科学：小学教师指南/物质的构成
物质是宇宙的原材料。恒星、行星、山脉、海洋和大气层都是由物质构成的。植物和动物也是如此——包括人类以及我们生产的每一件物质东西。令人惊奇的是，这种巨大的多样性是由有限数量的化学元素以简单、明确的方式结合而成的。
物质可以存在于以下三种状态中的任何一种：固态、液态或气态。
- 固体可以是硬的或软的，但它们具有确定的尺寸和形状，一些例子是岩石、棉花或木材。
- 液体，如水，具有确定的尺寸，但没有确定的形状，因此它会呈现出容器的形状。
- 气体，既没有确定的尺寸，也没有确定的形状。它会呈现出容器的尺寸和形状。
大多数物质在必要温度下可以从一种状态变为另一种状态，但水是唯一一种在自然界中以三种状态存在的常见物质。
物质的物理性质包括质地、外观、气味、颜色、沸点、熔点、溶解度、密度、极性和其他性质。这些物理性质描述了前面提到的三种物质状态的观察结果。
内聚力是指分子之间相互吸引，水分子由于能够彼此形成氢键，所以具有很强的内聚力。固体的分子比液体的分子具有更强的内聚吸引力。
附着力是指大多数物质的分子也对某些其他物质的分子具有吸引力。水分子与许多其他材料具有附着力，例如木材和玻璃，如果水与它们接触，它们会使这些表面变湿。
关于原子的基本事实是，它由三种基本亚原子粒子构成：1）电子（负电荷），它们围绕包含 2）质子（正电荷）和 3）中子（中性电荷）的原子核旋转。通常，质子和电子的数量相互平衡，使原子具有电中性。最远离原子核的电子（价电子）是最容易与其他原子共享或转移到其他原子的电子。缺失一个电子或共享一个额外电子的原子被称为离子，它们很容易与其他离子结合形成分子。
原子中质子的数量称为原子序数。这个数字决定了原子的元素。在一种元素中，中子的数量可能不同，从而产生不同的同位素或核素。在大多数情况下，这不会影响原子的电学和化学行为。（同位素的质量是一个例外，因为较重的同位素往往比较轻的同位素反应更慢。）有些因素会影响原子核中质子和中子的数量，包括核裂变、核聚变和放射性衰变。然而，通常情况下，电子的数量是最容易改变的粒子，因为它具有较低的键能。
传统上，原子被描绘成一种微型太阳系。现在，科学家已经了解到，如果我们能看到原子，它看起来更像是一团模糊的小云。事实上，科学家只能用概率论来预测电子在其壳层中可能在哪里：不能同时确定电子的确切位置和动量。
一个彩色图展示了原子、中子、质子和电子的相对大小。图 1. 原子尺度。版权 质子和中子的质量大致相同；然而，电子的质量轻 1000 多倍。我们谈论的是多小？好吧，如图 1 所示，我们说的是非常非常小。
原子 = 1 x 10-10 米 原子核 = 1 x 10-15 到 1 x 10-14 米 中子或质子 = 1 x 10-15 米 电子 - 未知确切值，但据信约为 1 x 10-18 米 原子可以分解成几个更小的亚原子粒子。其中三个主要粒子是质子和中子，它们存在于原子核或原子核心中，以及电子，它们存在于原子核之外。物理学家最近将原子细分为更小的亚原子粒子，如费米子（夸克、轻子、中微子、电子）和玻色子（胶子、光子、引力子）。很难（如果不是不可能）根据其包含的夸克和轻子数量来确定事物的物理性质。我们在这个世界中看到的东西（水、木材、金属、皮肤、牙齿）最好通过使用它们原子（和分子）中包含的质子、中子和电子数量来理解和组织
构成物质的基本构成要素称为原子。有时，两个或多个原子结合在一起形成一个分子。分子是物质的一个微小部分，它仍然具有该物质的所有性质。原子很小，但当它们的能量释放时，它们的能量会撞击在一起。原子由三种粒子组成：质子、中子和电子。质子和中子形成原子中心的原子核。质子带正电荷，中子带中性电荷。电子带负电荷，可以在原子核外部的壳层中找到。几乎所有原子都具有与质子数量相同的电子数量，这使得原子呈中性。负电荷吸引正电荷。正电荷会排斥另一个正电荷，同样，负电荷也会排斥另一个负电荷（异性相吸）。
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原子核 原子核是原子中心由质子和中子组成的致密区域。原子核也环绕着电子云。原子核的直径在 1.6 fm 到约 1.5 fm 之间。
质子是自旋为 1/2 的费米子，由三个价夸克组成，[6] 这使得它们成为重子（强子的一种亚型）。质子的两个上夸克和一个下夸克通过胶子介导的强力结合在一起。[7]：21–22 现代观点认为质子由价夸克（上、上、下）、胶子和瞬态的“海夸克”对组成。质子的大致呈指数衰减的正电荷分布，平均平方半径约为 0.8 fm。[8]
质子和中子都是核子，它们可以通过核力结合在一起形成原子核。最常见的氢同位素（化学符号为“H”）的原子核是一个质子。重氢同位素氘和氚的原子核分别包含一个质子和一个中子以及一个质子和两个中子。所有其他类型的原子核都是由两个或多个质子和不同数量的中子组成的。
中子是一种亚原子粒子，符号为 n 或 n0，没有净电荷，质量略大于质子。质子和中子，每个质量约为一个原子质量单位，构成了原子的原子核，它们统称为核子。[5] 它们的性质和相互作用由核物理学描述。
原子核由 Z 个质子组成，其中 Z 称为原子序数，以及 N 个中子组成，其中 N 称为中子数。原子序数定义了原子的化学性质，中子数决定了同位素或核素。[6] 同位素和核素这两个术语经常被互换使用，但它们分别是化学和核概念。原子质量数，符号为 A，等于 Z+N。例如，碳的原子序数为 6，其丰富的碳-12 同位素有 6 个中子，而其稀有的碳-13 同位素有 7 个中子。一些元素在自然界中只存在一个稳定的同位素，例如氟。其他元素存在许多稳定的同位素，例如锡，它有十个稳定的同位素。尽管它不是化学元素，但中子也被列入核素表。[7]
在原子核中，质子和中子通过核力结合在一起，中子对于原子核的稳定性是必不可少的。中子在核裂变和核聚变中大量产生。它们是恒星内部通过裂变、聚变和中子俘获过程进行的化学元素核合成的主要贡献者。
中子对于核能的生产至关重要。在中子于 1932 年被发现后的十年里，[8] 中子被用来诱导许多不同类型的核转化。随着 1938 年核裂变的发现，[9] 人们很快意识到，如果裂变事件产生了中子，那么这些中子中的每一个都可能导致进一步的裂变事件，等等，在一个被称为核链反应的级联中。[6] 这些事件和发现导致了第一个自持核反应堆（芝加哥堆-1，1942）和第一个核武器（三位一体，1945）的出现。
自由中子，或脱离原子核的单个中子，实际上是一种电离辐射形式，因此，根据剂量，它们是一种生物危害。[6] 地球上存在少量天然的“中子本底”通量，由宇宙射线淋浴和地球地壳中自发裂变元素的自然放射性引起。[10] 专用中子源，如中子发生器、研究反应堆和散裂源，产生用于辐照和中子散射实验的自由中子。
电子是亚原子粒子，符号为 e− 或 β−，带负基本电荷。[8] 电子属于轻子粒子家族的第一代，[9] 通常被认为是基本粒子，因为它们没有已知的成分或亚结构。[1] 电子的质量大约是质子的 1/1836。[10] 电子的量子力学性质包括一个半整数值的固有角动量（自旋），以约化普朗克常数 ħ 为单位表示。由于它是一个费米子，根据泡利不相容原理，没有两个电子可以占据相同的量子态。[9] 像所有物质一样，电子具有粒子和波的性质：它们可以与其他粒子碰撞，也可以像光一样发生衍射。与中子和质子等其他粒子相比，电子的波动性质更容易通过实验观察到，因为电子的质量更小，因此对于给定能量，德布罗意波长更长。
电子在许多物理现象中起着至关重要的作用，例如电、磁和热导率，它们也参与万有引力、电磁和弱相互作用。[11] 由于电子带电，因此它周围存在电场，如果电子相对于观察者运动，它将产生磁场。由其他来源（非自产）产生的电磁场将根据洛伦兹力定律影响电子的运动。当电子加速时，它们会以光子的形式辐射或吸收能量。实验室仪器能够通过使用电磁场来捕获单个电子以及电子等离子体。专用望远镜可以探测外太空的电子等离子体。电子参与了许多应用，例如电子学、焊接、阴极射线管、电子显微镜、放射治疗、激光、气体电离探测器和粒子加速器。
涉及电子与其他亚原子粒子的相互作用在化学和核物理等领域备受关注。原子核内正质子与核外负电子之间的库仑力相互作用，使两者构成我们所知的原子。电离或负电子与正核比例的差异会改变原子体系的结合能。两个或多个原子之间电子的交换或共享是化学键合的主要原因。[12] 1838 年，英国自然哲学家理查德·莱明首先假设了不可分割的电荷量概念来解释原子的化学性质。[3] 爱尔兰物理学家乔治·约翰斯通·斯通尼在 1891 年将这种电荷命名为“电子”，J. J. 汤姆逊及其英国物理学家团队在 1897 年将其识别为粒子。[5][13][14] 电子也可以参与核反应，例如恒星中的核合成，在那里它们被称为贝塔粒子。电子可以通过放射性同位素的贝塔衰变和高能碰撞产生，例如宇宙射线进入大气时。电子的反粒子被称为正电子；它与电子相同，只是它携带相反的电荷和其他电荷。当一个电子与一个正电子碰撞时，这两个粒子都可以完全湮灭，产生伽马射线光子。