一百多年前,人们从化学实验中知道,物质是由分子组成的,分子是由原子组成的.由于在化学反应中原子的种类和数目不变,于是形成了原子是组成物质的最小微粒的概念.直到19世纪末,人们一直认为原子是不可再分的.

1897年，汤姆生（1856—1940）发现了电子.不久，人们又发现，在气体电离和光电效应等现象中，都可以从物质中击出电子.电子的质量比最轻的氢原子的质量小得多，因而认为电子是原子的组成部分.
电子带负电，而原子是电中性的，可见，原子内还有带正电的物质.这些带正电的物质和带负电的电子如何构成原子呢？

在20世纪的前十年，科学家们根据已发现的事实，对原子的结构提出了许多模型，其中最有影响的是汤姆生提出的原子模型.汤姆生认为，原子是一个球体，正电荷均匀地分布在整个球内，电子像枣糕里的枣那样镶嵌在原子里面.汤姆生提出的原子模型能够说明一些实验事实，但是没过多久，这一模型就被新的实验事实否定了.

α粒子的散射实验

1909～1911年，英国物理学家卢瑟福（1871-1937）和他的助手们进行了α粒子散射的实验. 用α射线照射金箔，由于金原子中的带电微粒对α粒子有库仑力的作用，一些α粒子穿过金箔后会改变原来的运动方向，这个现象叫做α粒子的散射.

　

　

卢瑟福希望通过对散射的分析来了解原子内部电荷与质量的分布情形.

实验的结果是，绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但是有少数α粒子发生了较大的偏转.

实验中观察到的大角度散射使卢瑟福感到惊奇.这种大角度的散射，不可能是因为金箔的原子内的电子造成的，因为电子的质量很小.这就像子弹碰到一粒尘埃一样，运动方向不会发生什么改变.只有当α粒子受到原子核内正电荷很强的斥力时它的运动方向才能发生这样大的改变.原子中的正电荷与原子的质量一定集中在一个很小的核上，否则大角度的散射是不可能的.

原子的核式结构模型

卢瑟福精确统计了向各个方向散射的α粒子的数目，在此基础上,1911年提出了原子的核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里.带负电的电子在核外的空间运动.

　

按照这个模型，由于原子核很小，大部分α粒子穿过金箔时都离核很远，受到的斥力很小，它们的运动几乎不受影响；只有极少数α粒子从原子核附近飞过，明显地受到原子核的库仑斥力而发生大角度的偏转.
按照卢瑟福的核式结构模型，原子内部是十分“空旷”的.近年来的研究表明，原子直径的数量级（实际就是电子运动范围的数量级）为10-10m，而原子核直径的数量级为10-15m，两者相差十万倍！如果把原子比作直径为百米左右的大球，那么原子核则只有毫米左右米粒大小.

　

原子核的组成

　

原子用肉眼看不到，原子核更小.但是，即便小小的原子核，也有内部结构.1919年，卢瑟福做了用α粒子轰击氮核的实验.他从氮核中打出一种粒子，并测定了它的电荷与质量，知道它是氢原子核（带正电，电荷量为一个元电荷），把它叫做质子.以后人们又用类似的方法从氟、钠、铝等原子核中打出了质子，因而人们断定质子是原子核的组成部分.

　

一开始，人们以为原子核只是由质子组成的.但是，这不能正确地解释核的质量和原子核所带的电荷量.如果原子核只是由质子组成的，那么，某种原子核的质量跟质子质量之比，应该等于这种原子核的电荷跟质子电荷之比.实际上，绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于核的电荷跟质子电荷之比.卢瑟福猜想原子核内可能还存在着另一种粒子，质量跟质子相等，但是不带电，他把这种粒子称为中子.卢瑟福的这一猜想被他的学生查德威克用实验证实.精确的测量表明，中子的质量非常接近于质子的质量，只比后者大千分之一左右.

发现中子以后，人们很快认识到，如果认为原子核是由质子和中子组成的，许多跟原子核组成有关的问题都可以得到圆满的解释，于是原子核是由质子和中子组成的这一看法很快就得到了公认.

　

质子和中子统称核子.中子不带电，原子核所带的电荷等于核内质子所带电荷的总和，所以原子核所带的电荷都是质子电荷的整数倍，通常就用这个整数代表原子核的电荷量，用Z表示，叫做原子核的质子数.原子核的电核数等于质子数Z.原子核的质量等于核内质子和中子的质量的总和，而质子和中子的质量几乎相等，所以原子核的质量近似等于核子质量的整数倍.通常就用这个整数代表原子核的质量，用A表示，叫做原子核的质量数.

原子核的电荷数就是核内的质子数，也就是这种元素的原子序数.原子核的质量数就是核内的核子数.例如氦核的电荷数是2，表示氦核内有2个质子氦核的质量数是4，表示氦核内有4个核子，其中2个是中子.

在谈到某种元素时，如果需要强调它的质子数和质量数，可以在元

字,写为铀235.

原子核的质子数决定了核外电子的数目，也决定了电子在核外的分布情况，进而决定了这种元素的化学性质.同种元素的原子，质子数相同，核外电子数也相同，所以有相同的化学性质；但是它们的中子数可以不同.这些具有相同质子数而中子数不同的原子，在元素周期表中处于同一位置，因而互称同位素.例如，氢有三种同位素，分别叫做氢、氘（也.

　

　

原子核不仅具有复杂的结构，而且能够发生变化.天然放射现象就是原子核的一种自发变化.

天然放射现象

1896年，法国物理学家贝可勒尔（1852—1908）发现，铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光.物质发射射线的性质称为放射性.具有放射性的元素称为放射性元素.

　

放射性并不是少数几种元素才有的.研究发现，原子序数大于82的所有元素，都能自发地放出射线.原子序数小于83的元素，有的也具有放射性.元素这种自发地放出射线的现象叫做天然放射现象.

放射性物质放出的射线有三种：α射线、β射线和γ射线.α射线是高速α粒子流.α粒子的电荷数是2，质量数是4，实际上就是氦原子核.β射线是高速电子流.γ射线不带电，它是能量很高的电磁波，波长很短，在10-10m以下.
如果将三种射线射入磁场，它们的运动会发生不同的改变，如图所示.根据前面学过的洛仑兹力的知识，你应该能够判断哪束是α射线，哪束是β射线，哪束是γ射线.

α粒子从放射性物质中射出时有很大的动能，速度可达光速的1/10，很容易使气体电离，使底片感光的作用也很强.但由于它跟物质的原子碰撞时很容易损失能量，因此它贯穿物质的本领很小，在空气中只能前进几厘米，一张普通的纸就能把它挡住.β粒子从放射性物质中射出时的速度更大，可达光速的99%，它的电离作用较弱，但贯穿本领较强，很容易穿透黑纸，甚至能穿透几毫米厚的铝板.γ粒子的电离作用更小，但贯穿本领很强，甚至能穿透几厘米厚的铅板.

研究表明，如果一种元素具有放射性，那么不论它是以单质的形式存在，还是以某种化合物的形式存在，放射性都不受影响.也就是说，放射性与元素存在的状态无关.我们已经知道，元素的化学性质决定于原子核外的电子，因此可以断定，射线来源于原子核，也就是说，原子核是有内部结构的.实际上，人们认识原子核的结构就是从天然放射性开始的.

衰变

原子核放出α粒子或β粒子后，就变成新的原子核.我们把这种变化称为原子核的衰变.

铀238核放出一个α粒子后，核的质量数减少4，电荷数减少2，成为新核.这个新核就是钍234核.这种衰变叫做α衰变.这个过程可以用下面的衰变方程表示：

在这个衰变过程中，衰变前的质量数等于衰变后的质量数之和；衰变前的电荷数等于衰变后的电荷数之和.大量观察表明，原子核衰变时电荷数和质量数都守恒.

子后，质量数不变.因此，我们可以认为电子的质量数为零，电荷数为-1，

这个方程两边的质量数和电荷数也是守恒的这种放出β粒子的衰变叫做β衰变.

在放射性元素的原子核中，2个中子和2个质子结合得比较紧密，有时会作为一个整体从较大的原子核中抛射出来，这就是放射性元素发生的α衰变现象.原子核里虽然没有电子，但是核内的中子可以转化成质子和电子，产生的电子从核内发射出来，这就是β衰变.

原子核的能量也只能取一系列不连续的数值，因此也存在着能级，而且能级越低越稳定.放射性的原子核在发生α衰变、β衰变后产生的新核往往处于高能级，这时它要向低能级跃迁，辐射γ光子.因此，γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的.当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射.这时射线中就会同时具有α、β和γ三种射线.

半衰期

　

放射性同位素衰变的快慢有一定的规律.例如，氡222经过α衰变变为钋218，如果隔一段时间测量一次剩余氡的数量就会发现，大约每过3.8天就有一半的氡发生了衰变.也就是说，经过第一个3.8天，剩有一半的氡，经过第二个3.8天，剩有1/4的氡，再经过3.8天，剩有1/8的氡……因此，我们可以用半衰期来表示放射性元素衰变的快慢.放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，叫做这种元素的半衰期.不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大.例如，氨222衰变为钋218的半衰期是3.8天，镭226衰变为氡222的半衰期是1620年，铀238衰变为针234的半衰期竟长达4.5×109年.

放射性元素衰变的快慢是由核内部本身的因素决定的，跟原子所处的物理或化学状态无关.例如，一种放射性元素，不管它是以单质的形式存在，还是和其他元素形成化会物，或者对它施加压力，或者增高它的温度，都不能改变它的半衰期.这是因为衰变发生在原子核的内部，压力、温度与其他元素的化合等，都不会影响原子核的结构.

　

　

放射线看不见，但可根据放射线的粒子与其他物质作用时产生的一些现象来探知放射线的存在.这些现象主要是：

1.使气体电离，这些离子可使过饱和汽产生云雾或使过热液体产生气泡；

2.使照相底片感光；

3.使荧光物质产生荧光.

下面介绍几种科学研究中常用的探测射线的方法.

　

威尔孙云室

　

右图是威尔孙云室结构图，其主要部分是一个圆筒状容器，下部是一个可以上下移动的活塞，上盖是透明的，可以通过它来观察和拍摄粒子运动的径迹.云室里面有干净的空气.实验时，先往云室里加少量的酒精，使室内充满酒精的饱和蒸气，然后使活塞迅速向下运动，室内气体由于迅速膨胀，温度降低，酒精蒸气达到过饱和状态.这时如果有射线粒子从室内气体中飞过，使沿途的气体分子电离，过饱和酒精蒸气就会以这些离子为核心凝结成雾滴，这些雾滴沿射线经过的路线排列，于是就显示出了射线的径迹.

　

这种云室是英国物理学家威尔孙（1869—1959）在1912年发明的，故叫做威尔孙云室.粒子的质量比较大，在气体中飞行不易改变方向，并且电离本领大，沿途产生的离子多，所以它在云室中的径迹直而粗.β粒子的质量小，跟气体碰撞时容易改变方向，并且电离本领小，沿途产生的离子少，所以它在云室中的径迹比较细，且常常发生弯曲.γ粒子的电离本领更小，一般看不到它的径迹.

根据径迹的长短和粗细，可以知道粒子的性质；把云室放在磁场中，从带电粒子运动轨迹的弯曲方向，还可以知道粒子所带电荷的正负.

　

气泡室

　

气泡室的原理同云室的原理类似，所不同的是气泡室里装的是液体（液态氢）.控制气泡室内液体的温度和压强，使室内温度略低于液体的沸点.当气泡室内压强突然降低时，液体的沸点变低，因此液体过热，在通过室内射线粒子周围就有气泡形成.图为粒子经过气泡室时的径迹照片，人们根据照片上记录的情况，可以分析粒子的带电、动量、能量等情况.

盖革-弥勒计数器

　

计数器的主要部分是盖革管，外面是一根玻璃管，里面是一个接在电源负极的导电圆筒，筒的中间有一条接正极的金属丝.管中装有低压的惰性气体（如氩、氖等，压强约为10kPa～20kPa）和少量的酒精蒸气或溴蒸气.在金属丝和圆筒两极间加上一定的电压（约1000V），这个电压稍低于管内气体的电离电压.当某种射线粒子进人管内时，它使管内的气体电离，产生的电子在电场中被加速，能量越来越大，电子跟管中的气体分子碰撞时，又使气体分子电离，产生电子……这样，一个射线粒子进入管中后可以产生大量电子.这些电子到达阳极，阳离子到达阴极，在外电路中就产生一次脉冲放电，利用电子仪器可以把放电次数记录下来.

这种仪器是德国物理学家盖革（1882—1945）在1928年与弥勒（1911—1977）合作研制出来的，所以叫做盖革-弥勒（G-M）计数器.

　

G-M计数器的放大倍数很大，非常灵敏，用它来检测放射性是很方便的.但它对于不同的射线产生的脉冲现象相同，因此只能用来计数，而不能区分射线的种类.如果同时有大量粒子，或两个粒子射来的时间间隔很短（小于200μs）时，也不能计数.用G-M计数器对α射线进行计数时，由于α射线的贯穿能力很小，不能通过玻璃管壁，所以需在管的前方装上一个很薄的云母片窗口，使α粒子从这个窗口射入，或把微弱的放射源放在计数管内.

　

　

　

1934年,约里奥· 居里和伊丽芙· 居里夫妇在用α粒子轰击铝箔时,用人工的方法得到放射性同位素磷,这是一个很重要的发现,后来人们用质子、氘核、中子和γ光子轰击原子核，也得到了放射性同位素.天然放射性同位素只不过40几种,而今天人工制造的放射性同位素已达1000多种, 放射性同位素已经在工农业、医疗卫生和科学研究等许多方面得到了广泛的应用.

放射性同位素主要有两个方面的应用.

利用它的射线

　

放射性同位素也能放出α射线、β射线和γ射线.γ射线由于贯穿本领强，可以用来检查金属内部有没有砂眼或裂纹，所用的设备叫γ射线探伤仪.α射线的电离作用很强，可以用来消除机器在运转中因摩擦而产生的有害静电.生物体内的DNA（脱氧核糖核酸）承载着物种的遗传密码，但是DNA在射线的作用下可能发生突变，所以通过射线照射可以使种子发生变异，培养出新的优良品种.可以保存食物.可以抑制农作物害虫的生长，甚至直接消灭害虫.人体内的癌细胞比正常细胞对射线更敏感，因此用放射线照射可以治疗恶性肿瘤，这就是医生们说的“放疗”.

　

和天然放射性物质相比,人造放射性同位素的放射强度容易控制,还可以制成各种所需的形状,特别是,它的半衰期比天然放射性物质短得多,因此放射性废料容易处理.由于这些优点,所以在生产和科研中凡是用到射线时，用的都是人造放射性同位素，而不用天然放射性物质.

作为示踪原子

一种放射性同位素的原子核跟这种元素其他同位素的原子核具有相同数量的质子（只是中子的数量不同），因此核外电子的数量也相同，由此可知，一种元素的各种同位素都有相同的化学性质.这样，我们就可以用放射性同位素代替非放射性的同位素来制成各种化合物，这种化合物的原子跟通常的化合物一样参与所有化学反应，但是却带有“放射性标记”，用仪器可以探测出来.这种原子叫做示踪原子.

棉花在结桃、开花的时候需要较多的磷肥，把磷肥喷在棉花叶子上，磷肥也能被吸收.但是，什么时候的吸收率最高、磷在作物体内能存留多长时间、磷在作物体内的分布情况等，用通常的方法很难研究.如果用磷的放射性同位素制成肥料喷在棉花叶面上，然后每隔一定时间用探测器测量棉株各部位的放射性强度，上面的问题就很容易解决.

　

人体甲状腺的工作需要碘.碘被吸收后会聚集在甲状腺内.给人注射碘的放射性同位素碘131，然后定时用探测器测量甲状腺及邻近组织的放射强度，有助于诊断甲状腺的器质性和功能性疾病.
近年来，有关生物大分子的结构及其功能的研究，也几乎都要借助于示踪原子.

　

　

　

核反应

衰变是原子核的自发变化，能不能用人工方法使原子核发生变化呢？1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，产生了氧的一种同位素——氧17和一个质子，第一次实现了原子核的人工转变.质子最初就是这样发现的.

在核物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应.原子核的人工转变就是一种核反应.上述核反应可以用下面的核反应方程来表示：

用α粒子轰击原子核，不一定发射质子，也可以发射中子.实验发现，用α粒子轰击被原子核，实现了原子核的人工转变，并且发现了中子.这个核反应可以用下面的核反应方程来表示：

和衰变过程一样，在核反应中，质量数和电荷数都守恒.

质能方程

我们知道，化学反应往往要吸热或放热，类似地，核反应也伴随着能量的变化.例如，一个中子和一个质子结合成氘核时，要放出2.2MeV的能量，这个能量以γ光子的形式辐射出去.核反应中放出的能量称为核能.核能是从哪里来的呢？

物理学家研究过质子、中子和氘核之间的关系，发现氘核虽然是由一个中子和一个质子组成的，它的质量却并不等于一个中子和一个质子的质量之和.精确的计算表明，氘核的质量比中子和质子的质量之和要小一些.这种现象叫做质量亏损.

爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，它们之间的关系是

E=mc2

这就是著名的爱因斯坦质能方程.这个方程告诉我们，物体具有的能量与它的质量之间存在着简单的正比关系.物体的能量增大了，质量也增大；能量减小了，质量也减小.

核子在结合成原子核时出现质量亏损，所以要放出能量，大小为

△E=△mc2

中子和质子结合成氘核时，质量亏损△m=0.0040×10-27kg，根据爱因斯坦的质能方程，放出的能量为

AE=△mc2

通过这个例子可以看到，核反应涉及的能量十分巨大.我们知道，1mol的碳完全燃烧放出的能量为393.5kJ.每个碳原子在燃烧过程中释放出的能量不过为4eV，跟这个例子中每个核子释放的能量相比，两者相差数十万倍.

　

　

核反应中有些可以释放出能量，有些要吸收能量，什么样的核反应可以释放出能量呢？物理学家发现，不仅核子结合成原子核时有质量亏损，放出能量，有些重核分裂成中等质量的核，有些轻核结会成中等质量的核，也发生质量亏损，放出巨大的能量.这是为什么呢？

　

精确的研究表明，原子核的质量虽然随着原子序数Z的增大而增大，但是二者之间并不成正比关系.人们发现，不同的原子核，其核子的平均质量（原子核的质量除以核子数）与原子序数有如图所示的关系.

从图中可以看出，铁原子核中核子的平均质量最小.如果原子序数较大的重核A分裂成原子序数小一些的核B和C，或者原子序数很小的轻核D、E结合成一个原子序数大些的F核，都会有质量亏损，都会放出巨大的核能.核物理中把重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应，称为裂变；把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为聚变.

铀核的裂变

1939年12月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变.铀核裂变的产物是多种多样的，一种典型的反应是裂变为钡和氪，同时放出3个中子，核反应方程是

一般说来，铀核裂变时总要释放出2～3个中子，这些中子又引起其他的铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的能量.这就是初中学过的链式反应.

裂变时释放出巨大的能量.在上述裂变中，裂变后的总质量小于裂变前的总质量，质量亏损△m=0.3578×10-27kg，释放的能量△E=△mc2=201MeV.铀核裂变的产物不同，释放的能量也不同.一般说来，铀核裂变时平均每个核子释放的能量约为1MeV.可以估计，如果1kg铀全部裂变，它放出的能量超过2000t优质煤完全燃烧时释放的能量.

核电站

　

核电站利用核能发电，它的核心设施是核反应堆.核反应堆的类型多种多样，图示是慢中子反应堆的示意图.这种反应堆中的核反应主要是铀235吸收慢中子后发生的裂变，而天然铀中只有0.7%是铀235，所以反应堆里用浓缩铀（其中铀235占3％－4％）制成铀棒，作为核燃料.
铀235具有易俘获慢中子，而不易俘获快中子的特点.裂变时产生的中子速度都很大，不容易被铀235俘获而引起裂变，必需设法使它们的速度降下来.为此在铀棒周围放上减速剂.快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子.常用作减速剂的物质有石墨、重水或普通水（有时叫轻水）.

　

为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插入一些控制棒.控制棒由锅做成.铜吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些.反之则把控制棒向外拔出一些.计算机自动调节控制棒的升降，就能使反应堆保持一定的功率，安全地工作.

核燃料裂变释放出来的能量大部分转化为热，使反应区温度升高.水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却，保证安全.

核反应堆放出的热使水变成水蒸气，推动汽轮发电机发电.这一部分跟火力发电厂大致相同.

核电站消耗的“燃料”很少，一座百万千瓦级的核电站，每年只消耗30吨左右的浓缩铀，而同样功率的火电站，每年要消耗250万吨左右的煤.

目前，核能发电技术已经成熟，在经济效益方面也跟火力发电不相上下.作为核燃料的铀、铁等，在地球上的可采储量所能提供的能量，比煤、石油等所能提供的能量大15倍左右，对环境的污染比火电站要小.到1997年，核能发电已经占世界总发电量的17％.我国也具备了发展核电的基本条件，有一定的核资源储量，相当规模的核技术装备和核技术队伍.目前，浙江秦山核电站和广东大亚湾核电站己经运行发电.几个新的核电站正在积极建设之中.

　

　

过量的放射线对人和生物是有害的.因此，建造核电站时需要特别注意的一个问题是防止放射线和放射性物质的泄漏，以避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成放射性污染.为此，在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线.核反应堆中的核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下.

聚变

在消耗相同质量的核燃料时，聚变化裂变能释放更多的能量.例如，一个氘核和一个氚核结合成一个氦核（同时放出一个中子）时，释放17.6 MeV的能量，平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比裂变反应中平均每个核子放出的能量要大3～4倍.这时的核反应方程是

使轻核发生聚变，必须使它们的距离十分接近，达到10-15m的近距离.由于原子核都是带正电的，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力.这就要使原子核具有很大的动能.用什么办法能使大量原子核获得足够的动能来产生聚变呢？有一种办法，就是把它们加热到很高的温度.当物质达到几百万摄氏度以上的高温时，剧烈的热运动使得一部分原子核已经具有足够的动能，可以克服相互间的库仑斥力，在碰撞时发生聚变.因此，聚变反应又叫热核反应.热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去.

　

热核反应在宇宙中是很普遍的.太阳内部和许多恒星内部，温度高达107K以上，热核反应在那里激烈地进行着.太阳每秒钟辐射出来的能量约为3.8×1026J，就是由热核反应产生的.地球只接受了其中的二十亿分之一左右，就使得地面温暖，万物生长.但是目前除了氢弹以外，人们还不能控制聚变反应，和平利用聚变时释放的核能.

可控热核反应

　

热核反应和裂变反应相比，具有许多优越性.首先，热核反应释放的能量，就相同质量的核燃料来讲，比裂变反应大得多.其次，裂变时产生放射性物质，处理起来比较困难.热核反应在这方面的问题要简单得多.再有，热核反应所用的燃料——氘，在地球上的储量非常丰富.1L海水中大约有0.03g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约和燃烧300L汽油相当.因此，海水中的氘就是异常丰富的能源.
世界上许多国家都在积极研究可控热核反应的理论和技术.我国自行研制的可控热核反应实验装置“中国环流器一号”，于1984年9月顺利启动.具有国际先进水平的可控热核反应实验装置“HT-7超导托卡马克”于1994年安装调试成功.这些成果标志着我国在研究可控热核反应方面已经具有一定的实力，并将对人类探求新能源的事业做出自己的贡献.

　

　

　

　

　

直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒.后来发现了电子、质子和中子，并且知道了原子核和电子组成了原子，质子和中子组成了原子核.当时许多人认为电子、质子和中子是组成物质的最基本的粒子，曾经把它们叫做基本粒子.

随着科学技术的发展，从20世纪30年代以来，人们在对宇宙线的研究中，陆续发现了一些新的粒子.宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子，它们和高层大气中的粒子作用，产生更多的新粒子.1932年发现了正电子，1937年发现了μ子.1947年发现了K介子和π介子，它们的质量介于质子和电子之间，所以叫做介子.后来还发现了一些粒子，质量比质子的质量大，叫做超子.

　

1932年发明了加速器，它能使带电粒子加速到很高的能量，用它可以进行许多核物理实验，于是发现了更多的粒子.实验中发现，许多粒子都有和它质量相同而电荷相反的粒子，叫做反粒子.例如，电子的反粒子就是正电子，它的电荷量与电子相同，但带的是正电荷.质子的反粒子就是反质子，它的电荷量与质子相同，但带的是负电荷.

现在已经发现的粒子达到400多种.按照现代的粒子理论，可以将粒子分为三大类：媒介子、轻子和强子.

媒介子

媒介子是传递各种相互作用的粒子，如光子、递电磁相互作用的粒子.胶子是传递强相互作用的粒子.强相互作用比电磁相互作用强得多，核子之间的核力就属于强相互作用.

轻子

是不参与强相互作用的粒子.最早发现的轻子是电子.后来发现的轻子有电子中微子、卜子和卜子中微子、T子和T子中微子.目前发现的轻子只有这6种，其中T子的质量比核子的质量还大，但从力的性质上讲它仍然属于轻子.现代实验还没有发现轻子的内部结构.

强子

是参与强相互作用的粒子.质子是最早发现的强子.中子、介子和超子也是强子.

许多实验事实表明，强子是有内部结构的，1964年提出的夸克模型，认为强子是由更基本的粒子组成的，这种粒子叫做夸克.夸克理论经过几十年的完善和发展，已经逐渐为多数粒子物理学家所接受.根据夸克理论，夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇夸克、灿夸克、底夸克和

经从实验中发现了所有6种夸克存在的证据.

从目前的观点看，媒介子、轻子和夸克这3类粒子是没有内部结构的“点状”粒子，目前已有几百种粒子的粒子世界就是由这3类粒子构成的.这3类粒子可以认为是今日的“基本粒子”.但是，随着人类对粒子世界研究的不断加深，对粒子的认识也在改变，因而当代粒子物理学已不再使用“基本粒子”这个名称了.

用粒子物理学可以较好地解释宇宙的演化.根据大爆炸理论,在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期.在大爆炸的瞬间（约10-44s，温度为1032K）产生夸克、轻子、胶子等粒子.大爆炸后约10-6s，温度下降到1013K左右，夸克构成质子和中子等强子，这个温度范围正是各种强子熙熙攘攘挤在一起的时代，称为强子时代.当温度下降到1011K（10-2s），只剩下少量的强子，而主要是光子、中微子和电子等轻子，此时称为轻子时代.当温度下降到109K（102s），少量的中子和质子结合成氘核，并很快生成氦核，同时有氘核、氦3等轻核及其他轻核等生成，此时称为核合成时代.在4000K左右（105s），电子与原子核结合成原子，此时称为复合时代.物理学向微观和宇观两个领域的研究今天得到了初步统一，物理学完整、和谐美在这里又得到了充分体现.正如绪言中所说：“物理学中研究最大和最小对象的两个分支——宇宙学和粒子物理学就奇妙地衔接在一起，犹如一条怪蟒咬住自己的尾巴.”