 量子活力場(chǎng) 公眾號(hào)ID：ChinaQuantum 關(guān)注 量子活力場(chǎng) 科普二： 微觀粒子家族和量子力學(xué)（上）
導(dǎo)論 《量子活力場(chǎng)》這個(gè)公眾號(hào)的宗旨，是為量子管理這個(gè)新領(lǐng)域的研究、實(shí)踐、傳播推廣助力，努力辦成一個(gè)專業(yè)可靠的、開放融合的、有溫度的溝通交流平臺(tái)。 在學(xué)術(shù)上我們倡導(dǎo)質(zhì)疑精神，在共同探討交流中方能促進(jìn)發(fā)展。 近期，本公眾號(hào)會(huì)用相當(dāng)?shù)钠?，和大家一起在量子力學(xué)基本知識(shí)上達(dá)成某些共識(shí)，這就是我們的“量子力學(xué)科普”欄目，本篇就屬此類文章之一。 為什么需要學(xué)習(xí)量子力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)呢？這是因?yàn)榱孔恿W(xué)這門學(xué)科，甚至對(duì)物理學(xué)家來說都不是那么容易理解和達(dá)成一致的，對(duì)一般人群而言更是知之不詳。 但量子時(shí)代已來，量子管理必然引發(fā)管理變革，所以儲(chǔ)備一些量子力學(xué)的知識(shí)就成為必須。 生物學(xué)和量子力學(xué)的結(jié)合，使生物學(xué)從一門描述性學(xué)科轉(zhuǎn)變?yōu)榻忉屝詫W(xué)科，從一門定性學(xué)科轉(zhuǎn)變?yōu)槎繉W(xué)科，意義十分重大。 量子力學(xué)和管理學(xué)的滲透結(jié)合，也一定會(huì)結(jié)出豐碩的新果實(shí)。 本文主題內(nèi)容闡述的是：什么是微觀粒子；在微觀粒子家族中哪些屬于量子力學(xué)研究的范疇，那些則不屬于，其判斷條件又是什么？ 對(duì)微觀粒子的描述可有多個(gè)側(cè)面，我們目前以“亞原子尺度”（比原子?。┳鳛楸孀R(shí)標(biāo)準(zhǔn)。 微觀粒子的數(shù)量繁多，我們只選擇量子管理研究者可能需要了解的有限種類加以闡述，如：光子、電子等。 ——量子活力場(chǎng)  一、什么是分子？ 1、物理化學(xué)術(shù)語：分子是物質(zhì)中能夠獨(dú)立存在并保持該物質(zhì)物理化學(xué)特性的最小單元，分子由原子構(gòu)成。 原子通過一定的作用力，以一定的次序和排列方式結(jié)合成分子。以水分子為例，將水不斷分離下去，直至不破壞水的特性，這時(shí)出現(xiàn)的最小單元是由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子構(gòu)成的一個(gè)水分子(H2O)。一個(gè)水分子當(dāng)然還可用電解法或其他方法再分為兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子，但這時(shí)它們的特性已和水完全不同了。 水分子 2、分子的特性 1）一切構(gòu)成物質(zhì)的分子都在永不停息地做無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)（振動(dòng)）。溫度越高，分子擴(kuò)散越快，固、液、氣中，氣體擴(kuò)散最快。由于分子的運(yùn)動(dòng)跟溫度有關(guān)，所以這種運(yùn)動(dòng)叫做分子的熱運(yùn)動(dòng)。例如:天氣熱時(shí)衣服容易曬干 2）一般分子直徑的數(shù)量級(jí)為10^-10m。 3）同種物質(zhì)的分子性質(zhì)相同，不同種物質(zhì)的分子性質(zhì)不同。 4）分子很小，分子由原子構(gòu)成，原子通過化學(xué)鍵結(jié)合成分子，分子有一定的體積和質(zhì)量，是實(shí)物粒子（即可以構(gòu)成物質(zhì)的粒子）。 5）分子的物理和化學(xué)性質(zhì)不僅取決于組成原子的種類和數(shù)目，更取決于分子的結(jié)構(gòu)。 3. 分子和量子力學(xué)是什么關(guān)系？ 量子力學(xué)研究的是亞原子尺度的微觀粒子（比原子的尺寸更小、更微觀的粒子，比如：電子、光子等）。分子是由原子構(gòu)成的，尺度比原子還大（有些分子的尺度，如高分子，其尺度比原子大很多很多），所以，分子是經(jīng)典物理學(xué)中的分子物理學(xué)研究范疇，不屬于量子力學(xué)的研究范疇。 二、什么是原子？ 1、原子指化學(xué)反應(yīng)中不可再分的基本微粒，即原子在化學(xué)反應(yīng)中不可分割。 2、原子在物理狀態(tài)中可以分割。原子由原子核和繞核運(yùn)動(dòng)的電子組成。  氦原子 原子核由中子、質(zhì)子組成，中子和質(zhì)子緊密地結(jié)合在原子核內(nèi)，而質(zhì)量更輕的電子則繞著原子核高速運(yùn)動(dòng)。 原子構(gòu)成的一般物質(zhì)的最小單位，稱為元素。已知的元素有118種，因此具有核式結(jié)構(gòu)。  3、原子直徑的數(shù)量級(jí)大約是10?1?m。原子的質(zhì)量極小，一般為-27次冪，質(zhì)量主要集中在質(zhì)子和中子上。原子核外分布著電子，電子躍遷產(chǎn)生光譜，原子中電子的數(shù)目決定了一個(gè)元素的化學(xué)性質(zhì)，并且對(duì)原子的磁性有著很大的影響。 所有質(zhì)子數(shù)相同的原子組成元素，每種元素大多有一種不穩(wěn)定的同位素，可以進(jìn)行放射性衰變。 4、原子是物質(zhì)的一個(gè)層次。原子也可以被稱為 微粒、粒子等等。但是隨著科學(xué)的發(fā)展，正如眾所周知的一樣，原子并非構(gòu)成物質(zhì)的最小單元。存在著比原子更小的粒子，它們屬于“亞原子”范疇。 原子最早是哲學(xué)上具有本體論意義的抽象概念，隨著人類認(rèn)識(shí)進(jìn)步，原子逐漸從抽象的概念逐漸成為科學(xué)的理論。原子核以及電子屬于微觀粒子，構(gòu)成原子。 原子:可以視為全能量載體，對(duì)光子、熱、電子具有邏輯作用。 5、原子和量子力學(xué)的關(guān)系 研究原子的物理學(xué)稱為“原子物理學(xué)”，它屬于經(jīng)典物理學(xué)范疇；量子力學(xué)研究的是亞原子尺度的微觀粒子（比原子尺度小的微觀粒子），例如:電子、中子、質(zhì)子、介子、夸克、膠子、光子等等。因此原子也不屬于量子力學(xué)研究的范疇。 三、什么是質(zhì)子？ 1、質(zhì)子是一種帶有正電荷的微觀粒子，直徑約 1.6 ~1.7×10^?15 m ，大約是電子質(zhì)量的1836.5倍。質(zhì)子屬于重子類，它有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還繼續(xù)可分：質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克通過膠子在強(qiáng)相互作用下構(gòu)成，所以，質(zhì)子不具備量子不可分性的特征。  2、原子核中質(zhì)子數(shù)目決定其化學(xué)性質(zhì)和它屬于何種化學(xué)元素。比如：最常見的氫原子的原子核由一個(gè)質(zhì)子構(gòu)成。其它原子的原子核則由質(zhì)子和中子在強(qiáng)相互作用下構(gòu)成。 3、至今為止質(zhì)子被認(rèn)為是一種穩(wěn)定的、不衰變的粒子。但也有理論認(rèn)為質(zhì)子可能衰變，只不過其壽命非常長(zhǎng)。到今天為止物理學(xué)家沒有能夠獲得任何可能理解為質(zhì)子衰變的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 4、質(zhì)子和量子力學(xué)的關(guān)系 質(zhì)子屬于亞原子尺度的微觀粒子，因此，應(yīng)該屬于量子力學(xué)研究的范疇；但是它又有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克微粒組成。所以，我們不說質(zhì)子有可量子化的特征。 但是，它又經(jīng)常表現(xiàn)出量子化行為，最典型的及最多的是：量子隧穿，就像中國古代的嶗山道士能穿墻而過，質(zhì)子可以無障礙地穿越能量壁壘，在量子力學(xué)中具有重要作用。  量子隧穿示意圖  嶗山道士穿墻術(shù) （未完待續(xù)） 附注： 以上三種粒子雖然屬于微觀粒子家族，但由于多種原因，卻不是量子力學(xué)研究的對(duì)象，雖然某些時(shí)候它們會(huì)有某些量子行為（如質(zhì)子的量子隧穿）。我們希望通過這些知識(shí)的學(xué)習(xí)和普及，讓讀者更為清晰地了解：量子力學(xué)研究的主要對(duì)象，以及量子力學(xué)的重要實(shí)驗(yàn)和規(guī)則。 王慧中 本文作者  編輯：王文璐 謝 華 吳凱駿 |
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