人類對自然的探索是無止境的，從不可窮其邊界的宇宙空間到無限可分的基本粒子，都是物理學家們孜孜不倦研究的對像。籍助于已經掌握的有關自然的知識，人們極大地提高了生產力，推動了社會的文明進步。
原子核電荷決定了原子的性質
金在元素周期表中是79號元素，汞是8O號。所以，每個金原子擁有79個電子，而汞原子擁有8O個電子。難道這意味著，是電子的數目決定一種物質究竟是汞還是金嗎？當然不是如此，因為原子中的電子數取決于核上正電荷的大小。原子核所帶的電荷才是最重要的因素。一個原子屬于哪一種元素取決于它的核電荷數。
交通通訊
古時的交通靠馬車，通訊靠騎馬。在戰馬向皇帝報告勝利的消息時，前方可能卻正在吃敗仗呢，真是既風趣又諷刺。
現在好了，出門可以坐汽車、乘飛機，這些交通工具也都離不開電機。通訊更是先進，電話、傳真的快捷都在分秒之內。為使通訊更加快速、質量更高，現在開始利用光子通訊（光纜通訊）。電話已可隨身攜帶又能光學顯示，使遠隔萬里的通話雙方，真的如同近在咫尺。通訊衛星更是神奇，它可開通多路電話、電視，為輪船、飛機等導航，向全世界發布可視信息。真正做到了“秀才不出門，盡知天下事”。
通訊衛星是什么？它是電波的發射和接收裝置，其主要部件是集成線路模塊。這種模塊，是用離子摻雜法在硅晶體上做成的。即用某種元素的離子，注人到硅片上，經各種處理而成?？磥?，現代化的交通與通訊，每個環節都離不開各種粒子，如電子、光子和離子等。
工作
前面談了些每個人都碰到的生活問題，而提到工作可就不同了。工、農、兵、學、商、地礦、能源、科研等三百六十行，工作崗位各不相同，不同的行業有不同的工作對象，不好用一種方式來敘說。但絕大多數人面對的是物質世界，而物質世界又是由粒子構成的，所以絕大多數人又直接或間接地與粒子打著交道。粒子在各個行業中的應用多有專屬，粒子與每個人的工作或多或少都直接相關。
帶有能量的粒子，可以穿透物質，因而可以對物質進行測厚、探傷、照相；粒子引起的電離，可以提供電子、消除靜電、報告火災；粒子對原子的激發，可以用來尋找各種礦藏；粒子與物質的散射，又可以發現煤層、石油和地下水源……，粒子改變了人類工作的面貌。
同位素的應用，更是方便靈活，而且它們的特性不因高溫、低溫、高壓、真空、化學過程而改變，因而即使面對極端過程，也有廣闊的應用前景。
總之，粒子可以作為“炮彈”來破壞物質中不需要的部分；粒子又是磚石，可以修補物質中的缺損，或制造出新的物質來。相信各行各業的工作者，會利用粒子在自己的工作中創造出奇跡來！
醫療
提起醫療，人人都知道，再小的醫院也有放射科。牙科、骨科的X光拍片，心肺的X射線透視，這些是人們經常碰到的。X射線在醫療上的應用，二戰前即已開始。粒子與醫療，很早就結下了不解之緣。
近來更有了心電圖、腦電圖、胃電圖……，電子在診病中，發揮著巨大威力。更奇特的是CT（計算機輔助斷層照相）的出現，有X射線CT、正電子CT等。X射線、正電子、光子及其他粒子，使身體各部的病變成為可見。這些新發明，真是了不起的成就。
γ一照相、質子照相、中子照相、重離子照相，都是些后起之秀。這些儀器都可用來診斷腫瘤。如果說還嫌透視、照相診斷不夠直接，近來又發明了核孔濾膜，可把癌細胞撈出來看看。核孔濾膜，是用原子核在有機薄膜（如聚碳酸酯）上打出小孔，其大小和均勻性，都是其他方法無法可比的。
粒子在疾病的診斷上，做出了卓越的貢獻。在疾病的治療上，也有神功。對世界死亡率最高的病癥之一癌癥最常用的方法是放射治療。除了γ射線能殺死癌細胞外，近來又出現了殺傷癌細胞更有效的武器－中子、質子、π一介子（由兩個夸克組成的粒子）治療機，它們像長了眼睛一樣，只攻擊腫瘤，很少損傷機體的正常組織。這是人類取得的又一些光輝成就。
粒子的生產，有兩類方法。一類是利用較小的能量，把粒子從大塊物質中解放出來。例如，加熱金屬，把電子從中驅趕出來；又如加熱水，使水變為蒸汽，讓水分子沿管道噴出；再如讓兩根碳棒之間放電，碳分子（原子）即在碳弧的高溫下蒸發出來，還可進而把碳原子的外層電子剝去（如用另外的電子把它打掉），形成碳離子，它可在電場中被加速，使其獲得一定能量，向一定方向噴出。
第二類方法，是直接制造粒子本身，這就要用較大的能量。由愛因斯坦著名的質能關系式E＝mc2看出，要造出質量為m的粒子，至少需要總能為E的能量。我們把一些粒子的質量，按能量的標度畫出來，就會看到生產它們的難易程度。很明顯，光子、電子和中微子Ve的質量最小。怪不得燃燒即可放出光子來。中微子難于探測，先不管它。就是小小的電子e，直接制造它都是不容易的。好在用電子伏量級的能量，就可以把它們從金屬中釋放出來，所以大規模地生產并不困難。
質能轉換公式
1905年，偉大的物理學家愛因斯坦提出一個令人難以置信的理論：物質的質量和能量可以互相轉化，即質量可以轉化成能量，能量可以轉化成質量。他指出，任何具有質量的物體，都貯存著看不見的內能，而且這個由質量貯存起來的能量大到令人難以想象的程度。如果用數學形式表達質量與能量的關系的話，某個物體貯存的能量等于該物體的質量乘以光速的平方。寫成公式就是：E=mc2。打個比方說，常規狀態下燃燒一噸煤所釋放的全部熱能，只相當于由質量為0.028毫克物質全部轉化所釋放的能量。
假設有辦法把一個質量僅為1克的小砝碼全部轉化成能量的話，則它的總能量就會相當于2500萬度的電能。愛因斯坦曾作過形象生動的比喻：“只要沒有向外放出的能量，能量就觀察不到。這好比一個非常有錢的人，如果他從來不花費也不供給別人一分錢，那么就沒有誰能說出他有多少財產。”
質子——第一個被發現的粒子
在原子量是整數的元素中，第1號元素氫的原子量是1；第2號元素氦的原子量是4；第3號元素鋰的原子量是7；第6號元素碳的原子量是12；第7號元素氮的原子量是14；第8號元素氧的原子量是16。把同位素考慮在內，這些原子量始終是氫原子量的整倍數。鑒于這一現象，和用α粒子轟擊輕的原子釋放氫核的事實以及其他種種原因，盧瑟福得出的結論是：每個原子核都由氫核構成。于是，普羅特百年前認為組成萬物的元素都是氫原子構成的理論重新得到確認。
于是，盧瑟福把分量最輕的氫原子的核看作所有原子的建筑石料，看作一切材料中的基本材料。因為氫核很重要，所以用希臘文“Protos”（第一）一詞，命名其為“Protos”（質子）。
發現中子
自盧瑟福把原子描繪為一種微型太陽系以來，人們一直在試圖說明原子的構造，但卻是枉費心機，原子核的謎越來越不可思議。直到1930年，德國科學家波特和貝克發現原子序數是4的輕金屬鈹，在α粒子轟擊下發射出一種穿透力極強而且不受電場或磁場影響的射線。1932年，居里夫人的女兒伊蓮娜和她的丈夫弗里德里克·約里奧發現，這些奇妙的新射線，能將運動速度極快的氫核從煤油中釋放出來。這些射線不可能是電磁射線，所以它們肯定是由粒子組成的。然而，這些不受電場和磁場影響的是什么樣的粒子呢？科學再一次面對不解之謎……
盧瑟福的學生查德威克借助于云室，破譯了這個大謎團。查德威克利用在云室拍下的照片，發現除了α粒子的各種軌跡以外，照片上還顯示出兩處極其吻合的東西。第一處碰撞的痕跡表明一個神秘的粒子被釋放了。而第二處看到的是不知來頭的速度極快的氫核行跡，它只有在原子核同飛快的射彈發生碰撞時才會產生。查德威克認為第一次碰撞釋放的、不明去向的粒子正是造成第二次碰撞的、不知來頭的射彈。但它是什么樣的粒子呢？
因為它在云室中沒形成痕跡，并且不受磁場或電場的影響，這表明它不帶電，是中性的，所以被稱為“中子”。查德威克能夠確定，中子的重量，或者說質量，幾乎跟氫核的質量一樣。就這樣，能夠擊破原子核的中子被發現了。
宇宙萬物的本原
現在人們發現的元素，只有100多種，但構成了千姿百態、無奇不有的花花世界。它們到底是如何形成的呢？這是一個古老而又現代化的課題。
人類總是想把萬物解釋為只是由少數基本物質所構成。直到1000年前，大多數人還相信五行說，即“萬物皆由金、木、水、火、土構成”。17世紀，英國人波義耳提出了元素的概念。在以后的100多年里，人們發現了氫、氮、氧等元素。到了19世紀，發現了更多的元素，俄國的門捷列夫，把它們排成了周期表。20世紀初，人們還相信這100種左右的化學元素是物質的基本類型。但是，現在科學家相信，基本物質的類型大約只有12種，即一些輕子和夸克。
12種輕子和夸克，組成各種復合粒子。分子、原子、原子核和核子，即是典型代表。各種粒子雖然肉眼看不見，但由它們構成的物質是肉眼看得見的。因此，用粒子影響和改變客觀事物，是理所當然的事。
物質結構、生命起源、天體演化，歷來是科學家們關注的三個焦點，是科學研究的三大前沿陣地。它們的每一步進展，都深刻地改變著物質世界，改變著人類社會的面貌，與人類的生存、生活、發展、演變息息相關。
人工制造粒子
古代人，曾希望能點石成金。這個愿望，現代人算是徹底實現了。以現在科技發達的程度，人類幾乎能隨心所欲地改變物質的種類，這從人造粒子的技術中，就可以得到證實。
用加速器（能夠使粒子獲得很高能量的裝置）發出的高速質子、氘核或a粒子等作為“炮彈”，轟擊各種原子核，可以制出多種放射性同位素。如醫學上常用的57/27鈷，就是用氘核作“炮彈”，轟擊56/26鐵而得到的。其反應式為：56/26鐵十2/1氘一57/27鈷十n常簡寫為56鐵（d，n）57鈷。
把粒子釋放出來
用鋼筋、水泥、磚塊和木料，可以建起摩天大樓，但是，大樓一旦建成，這些建筑材料，就無法移作他用了。
構成物質的粒子，情況也類似，平時處于物質之中，永久執行著天然賦予的使命，人類無法充分利用其其他功能。只有把粒子分離出來后，才能調動它們控制它們，要它們干各種各樣的事情。
把粒子從物質中分離出來的方法有兩種，一為集合天然粒子（提純天然放射性同位素），一為人工制造粒子，它包括制造人工同位素和用原子擊碎器（或稱粒子加速器）制造新粒子。此外，還需要建立感知粒子存在的裝置，因為粒子都是肉眼凡胎的人所看不見摸不著的。
怎樣感知粒子的存在
感知粒子的存在，靠的是粒子與物質的作用。例如，帶電粒子在物質中會引起電離，就是把原子中的電子打出一些。因為原子核帶的正電與核外電子的負電一樣多，這樣，原子核和剩下那部分電子整體對外顯正電，遂被稱為正離子。如氬原子，核中有18個質子，核外有18個電子，正好是電中性的。若用一個α粒子把它的電子打出一個，這時氬原子就帶一個正電荷，形成氬+（氬離子或帶正電荷的氬粒子，以后如不特別指出，我們將不區分“離子”和“粒子”）。如果a粒子很多，那么氬+與電子就很多，叫形成了氬+與電子的等離子體，意思是氬+與電子的數目一樣多。把這個等離子體放在電場中時，因同性相斥、異性相吸的道理，電子就跑向正極，氬+移向負極。結果，可在外電路里輸出電流。這就不但測出了帶電粒子（這時是入射的α粒子）的存在，而且可測出其強度。用這種方法，可以做成電離室和計數管（室內、管內充氬氣）。前者一般只測量粒子引起的平均電流，后者能測出粒子的個數。而且若改變計數管外加電壓的大小，從輸出電壓的不同幅度，還可判定入射粒子的類型和能量。
以上講述的方法，只能判定了粒子的類型、強度和能量，還未看到粒子。但是，人們也發明了能夠“看到”粒子行蹤的儀器，云室即其一種。眾所周知，水蒸氣過飽和后，就會結成水珠。云室就是裝有飽和水蒸氣或酒精汽的容器。當粒子穿過時，讓其溫度突然降低，這時水汽即刻達到過飽和，在粒子的行蹤上，因電離形成了凝結中心，從而結為水珠鏈，這就顯出了粒子的徑跡。
以類似的原理，人們又發明了泡室。它是個密封容器，內中裝滿某種液體，其溫度達液體的沸點以上，但因壓力大，液體并不冒泡和沸騰。當粒子經過時突然減壓，在粒子路徑上會產生電離離子，并其中心處形成汽泡，從而顯出粒子的徑跡。
另一類粒子徑跡探測器，是原子核乳膠。它實質上是感光層較厚的照相底片，只不過其配方對粒子更靈敏罷了。它是同體中顯現粒子徑跡的設備之一，在粒子物理中，立下過汗馬功勞。
所有觀測粒子徑跡的儀器，都可以放在磁場中，用來觀測徑跡的彎曲度。因粒子的質量、能量不同，在磁場中徑跡的彎曲度也不同。這樣，就使不同類型、不同能量的粒子能得以辨認。
γ射線的電離較弱，用上述力法不易觀察，但當它射入熒光體（如碘化鈉晶體、塑料閃爍體等）時，會發出熒光，用光電放大器（通常叫光電倍增管）放大后，會輸出電脈沖，從而可查知γ射線的存在。
粒子探測器的類型還有很多。但大都離不開電離和發光。把它們組合起來，可以完成對各種粒子特性的測量。它們是粒子應用中的尺子、天秤和眼睛。
把原子拆開來
原子太小，直徑只有二千萬分之一厘米，而且里面大部分是空的，用任何顯微鏡都無法觀察。原子中心是原子核，原子絕大部分質量集中在這里，其體積卻不到整個原子的十萬分之一。原子核周圍是不停旋轉的點子。電子是幾乎沒有質量的亞原子粒子，帶負電，與原子核的正電相平衡。更不可思議的是，構成原子核的質子和中子是由更小的粒子構成。
科學家看不到原子，又怎能知道其中的奧秘呢？原來，他們借助名叫粒子加速器的復雜設備，做了許多試驗，把原子拆開來，才逐漸查明了原子的結構。
物質結構的研究
物質結構的研究，從廣義上講，在于探討宇宙萬物各個層次的構成和變化的規律?，F在認識到的總情況是這樣的：對于宇宙，從大的方面說，在太陽系外面，還有千千萬萬個太陽系，在銀河系外面，還有千千萬萬個銀河系，它是無窮無盡的；從小的方面說，也是無窮無盡的，物質一般由分子組成，分子又由各種原子組成，原子里面又分為原子核和電子，原子核里面又分為質子和中子。最新的研究表明，質子和中子（統稱為核子）是由所謂夸克組成的。現在人們還無法把夸克從核子里面解放出來。
上面的內容可用圖形形象地表示出來。我們看到，圖中標線的兩頭都是虛線，那是完全未被人們認識的世界。科學家們正在把這些陣地向兩端延伸。
物質結構的研究，從狹義上講，只探討物質的本源，即限制在物質是由什么組成的、怎樣組成？以及變革物質的方式、方法，從而按人類的需要改造客觀世界，為人類造福。
對于物質，從小的方面說，現在知道有5個層次：分子一原子一原子核一核子一夸克。
就拿簡單的水分子說吧，它是由兩個氫原子（H）和1個氧原子（O）組成的。氫原子的核，是一個質子（P），質子外面，有一個電子（e）繞其運行。質子又由三個夸克（兩個上夸克u，一個下夸克（d）構成。而氧原子就復雜得多了，它由8個質子與8個中子（n）構成核，核外有8個電子繞行。而每個中子又含有3個夸克（一個u，兩個d），現在只認識到夸克這個層次，而且現在還不能把夸克從核子中分離出來。
物質結構的組成
分子，是物質能獨立存在、并保持該物質一切化學性質不變的最小單位。由一種或幾種元素（具有相同原子核電荷數的原子的總稱）的原子、依一定的數目和方式結合而成。單質分子，由一種原子組成，例如氫分子H2，氧分子O2，臭氧分子O3等?；衔锓肿?，由幾種原子組成，例如水分子H2O，氨分子NH3（N是氮原子）等。分子中，以原子的不同結合方式，可構成不同的物質，如CH3CH2OH和CH3OCH3中（C是碳原子），同種原子的數目雖然一樣多，但前者為酒精分子，而后者為甲醚分子，性狀完全不同。小的分子，只有幾個原子；而大的分子（叫高分子），包含的原子數目，可達幾千個之多。所以不同分子的尺度可能相差很大。
原子，是組成單質和化合物分子的最小單位。是化學反應中不能再分的粒子。它是元素的最小物質單位。已發現的元素有100多種，但每種元素，都有其同位素（核中質子數相同，中子數不同），而且現在，還不斷有新的同位素制造出來。所以原子的數目，大大多于元素的數目。例如，氫元素有三種同位素，分別叫氫（H）、氘（D）、氚（T），后兩種原子，在化學反應中的作用與氫原子相同，只是原子核里多了中子，所以質量不同，也稱氫、重氫、超重氫。它們與氧原子又可分別組成水（H2O）、重水（D2O）、超重水（T2O）。對于復雜原子，核外電子較多，它們的運行比較復雜，在此不再贅述。
原子核，是原子的中心體。由質子與中子組成。核帶正電荷，電荷數與其包含的質子數相等。其質量，幾乎等于原子的總質量，半徑約為幾個10-13厘米（與包含核子數的多少有關）。核的結構問題，正在研究之中，粗略的看法是，球形且可變形，既有轉動又有振動，很像分子的情形。
核子（質子與中子的統稱），是組成原子核的基本單位。每個核子由3個夸克構成。目前夸克還被囚禁在核子中，沒有逃出之法。
夸克，是組成強相互作用粒子（簡稱強子，如核子）的基本單位。共有6類，稱為夸克的6種“味道”。每種味道，還有“紅”、“藍”、“綠”3種顏色，共18種。這里“味道”、“顏色”，只是分類用語，毫無字面的意義。以后會談到，在粒子世界中，每種粒子都有其反粒子（反粒子與粒子的電荷相反，或自旋J相反）。所以，夸克的總數不是18種，而是36種。
以上說明，宇宙間萬物雖千差萬別、形態各異，但最終都可以分解為幾種粒子。
物質結構概要
近代以來的物理學研究發現，物質是由不同層次的微粒構成的，形成了一個階梯系列。二三百年前，人們發現物質由分子及原子組成。到19世紀末，在科學實驗基礎上，科學家認識到原子由原子核和核外電子構成。原子很小，直徑約億分之一厘米。原子核大約是原子的10萬分之一，電子則更小，大約是原子的億分之一。再進一步，人們發現原子核又是由質子和中子組成的。
到此，曾有人以為找到了構成物質的最小“磚塊”。然而，不久人們就發現了這種認識的局限性。
通過對宇宙射線的觀察分析和高能加速器的實驗，又發現了比上述微粒更小、更基本的大批新粒子，如介子、中微子、反粒子以及組成質子、中子的夸克等，達到幾百種之多。其中，大部分在自然界中并不存在，而是在高能束流的轟擊下才產生出來的。
微觀粒子之間存在不同的相互作用。根據這些相互作用力的特點，可把幾百種粒子分為強子、輕子和傳播子3類。
強子是指參與強相互作用的那些粒子，包括質子、中子、π介子等。強子有其內部結構，由夸克組成?？淇擞猩稀⑾?、奇、粲、底、頂6類，每類有3種，共18種。1995年，科學家用高能物理實驗證實了頂夸克存在的預言，這是近年來關于物質結構研究的一項重大進展。
輕子與強作用無關，只參與弱力、電磁力和引力相互作用，如電子、中微子、μ子、τ子等。1992年，我國北京正負電子對撞機成功實現了τ輕子質量的精確測定，取得了國際高能物理界矚目的結果，使我國在該高科技領域占有一席之地。
微觀世界作用力的傳遞是由粒子完成的。這些粒子即稱傳播子，也屬于基本粒子范疇，傳遞強力的稱膠子，傳播電磁力的是光子，弱力的傳播子是中間玻色子W+、W+和Z0。
夸克、輕子是不是就是最基本的物質結構單元呢？也不是。已有許多跡象表明，它們也可能還存在內部結構。對更微觀層次的探究，是當代科學研究的最前沿之一。
人們會問：這樣無限分下去有什么意義呢？一是哲學上的意義，證明世界的物質性和人類認識永無止境；二是科學理論上的意義，豐富了人們關于物質世界的基本知識；三是實踐上的意義。當年對原子核內部結構的探索，導致了核能的廣泛利用和開發。反物質有可能成為未來人類更強大的能源。除這些以外；研究超微觀世界，需要龐大的高能實驗設備，如對撞機、加速器等，這些設備的研制是高技術發展極強的推動力量，如我國自行設計、研制的北京正負電子對撞機，不僅取得了“精確測量τ輕子質量”這一高水平理論研究成果，而且，在對撞機的研制過程中，還帶動了一大批高技術的發展。
