課程內(nèi)容

《叫三聲夸克》
    有一種禮品盒，看上去只是一個盒子，不知道里面是空的，還是裝了什么東西。打開來看看，里面又是一個盒子。好奇心驅(qū)使，再打開這個盒子，里面仍然是一個盒子……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)的時候，也遇到了一個類似的問題：最里面是什么？
    世界上的物質(zhì)千千萬，石頭、鐵、空氣、水……形態(tài)不同，性質(zhì)各異，但有一點是相同的，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，水分子是由兩個氫原子和一個氧原子組成的。
    世界上的物質(zhì)千千萬，分到最小的單位，分到原子這一步就算到頭了。自古以來都認(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10萬個原子核排成一條直線才相當(dāng)于一個原子的直徑。
    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”，好像是說原子這個盒子里，也就是這些東西了。
    可是，后來科學(xué)家在宇宙線中發(fā)現(xiàn)了一些新的粒子，在實驗室里，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)最新報道說，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，就像調(diào)查戶口似的，記入了檔案，再加以分析。
    經(jīng)過分析，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)量大小來分類。還有另一種分類方法，它把基本粒子分為兩類，一類是輕子，另一類是強(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“盒子里還有盒子嗎”一類的問題，科學(xué)家從實驗里已經(jīng)感覺到，強(qiáng)子內(nèi)部有結(jié)構(gòu)。這好比拿起盒子搖一搖，聽到響動，可以初步判定盒子里有東西。
    這時候，科學(xué)家充分發(fā)揮了想像力。美國科學(xué)家蓋耳曼提出了一個“夸克模型”，說是所有的強(qiáng)子都是由3種夸克構(gòu)成的。
    夸克是譯音，意思是海鳥的叫聲。因為在長詩《芬尼根之覺醒》中有一句話：“向麥克老人三呼夸克?！鄙w耳曼把夸克借用過來，無非是一語雙關(guān)，說明每一個強(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。要把想像中的夸克變成真實的夸克并不容易，找了20年，也沒發(fā)現(xiàn)夸克的蹤跡。人們有點泄氣了。沒想到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，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，對夸克又有了新的認(rèn)識，說夸克不止3種，還有第四、第五、第六種，理論更深入更復(fù)雜。
    這時又有一種說法：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，仿佛士兵犯了錯誤被禁閉而失去了自由，難道就沒有一個自由夸克嗎？
    還有人說，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。
    在研究夸克的時候，發(fā)現(xiàn)夸克與3這個數(shù)字特別有緣，3呼夸克，3種夸克；夸克的種類多了以后，夸克又可以分成3個組，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)米實驗室，終于發(fā)現(xiàn)了頂夸克的存在。
    在費(fèi)米實驗室，有一個加速器，地下的環(huán)形隧道長達(dá)6.4千米。在長達(dá)8年的時間里，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)，證實了夸克是存在的，證實了頂夸克是第三代。
    新的發(fā)現(xiàn)，帶來了新的希望，也帶來了新的問題：
    “3”字有什么意義？
    為什么只證實了頂夸克的存在？
    而最基本的問題仍然是：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，來說明物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特點。請你根據(jù)課文填寫物質(zhì)的盒式結(jié)構(gòu)圖，再想一個比喻來說明另一個事物的結(jié)構(gòu)或特點。
    物質(zhì)

二、假如對下列句子中加橫線的部分作如下改動，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10萬個原子核排成一條直線才相當(dāng)于一個原子的直徑。
   改為：10萬個原子核的直徑才等于一個原子的直徑。
2、科學(xué)家從實驗里已經(jīng)感覺到，強(qiáng)子內(nèi)部有結(jié)構(gòu)。這好比拿起盒子搖一搖，聽到響動，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)實驗往往經(jīng)歷這樣一個過程：科學(xué)實驗，發(fā)現(xiàn)問題→提出假說，實驗檢驗→建立理論，不斷完善→發(fā)現(xiàn)問題，又產(chǎn)生新的疑問……
    試以夸克的發(fā)現(xiàn)為例說明這樣一個過程。說明時要用到課文中的一些關(guān)鍵詞語。