從宏觀物體到微觀物質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)

1、從宏觀物體到微觀物質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)說明：本文是綜合網(wǎng)絡(luò)上的相關(guān)知識，編輯而成，以供大家參考。我們所在的這個宇宙是人類已知的最大物體，其曲率半徑達(dá)到i0A3im約等丁 10A16光年。（注：1光年Q 9.46 X 10Ai5m,即約9.46萬億公里。天文學(xué)上還用“秒差距”pc作距離單位，1pc 3.08568 X 10A16m,約為 3.26 光年）。宇宙中的物質(zhì)不是連續(xù)均勻分布的，而是一團(tuán)一團(tuán)的，呈立體網(wǎng)狀的。宇宙中 包含很多個超星系團(tuán)，并且各個超星系團(tuán)之間相距遙遠(yuǎn)。每一個超星系團(tuán)里面乂包含若干個星系團(tuán)，星系團(tuán)彼此之間也是距離遙遠(yuǎn)。每一個星系團(tuán)里面乂包含若干個星系群，星系群彼此之間也是距離遙遠(yuǎn)。（

2、星系群就是小的星系團(tuán)，有的觀點沒有星系群的說法。）每一個星系群里面乂包含很多個大星系，大星系彼此之間也是距離遙遠(yuǎn)。我們 所在的銀河系就是大星系之一，銀河系直徑約為10萬多光年。每一個大星系里面乂包含很多個包星系。 我們所在的太陽系，就是一個包星系， 它屆丁銀河系中的一員。銀河系包含上千億顆包星，包星彼此之間距離非常遙遠(yuǎn)。包星系基本上都是由位丁中心的一顆或兩三顆包星，以及周圍的若干附屆天體 組成。附屆天體包括行星、行星的衛(wèi)星、彗星和其他一些小天體。宇宙中除了上述天體，還彌漫著大量的星際氣體和星際塵埃。宇宙中所有的天體都在不斷運(yùn)轉(zhuǎn)變化，各個星系團(tuán)、包星、行星和衛(wèi)星等，都 在旋轉(zhuǎn)，既繞著它們系統(tǒng)的中

3、心公轉(zhuǎn)，同時乂在自轉(zhuǎn)。但旋轉(zhuǎn)的速度、方向和軌道 角度等都各有不同。宇宙中時常都有老的包星死亡，變成紅巨星、白矮星或黑洞；也時常有新的包 星誕生，有超新星爆發(fā)。還有星系碰撞、撕裂、吞并等現(xiàn)象。我們所在的太陽系，是由中心的一顆包星一一太陽，和周圍的八大行星、數(shù)顆 矮行星、上白顆天然衛(wèi)星以及數(shù)以億計的各種小天體組成。 太陽系的直徑約為10A16 m，即大約1光年。太陽是一顆中等大小的包星，是一個熾熱的充滿強(qiáng)磁場的等離子球體，也是太 陽系最大的天體。太陽的直徑約為1.39 x 10A9m（即約為139萬公里），大約只是太 陽系直徑的千萬分之一。太陽的質(zhì)量很大，占了太陽系總質(zhì)量的 98.5%以上。地球是

4、太陽系八大行星中的由內(nèi)向外排列的第三顆行星，太陽到地球的距離稱 為一個天文單位，約為1.5 x lllm （即約1.5億公里）。地球的直徑約為12700多公里。地球構(gòu)造主體分為三個層次，由外到內(nèi)依次是： 地殼、地幔和地核。地殼是地球固體部分的最外層，平均厚度約17 km。地球是圈層結(jié)構(gòu)，可分為地球外圈和地球內(nèi)圈兩大部分。地球外圈可進(jìn)一步劃 分為四個基本圈層，即大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈；地球內(nèi)圈可劃分為三個基 本圈層，即地幔圈、液態(tài)外核圈和固態(tài)內(nèi)核圈。在地球外圈與地球內(nèi)圈之間還有一 個過渡圈層，叫軟流圈。這樣，整個地球總共包括八個圈層。巖石圈，是地球表層的一個堅硬的固體圈層，主要由地殼和地幔

5、的上層部分組成，成分主要是各種巖石。巖石圈厚度不均，平均厚度約為100 km。巖石圈可分為六大板塊：歐業(yè)板塊、太平洋板塊、美洲板塊、非洲板塊、印度洋板塊和南極洲 板塊，這些板塊在軟流圈上面緩慢漂移。地球表面719的海洋，29%；陸地。地球陸地分為五塊大陸（歐業(yè)大陸、非洲大 陸、美洲大陸、澳洲大陸和南極大陸）和很多島嶼。地球上的海洋包括四個大洋（太 平洋、大西洋、印度洋和北冰洋）及其附屆海域。（也有觀點認(rèn)為還應(yīng)該劃分一個南冰洋）。地球上的生物包括植物、動物和微生物?，F(xiàn)存的植物約有40多萬種，動物約有110多萬種，微生物至少有10多萬種?，F(xiàn)存的生物都生活在巖石圈的上層部分 至大氣圈的下層部分，以及

6、水圈的大部分，構(gòu)成了地球上一個獨特的圈層，稱為生 物圈。地球上的生物種類繁多，尺度懸殊也很大。最小的寄生病蠹，直徑不到 30nm 能獨立存活的微生物，也有小至100nm的。而現(xiàn)存的最大動物 藍(lán)鯨，體長可達(dá) 30m以上，體重可達(dá)到近200t。人類屆于動物之一，但是與其他動物明顯不同，人類具有高度智慧，創(chuàng)造了高 度發(fā)達(dá)的文明。目前在宇宙中還沒有發(fā)現(xiàn)其他高級智慧生物。高等生物的軀體，可分為若十個部分，每個部分乂分為若十組織，每種組織由 相應(yīng)的細(xì)胞構(gòu)成。一個人體總共由幾十萬億個細(xì)胞構(gòu)成。細(xì)胞是生物體基本的結(jié)構(gòu)和功能單位。除了寄生病蠹以外的所有生物體，都是 由各種細(xì)胞構(gòu)成。不同種類的細(xì)胞，其壽命、功能和

7、大小都不同，小的只有1 m大的有 100 m （即 0.1mn）。物質(zhì)可分為無機(jī)化合物和有機(jī)化合物兩大類。有機(jī)化合物，簡稱有機(jī)物，是指含有碳元素的化合物，也可看作是碳?xì)浠衔?及其衍生物。通常把一些簡單的含碳化合物，比如一氧化碳、二氧化碳、碳酸、碳 酸鹽等，作為無機(jī)物來研究。生物體中大多數(shù)種類的物質(zhì)、生物死亡后分解或轉(zhuǎn)化 的物質(zhì)、石化燃料類物質(zhì)及其化工制品（塑料、橡膠、藥物等），大都屆于有機(jī)物。除了有機(jī)物之外的其他所有物質(zhì)，都屆于無機(jī)物。比如各種巖石、沙礫、土壤 和大氣的主要成分，水（冰）,礦物等，都是無機(jī)物。目前已知的無機(jī)化合物約有5萬種，而有機(jī)化合物達(dá)到700萬種以上。不論無機(jī)物還是有機(jī)物

8、，都是由大量的分子組成的。分子是物質(zhì)中能夠獨立存在、相對穩(wěn)定并保持該物質(zhì)化學(xué)特性的最小單元。不 同的物質(zhì)，具有不同的分子。所有分子都在永不停歇地做無規(guī)則運(yùn)動（包括移動或 振動），分子之間都有間隙。在分子的作用力范圍內(nèi)（通常不超過分子直徑10倍的距離），分子之間具有相互作用力（引力和斥力）。不同的分子，大小和質(zhì)量都差異較大。蛋白質(zhì)、纖維素之類的高分子化合物， 其分子能達(dá)到0.1mm分子量可達(dá)幾白萬。一般物質(zhì)的分子，直徑尺度為 lOIOm, 即0.1納米，分子量從幾到幾白不等。分子量，表示物質(zhì)分子的相對質(zhì)量。各種分子的分子量，可以查詢資料或根據(jù) 原子量計算得到。物質(zhì)的量，用摩爾（mol）作單位來表

9、示。1mol的任何物質(zhì)所包含的結(jié)構(gòu)粒子 數(shù)與12克的碳-12元素的原子數(shù)目相等，該數(shù)目等于 6.02 X 10A23,這個數(shù)目叫摩 爾常數(shù)，乂稱為阿佛加德羅常數(shù)，即 1mol = 6.02 x 10A23。1mol物質(zhì)的質(zhì)量叫該物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，單位是 g/mol。任何原子、分子或離 子的摩爾質(zhì)量，數(shù)值上分別等于該種粒子的原子量、分子量或組成離子的原子團(tuán)的 原子量之和。比如氧氣的分子量是 32,那么1摩爾氧氣分子的總質(zhì)量為32克。任何物質(zhì)的質(zhì)量，等于物質(zhì)的量（摩爾數(shù)，單位mol）與該物質(zhì)的摩爾質(zhì)量（單 位g/mol）之乘積。在0C及1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1mol的任何氣體所占的體積都是 22

10、.4 升。分子都是由一種或多種原子構(gòu)成。不同種類和數(shù)量的原子，能夠構(gòu)成很多種不 同的分子。即使相同種類和數(shù)量的原子，也可以構(gòu)成不同的分子，因為分子結(jié)構(gòu)還 包括以下兩個方面：一是原子在分子中的排列方式，二是分子中的原子與原子之間 的結(jié)合方式。如果某種物質(zhì)的分子只包含一個原子，我們就說這種物質(zhì)是由原子直接構(gòu)成 的。純金屆物質(zhì)基本都屆于這種情況。如果某種物質(zhì)的分子包含多種原子，但物質(zhì)并非由分子簡單組合而成，而是由 不同原子按照一定規(guī)律間隔排列組合而成，我們也可以認(rèn)為這種物質(zhì)是由不同原子 構(gòu)成的。氯化鈉之類的離子型晶體基本就屆于這種情況。原子是一種元素能保持其化學(xué)性質(zhì)的最小單位，是物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的基

11、本微 粒。原子由位于它中心的一個致密的原子核，和周圍各個軌道上繞核高速運(yùn)動的若 十個電子構(gòu)成。原子核由若十個質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子和中子乂統(tǒng)稱為核子。不同的元素，其原子中所含的質(zhì)子、中子和電子的數(shù)目不同。不同軌道上的電子會在不同的特定區(qū)域內(nèi)運(yùn)動，根據(jù)某個電子在空間某區(qū)域出 現(xiàn)的幾率，而有著某種特殊形狀的電子空間，人們形象地稱之為電子云。一個質(zhì)子帶一個正電荷，中子不帶電。一個電子帶一個負(fù)電荷。由于原子中的 質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)相等，所以原子整體呈電中性（不顯電性） 。原子是參與化學(xué)反應(yīng)的最小單位，在化學(xué)反應(yīng)中，各種原子核都不變，只是核 外電子發(fā)生遷移，從而使某些原子核組成新的組合，變成新的分子。元素是質(zhì)

12、子數(shù)相同的一類原子的總稱，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一白多種元素。幾乎每 種元素都包括若十種不同的同位素原子（所含的中子數(shù)不同）。自然界存在的同位素共三白多種，而人造的同位素達(dá)到一千多種。很多同位素原子都不穩(wěn)定，易衰變 成其他原子。元素周期表中的原子序數(shù)=核電荷數(shù)=核內(nèi)質(zhì)子數(shù)=核外電子數(shù)。原子質(zhì)量數(shù)=質(zhì)子數(shù)+中子數(shù)。（電子質(zhì)量極小，可忽略不計）。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的這一白多種元素，構(gòu)成了地球上千千萬萬種不同的物質(zhì)。理論和實 際探測都表明，自然界的元素種類不會超過 150種。不同的原子，其大小和質(zhì)量都不一樣。最小的是氫原子，直徑約8X 10A-11mi；最大的是飩原子，直徑約 5X 10A-10m?？偟膩碚f，原子與分

13、子的尺度都接近同一 個數(shù)量級，說明分子中的各個原子結(jié)合得比較緊密。人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定的原子當(dāng) 中，最輕的是氫-1原子，最重的是鉛-208原子。原子中的原子核很小，但密度很大，具有的能量也很大。不同的原子核，其大 小和質(zhì)量不同。原子核直徑大多在 10A-15 10A-14m之間，大約是原子直徑的萬分 之一。在這極小的原子核里卻集中了 99.96 %以上的原子質(zhì)量。原子核的密度極大， 核密度約為10A17 kg/m3。上述數(shù)據(jù)說明，原子內(nèi)的粒子（原子核和電子）只占整個原子體積的萬億分之 一,也就是說原子內(nèi)部基本就是空蕩蕩的。這與怛星系內(nèi)部相似。質(zhì)子和中子的直徑都約為10A-15m ,基本上與原子核

14、在同一個數(shù)量級， 說明核 內(nèi)的質(zhì)子和中子結(jié)合很緊密。中子的質(zhì)量比質(zhì)子略大一點點。電子很小，也很輕。電子的大小不到質(zhì)子的千分之一，電子的質(zhì)量大約是質(zhì)子 的1840分之一。四如今，人類發(fā)現(xiàn)宇宙中共有四種基本相互作用力：強(qiáng)相互作用力、弱相互作用 力、電磁相互作用力和萬有引力，分別簡稱為：強(qiáng)力、弱力、電磁力和引力。能在 宏觀世界中表現(xiàn)出來的只有引力和電磁力兩種（引力表現(xiàn)為重力，除引力外的所有 力都屆于電磁力）。強(qiáng)力和弱力都只作用在微觀粒子身上。強(qiáng)力只在10A-15m范圍內(nèi)有顯著作用，弱力的作用范圍不超過10A-16m。電磁 力和萬有引力的作用范圍都是無限遠(yuǎn)（但作用力會隨著距離增加而大大減?。Ｋ姆N力的

15、強(qiáng)度比較如下：強(qiáng)力100,電磁力1,弱力10A-10 ,萬有引力10A-38。 相比而言，萬有引力的強(qiáng)度非常弱，對于生活中的普通物體或微觀粒子，它們之間 的萬有引力可以忽略不計；但在巨大的天體之間，萬有引力幾乎是唯一的作用力。人們把構(gòu)成物質(zhì)的那些最小的微粒，叫基本粒子。事實上，沒有絕對的基本粒 子。到目前為止，人類發(fā)現(xiàn)的所謂基本粒子已達(dá)上白種。根據(jù)作用力的不同，基本粒子分為強(qiáng)子、輕子和傳播子三大類。根據(jù)基本粒子的角動量（稱為自旋）的不同，基本粒子乂分為費米子和玻色子 兩類。自旋為半整數(shù)（？或-?以及它們的倍數(shù)）的粒子稱為費米子，自旋為整數(shù)的 粒子稱為玻色子。費米子滿足泡利不相容原理，即不能有兩

16、個及以上的費米子出現(xiàn)在相同的量子 態(tài)中。費米子包括輕子、核子、超子等，以及由奇數(shù)個核子組成的原子核。玻色子不遵守泡利不相容原理，允許多個玻色子占有同一種狀態(tài)。玻色子包括： 膠子、光子、介子、w玻色子、z玻色子、希格斯玻色子，由偶數(shù)個核子組成的原 子核，以及假設(shè)中的引力子等。除了原子核以外，其余玻色子基本都屆于傳播子， 它們在粒子之間起媒介作用,傳遞粒子的相互作用。強(qiáng)子就是所有參與強(qiáng)力作用的粒子的總稱，包括夸克、介子、核子等，它們都 是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子。輕子就是只參與弱力、電磁力和引力作用，而不參與強(qiáng)相互作用的粒子的總稱。 輕子共有六種，包括：電子、電子中微子、 子（繆子）、子中微子、i子（陶

17、 子）、i子中微子。（如果再包括它們的反粒子，則共有 12種）。它們有的帶電，有 的不帶電。輕子并非都很輕，有的還很重。傳播子有14種，包括：膠子（8種）、光子、W玻色子、W玻色子、Z玻色子、 希格斯玻色子各1種，以及引力子（處于假設(shè)中）。弱力主要在微觀粒子發(fā)生衰變時起作用，它會對費米子和某些玻色子起作用， 尤其在粒子的6衰變中最明顯?？淇耸菢?gòu)成物質(zhì)的基本單元之一，是唯一一種經(jīng)受住四種基本作用力（強(qiáng)力、 弱力、電磁力、萬有引力）的粒子?？淇说目臻g尺度是微觀粒子中最小的，大約小 于10A-19m。夸克分為六類（稱為六味），分別是上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸 克、頂夸克和底夸克。其中，前兩類屆于第

18、一代，中間兩類屆于第二代，最后兩類屆于第三代。第二、三代夸克都不穩(wěn)定，易衰變?yōu)榈谝淮?。第一代夸克最穩(wěn)定，所 以核子都是由第一代夸克構(gòu)成的。每一味夸克乂分為三種（稱為三色），這就有18種夸克。每種夸克乂有一種對應(yīng)的反夸克，所以夸克總數(shù)有36種。上、粲、頂二類夸克的電荷為+2/3 ,下、奇、底二類夸克的電荷為-1/3 o夸克 的分?jǐn)?shù)電荷，說明電荷基本單位也可再分。夸克可以通過弱相互作用，由一種味轉(zhuǎn)變成另一種味。它們都傾向于變成同一 代的另一味夸克。每個質(zhì)子都是由兩個上夸克和一個下夸克組成，每個中子都是由兩個下夸克和 一個上夸克組成。一個核子內(nèi)的三個夸克，必須分別是三種色。核子中的夸克只能 穩(wěn)定存在

19、于核子內(nèi)，不能被分割出來，這叫夸克禁閉現(xiàn)象。膠子是負(fù)責(zé)在兩個夸克之間傳遞強(qiáng)作用力的基本粒子，它把幾個夸克捆綁在一 起，使之形成質(zhì)子、中子、介子或其他強(qiáng)子。膠子不但傳遞強(qiáng)相互作用，它還參與 強(qiáng)相互作用。膠子共發(fā)現(xiàn)有8種。雖然膠子本身無質(zhì)量，但由于強(qiáng)力場的能量十分巨大，使得膠子表現(xiàn)出來的總 質(zhì)量很大，占核子質(zhì)量的95%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于三個夸克的總質(zhì)量。在核子內(nèi)部，夸克之間的作用力隨著距離的增加而增大，隨著距離的減小而減弱，這點與其他力不同。就好像膠子是橡皮筋或膠粘劑一樣， 把夸克們連接在一起， 距離拉大時，拉力就大增；距離減小，拉力就弱，呈松弛狀態(tài)。這叫夸克的漸進(jìn)自 由現(xiàn)象。一個夸克與一個反夸克能夠

20、構(gòu)成介子。介子是比電子重的帶電或不帶電的粒 子,可分為幾種。介子屆于強(qiáng)子，參與強(qiáng)相互作用。它們都不能穩(wěn)定存在，經(jīng)歷一 定平均壽命后即轉(zhuǎn)變?yōu)閯e的基本粒子。核子之間的力叫核力。研究認(rèn)為，某些介子是傳遞核子之間相互作用力的媒介， 它們把質(zhì)子、中子等聚集在原子核內(nèi)。關(guān)于核力的很多問題，還處于研究中。已經(jīng) 發(fā)現(xiàn)核力具有強(qiáng)力、短程力、電荷無關(guān)性、引力斥力平衡性、交換性和飽和性等特 征。光子是傳遞電磁相互作用的媒介。假設(shè)中的引力子是傳遞萬有引力的媒介各種基本粒子的質(zhì)量差異很大，核子很重，某些輕子也較重，電子很輕，中微 子非常輕，膠子和光子本身無質(zhì)量。基本粒子中，質(zhì)子、電子、中微子是很穩(wěn)定的粒子，衰減速度極慢

21、，其半衰期 壽命遠(yuǎn)長于現(xiàn)在的宇宙年齡。基本粒子的產(chǎn)生和衰變過程也要遵循質(zhì)能守恒定律，此外還有動量守恒、角動 量守恒、電荷守恒以及其他微觀守恒定律。附一：各種物體的尺度一覽1、 宇宙曲率半徑 約10八31 m （約10M6光年，即億億光年）2、超星系團(tuán) 直徑 約幾億光年到幾十億光年不等。3、星系團(tuán) 直徑約幾白萬光年。4、 星系群（較小的星系團(tuán)）直徑約白萬光年。5、大星系直徑約幾千光年至幾十萬光年不等。6、銀河系直徑約十萬多光年，是大星系之一。7、恒星系直徑小的不至U 1光年，大的有幾光年。8、太陽系直徑約1光年，是恒星系之一。9、恒星直徑小的幾十公里，大的超過10億公里。10、太陽直徑約139萬公里，是恒星之一。11、木星直徑約14萬公里，是太陽系里最大的行星.12、地球直徑約1.27萬公里，是太陽系的行星之一13、 北美巨杉高度達(dá)到100米以上，是全世界最高的樹木品種。14、 藍(lán)鯨體長可達(dá)30m ,是地球現(xiàn)存的最大動物品種。15、 最小的寄生病蠹直徑不到30納米，是地球上很小的生命體。16、 人絕大多數(shù)成年人 身高12米不等。17、 細(xì)胞小的只有1微米，大的有0.1毫米，細(xì)胞是生物的基本組成單位。18、分子 約0.1納米至0.1毫米不等。19、原子 直徑 約0.080.5