中微子携带的电荷都是0。

几十年之前这张例子表格还并不完整，有几种夸克和轻子还没有被发现，不过当时的物理学家们就注意到表格的规律，于是就通过这种规律预示了缺失的粒子。很多年前物理学家就知道应该有第6种夸克存在，因为这张表里为这个粒子留下了一个空缺的位置，过了20年这种粒子终于被发现了，并且把它填进了这张表格。

在元素周期表里，原子的质量和性质是非常重要的线索，从不同原子的质量里看到了规律，又通过它们携带的正电荷推断出每种原子的原子核里都包含多少个质子，多少个中子，因为质子带一个正电荷中子不带。

图解：元素周期表&电负性表

在基本粒子表格里，每种粒子也呈现了质量越来越大的变化，只不过它们没有元素周期表的变化那么有规律

夸克和轻子不一样，它们有奇怪的分数电荷，第一行是 2/3，第二行是-1/3，把上夸克和下夸克以正确的方式混合在一起，就能得到质子或者中子。

☞举例说明：（上夸克的电荷是 2/3，下夸克的电荷是-1/3）

• 例一：

2个上夸克 1个下夸克【2/3 2/3 （-1/3）= 1】，就是一个质子。

• 例二：

1个上夸克 2个下夸克【2/3 （-1/3） （-1/3）=0），就是一个中子。

• 例三：

在表格的第四行和第一列里面的电子，它带的电荷又正好是-1，所以由质子、中子和电子组成的一个原子，它的电荷才正好为0，原子（0）=质子（ 1） 中子（0） 电子（-1）。

如果夸克的电荷多了一点或者少了一点，那质子的正电荷就不能平衡电子的负电荷，也就得不到稳定的中心原子，如果没有这些完美的-1/3和 2/3电荷，我们人类就不会存在，甚至整个宇宙也不会存在。

图解：原子结构示意图

一个粒子能携带多少电荷，这不应该是随机的吗？

按照目前的理论粒子可以携带任何大小的电荷，但是偏偏夸克和轻子就是严格的携带它们应该携带的那个电荷，很遗憾的是我们完全不知道这到底是为什么，也或许在其他的行星里夸克和轻子没有恰好携带这些电荷，那些行星里肯定就诞生不了生命。

在元素周期表发现了某种特别的规律，在元素周期表的更底层一定有更基本的粒子，基本粒子的表格所呈现的规律或许也会存在同样的更基本的粒子，也许电荷的平衡意味着另外一条线索。也许这些不同的粒子是由更小更基本的粒子通过不同的方式组合在一起，才拼凑出这么完美的电荷携带量。

以上说的这些就是目前最前沿的现状了，发现了12种基本粒子，其中3种是有用的，另外9种暂时没有用，所谓没有用，就是还不知道这9种粒子能组成什么样的物质，它们似乎只是单独存在，或许这就已经是答案了。

图解：红圈为：12种基本粒子

结语·“标准模型”

大的粒子可能就是没有用处，因为它们不能合成质量最小的稳定粒子，也就是质子中子和电子，我们的宇宙主要就是上夸克、下夸克及电子这种最轻的粒子组成的，可能在宇宙更小更热的时候，这些大的粒子才派得上用场，现在它们只是宇宙冷却的过程中存留下来的粒子而已。科学家仍然在努力了解这5%的宇宙，我们还是没有透彻透物质的本质。12种基本粒子是不是就不能再细分了，对这12种基本粒子是不是已经切分到底了？

但是和暗物质、暗能量不同，对于这个问题的探索，目前已经有了一个很坚实的基础。这12种基本粒子，物理学家把它叫做“标准模型”，这些都是有现实根据的，都是可以通过实验和观测验证的。

把这个结实的“标准模型”当作一张地图，在它的指引下不断的拓展人类的知识边界，通过基础的研究发现新粒子，因为发现了这些新的粒子，有可能通过它们得到更加完整的宇宙地图。

暗物质有可能就是由我们还没发现的粒子组成的，在我们发现新的粒子的过程中问题包括它的组成，它的运行规律，通过对它们的研究就深入了解常规物质的组成，一定要把宇宙切分到越小越好，越基本越好，这也就是为什么现在的科学家花那么大的代价去建造“粒子对撞机”的原因，通过这种思路我们可以进一步探索那些对常规物质没有明显作用的粒子或者一些现象，在不断发现新的粒子、新的组成方式的过程中，找到新的答案，将答案中改变我们对这个宇宙的看法。

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我是【黄姤】，天体生物学/帐号创始人，曾经的行政管理员，【科普新星培训营】95后女学员，今日头条青云计划精选文章获奖者。创作有关（天体生物学领域.太空生物学领域.科学.科技.科研.科普）的文章，欢迎点赞.评论.转发.关注互相学习。

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