從宏觀物體微觀物質(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)絡上的相關知識，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，其曲率半徑達到10A31日約等于10A16光年。（注：1光年9.46 X10A15m,即約9.46萬億公里。 天文學上還用“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，而是一團一團的，呈立體網(wǎng)狀的。宇宙中包 含很多個超星系團，并且各個超星系團之間相距遙遠。每一個超星系團里面又包含若干個星系團，星系團彼此之間也是距離遙遠。每一個星系團里面又包含若干個星系群， 星系群彼此之間也是距離遙遠。（星

2、系群 就是小的星系團，有的觀點沒有星系群的說法。）每一個星系群里面又包含很多個大星系，大星系彼此之間也是距離遙遠。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。每一個大星系里面又包含很多個恒星系。我們所在的太陽系，就是一個恒星系, 它屬于銀河系中的一員。銀河系包含上千億顆恒星，恒星彼此之間距離非常遙遠恒星系基本上都是由位于中心的一顆或兩三顆恒星，以及周圍的若干附屬大體組 成。附屬天體包括行星、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轉(zhuǎn)變化，各個星系團、恒星、行星和衛(wèi)星等，都在 旋轉(zhuǎn)，既繞著它們系統(tǒng)的中心

3、公轉(zhuǎn)，同時又在自轉(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恒星死亡，變成紅巨星、白矮星或黑洞；也時常有新的恒星 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，是由中心的一顆恒星一一太陽，和周圍的八大行星、數(shù)顆矮 行星、上百顆天然衛(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10A16m ,即大約1光年。太陽是一顆中等大小的恒星，是一個熾熱的充滿強磁場的等離子球體，也是太陽 系最大的天體。太陽的直徑約為1.39X10A9m（即名勺為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。地球是太陽系八

4、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 10Alim （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， 主要由地殼和地幔的

5、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： 歐亞板塊、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71%為海洋，29%為陸地。地球陸地分為五塊大陸 （歐亞大陸、 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）及其附屬海域。 （也有觀點認為還應該劃分一個南冰洋） 。地球上的生物包括植物、動物和微生物。現(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。 現(xiàn)存的生物都生活在巖石圈的上層部分至大氣圈的

6、下層部分， 以及水圈的大部分， 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。最小的寄生病毒，直徑不到30nm；能獨立存活的微生物，也有小至100nm的?，F(xiàn)現(xiàn)存的最大動物一一藍鯨，體長可達30m 以上，體重可達到近200t 。人類屬于動物之一，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，可分為若干個部分，每個部分又分為若干組織，每種組織由相應的細胞構(gòu)成。一個人體總共由幾十萬億個細胞構(gòu)成。細胞是生物體基本的結(jié)構(gòu)和功能單位。除了寄生病毒以外的所有生物體，都是由各種細胞構(gòu)成。不同種類的細胞

7、，其壽命、功能和大小都不同，小的只有 1小3大 的有100仙m（即0.1mm。物質(zhì)可分為無機化合物和有機化合物兩大類。有機化合物，簡稱有機物，是指含有碳元素的化合物，也可看作是碳氫化合物及其衍生物。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） ，大都屬于有機物。除了有機物之外的其他所有物質(zhì)，都屬于無機物。比如各種巖石、沙礫、土壤和大氣的主要成分，水（冰） ，礦物等，都是無機物。目前已知的無機化合物約有5 萬種，而有機化合物達到 700 萬種以上。不論無

8、機物還是有機物，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，其分子能達到0.1mni分子量可達幾百萬。一般物質(zhì)的分子，直徑尺度為10A-10m,即 0.1 納米，分子量從幾到幾百不等。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

9、（mol）作單位來表示。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 6.02X1QA23,這個數(shù)目叫摩爾 常數(shù)，又稱為阿佛加德羅常數(shù)，即 1mol = 6.02 X1QA23。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 0及1 標準大氣壓的標準狀況下， 1m

10、ol 的任何氣體所占的體積都是22.4 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。純金屬物質(zhì)基本都屬于這種情況。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屬于這種情況。原子是一種元素能保持其化學性質(zhì)的最小單位，

11、 是物質(zhì)進行化學反應的基本微粒。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動的若干個電子構(gòu)成。原子核由若干個質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子和中子又統(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） 。原子是參與化學反應的最小單位，在化學反應中，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

12、分子。元素是質(zhì)子數(shù)相同的一類原子的總稱，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一百多種元素。幾乎每種元素都包括若干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三百多種，而人造的同位素達到一千多種。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)的這一百多種元素，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，具大小和質(zhì)量都不一樣。最小的是氫原子，直徑約 8X10A-I1m；最大的是葩原子，直徑約 5X10A-1

13、0m?？偟膩碚f，原子與分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/m 3 。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。這與恒星系內(nèi)部相似。質(zhì)子和中子的直徑都約為

14、 10A-15m ，基本上與原子核在同一個數(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屬于電磁力） 。強力和弱力都只作用在微觀粒子身上。強力只在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（但作用力會隨著

15、距離增加而大大減?。?。四種力的強度比較如下：強力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上百種。根據(jù)作用力的不同，基本粒子分為強子、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，基本粒子又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

16、。費米子滿足泡利不相容原理，即不能有兩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，以及假設中的引力子等。除了原子核以外，其余玻色子基本都屬于傳播子，它們在粒子之間起媒介作用，傳遞粒子的相互作用。強子就是所有參與強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

17、、仙子（繆子） 、小子中微子、子（陶 子）、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-t色子、Z玻色子、希格斯玻色子各1 種，以及引力子（處于假設中） 。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B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（強力、弱力、電磁力、萬有引力）的粒子。夸克的空間尺度是微觀粒子中最小的，大約小于10A-19m ?？淇朔譃榱悾ǚQ為六味） ，分別是上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、

18、頂夸克和底夸克。其中，前兩類屬于第一代，中間兩類屬于第二代，最后兩類屬于第三代。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。每一味夸克又分為三種（稱為三色） ，這就有 18 種夸克。每種夸克又有一種對應的反夸克，所以夸克總數(shù)有36 種。上、粲、頂三類夸克的電荷為 +2/3 ，下、奇、底三類夸克的電荷為 -1/3 ?？淇说姆謹?shù)電荷，說明電荷基本單位也可再分?？淇丝梢酝ㄟ^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

19、別是三種色。核子中的夸克只能穩(wěn)定存在于核子內(nèi)，不能被分割出來，這叫夸克禁閉現(xiàn)象。膠子是負責在兩個夸克之間傳遞強作用力的基本粒子， 它把幾個夸克捆綁在一起，使之形成質(zhì)子、中子、介子或其他強子。膠子不但傳遞強相互作用，它還參與強相互作用。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，遠遠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

20、自由現(xiàn)象。一個夸克與一個反夸克能夠構(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。介子屬于強子，參與強相互作用。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)核力具有強力、短程力、電荷無關性、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?；玖Ｗ又?，質(zhì)子、電子、中微子是

21、很穩(wěn)定的粒子，衰減速度極慢，其半衰期壽 命遠長于現(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10A31 m （約10A16光年，即億億光年）2、超星系團直徑 約幾億光年到幾十億光年不等。3、星系團直徑 約幾百萬光年。4、星系群（較小的星系團） 直徑 約百萬光年。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 小的不到 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、北美巨杉高度達到 100 米以上，是全世界最高的樹木品種。14、藍鯨體長可達 30m ，是地球現(xiàn)存的最大動物品種。15、最小的寄生病毒直徑不到 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、細胞小的只有 1 微米，大的有0.1 毫米，細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