从宏观物体到微观物质的层次结构

1、从宏观物体到微观物质的层次结构说明：本文是综合网络上的相关知识，编辑而成，以供大家参考。我们所在的这个宇宙是人类已知的最大物体，其曲率半径达到10A31m约等于10A16光年。（注：1光年9.46X10A15m,即约9.46万亿公里。天文学上还用“秒差距”pc作距离单位，1pc=3.08568X10A16m,约为3.26光年）。宇宙中的物质不是连续均匀分布的，而是一团一团的，呈立体网状的。宇宙中包含很多个超星系团，并且各个超星系团之间相距遥远。每一个超星系团里面又包含若干个星系团，星系团彼此之间也是距离遥远。每一个星系团里面又包含若干个星系群，星系群彼此之间也是距离遥远。（星系群就是小的星系团

2、，有的观点没有星系群的说法。）每一个星系群里面又包含很多个大星系，大星系彼此之间也是距离遥远。我们所在的银河系就是大星系之一，银河系直径约为10万多光年。每一个大星系里面又包含很多个恒星系。我们所在的太阳系，就是一个恒星系,它属于银河系中的一员。银河系包含上千亿颗恒星，恒星彼此之间距离非常遥远。恒星系基本上都是由位于中心的一颗或两三颗恒星，以及周围的若干附属天体组成。附属大体包括行星、行星的卫星、彗星和其他一些小天体。宇宙中除了上述天体，还弥漫着大量的星际气体和星际尘埃宇宙中所有的天体都在不断运转变化，各个星系团、恒星、行星和卫星等，都在旋转，既绕着它们系统的中心公转，同时又在自转。但旋转的速

3、度、方向和轨道角度等都各有不同。宇宙中时常都有老的恒星死亡，变成红巨星、白矮星或黑洞；也时常有新的包星诞生，有超新星爆发。还有星系碰撞、撕裂、吞并等现象。我们所在的太阳系，是由中心的一颗恒星一一太阳，和周围的八大行星、数颗矮行星、上百颗天然卫星以及数以亿计的各种小天体组成。太阳系的直径约为10A16m,即大约1光年。太阳是一颗中等大小的恒星，是一个炽热的充满强磁场的等离子球体，也是太阳系最大的天体。太阳的直径约为1.39X10A9m（即名勺为139万公里），大约只是太阳系直径的千万分之一。太阳的质量很大，占了太阳系总质量的98.5%以上。地球是太阳系八大行星中的由内向外排列的第三颗行星，太阳到

4、地球的距离称为一个天文单位，约为1.5X10Alim（即约1.5亿公里）。地球的直径约为12700多公里。地球构造主体分为三个层次，由外到内依次是：地壳、地幔和地核。地壳是地球固体部分的最外层，平均厚度约17km。地球是圈层结构，可分为地球外圈和地球内圈两大部分。地球外圈可进一步划分为四个基本圈层，即大气圈、水圈、生物圈和岩石圈；地球内圈可划分为三个基本圈层，即地幔圈、液态外核圈和固态内核圈。在地球外圈与地球内圈之间还有一个过渡圈层，叫软流圈。这样，整个地球总共包括八个圈层。岩石圈，是地球表层的一个坚硬的固体圈层，主要由地壳和地幔的上层部分组成，成分主要是各种岩石。岩石圈厚度不均，平均厚度约为

5、100km0岩石圈可分为六大板块：欧亚板块、太平洋板块、美洲板块、非洲板块、印度洋板块和南极洲板块，这些板块在软流圈上面缓慢漂移。地球表面719的海洋，29%；陆地。地球陆地分为五块大陆（欧亚大陆、非洲大陆、美洲大陆、澳洲大陆和南极大陆）和很多岛屿。地球上的海洋包括四个大洋（太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋）及其附属海域。（也有观点认为还应该划分一个南冰洋）。地球上的生物包括植物、动物和微生物。现存的植物约有40多万种，动物约有110多万种，微生物至少有10多万种。现存的生物都生活在岩石圈的上层部分至大气圈的下层部分，以及水圈的大部分，构成了地球上一个独特的圈层，称为生物圈。地球上的生物种类繁多

6、，尺度悬殊也很大。最小的寄生病毒，直径不到30nm能独立存活的微生物，也有小至100nm的。而现存的最大动物蓝鲸，体长可达30m以上，体重可达到近200t。人类属于动物之一，但是与其他动物明显不同，人类具有高度智慧，创造了高度发达的文明。目前在宇宙中还没有发现其他高级智慧生物。高等生物的躯体，可分为若干个部分，每个部分又分为若干组织，每种组织由相应的细胞构成。一个人体总共由几十万亿个细胞构成。细胞是生物体基本的结构和功能单位。除了寄生病毒以外的所有生物体，都是由各种细胞构成。不同种类的细胞，其寿命、功能和大小都不同，小的只有1仙m大的有100Nm（即0.1mn）。物质可分为无机化合物和有机化合

7、物两大类有机化合物，简称有机物，是指含有碳元素的化合物，也可看作是碳氢化合物及其衍生物。通常把一些简单的含碳化合物，比如一氧化碳、二氧化碳、碳酸、碳酸盐等，作为无机物来研究。生物体中大多数种类的物质、生物死亡后分解或转化的物质、石化燃料类物质及其化工制品（塑料、橡胶、药物等），大都属于有机物。除了有机物之外的其他所有物质，都属于无机物。比如各种岩石、沙砾、土壤和大气的主要成分，水（冰），矿物等，都是无机物。目前已知的无机化合物约有5万种，而有机化合物达到700万种以上。不论无机物还是有机物，都是由大量的分子组成的。分子是物质中能够独立存在、相对稳定并保持该物质化学特性的最小单元。不同的物质，具

8、有不同的分子。所有分子都在永不停歇地做无规则运动（包括移动或振动），分子之间都有间隙。在分子的作用力范围内（通常不超过分子直径10倍的距离），分子之间具有相互作用力（引力和斥力）。不同的分子，大小和质量都差异较大。蛋白质、纤维素之类的高分子化合物，其分子能达到0.1mm分子量可达几百万。一般物质的分子，直径尺度为10A-10m,即0.1纳米，分子量从几到几百不等。分子量，表示物质分子的相对质量。各种分子的分子量，可以查询资料或根据原子量计算得到。物质的量，用摩尔（mol）作单位来表示。1mol的任何物质所包含的结构粒子数与12克的碳-12元素的原子数目相等，该数目等于6.02X10A23,这个

9、数目叫摩尔常数，又称为阿佛加德罗常数，即1mol=6.02X10A23。1mol物质的质量叫该物质的摩尔质量，单位是g/mol。任何原子、分子或离子的摩尔质量，数值上分别等于该种粒子的原子量、分子量或组成离子的原子团的原子量之和。比如氧气的分子量是32,那么1摩尔氧气分子的总质量为32克。任何物质的质量，等于物质的量（摩尔数，单位mol）与该物质的摩尔质量（单位g/mol）之乘积。在0c及1标准大气压的标准状况下，1mol的任何气体所占的体积都是22.4升。分子都是由一种或多种原子构成。不同种类和数量的原子，能够构成很多种不同的分子。即使相同种类和数量的原子，也可以构成不同的分子，因为分子结构

10、还包括以下两个方面：一是原子在分子中的排列方式，二是分子中的原子与原子之间的结合方式。如果某种物质的分子只包含一个原子，我们就说这种物质是由原子直接构成的。纯金属物质基本都属于这种情况。如果某种物质的分子包含多种原子，但物质并非由分子简单组合而成，而是由不同原子按照一定规律间隔排列组合而成，我们也可以认为这种物质是由不同原子构成的。氯化钠之类的离子型晶体基本就属于这种情况。原子是一种元素能保持其化学性质的最小单位，是物质进行化学反应的基本微粒。原子由位于它中心的一个致密的原子核，和周围各个轨道上绕核高速运动的若干个电子构成。原子核由若干个质子和中子组成。质子和中子又统称为核子。不同的元素，其原

11、子中所含的质子、中子和电子的数目不同。不同轨道上的电子会在不同的特定区域内运动，根据某个电子在空间某区域出现的几率，而有着某种特殊形状的电子空间，人们形象地称之为电子云。一个质子带一个正电荷，中子不带电。一个电子带一个负电荷。由于原子中的质子数和电子数相等，所以原子整体呈电中性（不显电性）。原子是参与化学反应的最小单位，在化学反应中，各种原子核都不变，只是核外电子发生迁移，从而使某些原子核组成新的组合，变成新的分子。元素是质子数相同的一类原子的总称，人类已经发现了一百多种元素。几乎每种元素都包括若干种不同的同位素原子（所含的中子数不同）。自然界存在的同位素共三百多种，而人造的同位素达到一千多种

12、。很多同位素原子都不稳定，易衰变成其他原子。元素周期表中的原子序数=核电荷数=核内质子数=核外电子数。原子质量数=质子数+中子数。（电子质量极小，可忽略不计）。已经发现的这一百多种元素，构成了地球上千千万万种不同的物质。理论和实际探测都表明，自然界的元素种类不会超过150种。不同的原子，具大小和质量都不一样。最小的是氢原子，直径约8X10A-11m；最大的是葩原子，直径约5X10A-10m。总的来说，原子与分子的尺度都接近同一个数量级，说明分子中的各个原子结合得比较紧密。人类已经发现的稳定的原子当中，最轻的是氢-1原子，最重的是铅-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。

13、不同的原子核，其大小和质量不同。原子核直径大多在10八-1510a-14m之间，大约是原子直径的万分之一。在这极小的原子核里却集中了99.96%以上的原子质量。原子核的密度极大，核密度约为10A17kg/m30上述数据说明，原子内的粒子（原子核和电子）只占整个原子体积的万亿分之一，也就是说原子内部基本就是空荡荡的。这与恒星系内部相似。质子和中子的直径都约为10A-15m,基本上与原子核在同一个数量级，说明核内的质子和中子结合很紧密。中子的质量比质子略大一点点。电子很小，也很轻。电子的大小不到质子的千分之一，电子的质量大约是质子的1840分之一。四如今，人类发现宇宙中共有四种基本相互作用力：强相

14、互作用力、弱相互作用力、电磁相互作用力和万有引力，分别简称为：强力、弱力、电磁力和引力。能在宏观世界中表现出来的只有引力和电磁力两种（引力表现为重力，除引力外的所有力都属于电磁力）。强力和弱力都只作用在微观粒子身上。强力只在10A-15m范围内有显著作用，弱力的作用范围不超过10A-16m。电磁力和万有引力的作用范围都是无限远（但作用力会随着距离增加而大大减小）。四种力的强度比较如下：强力100,电磁力1,弱力10A-10,万有引力10A-38o相比而言，万有引力的强度非常弱，对于生活中的普通物体或微观粒子，它们之间的万有引力可以忽略不计；但在巨大的天体之间，万有引力几乎是唯一的作用力。人们把

15、构成物质的那些最小的微粒，叫基本粒子。事实上，没有绝对的基本粒子。到目前为止，人类发现的所谓基本粒子已达上百种。根据作用力的不同，基本粒子分为强子、轻子和传播子三大类。根据基本粒子的角动量（称为自旋）的不同，基本粒子又分为费米子和玻色子两类。自旋为半整数（？或-?以及它们的倍数）的粒子称为费米子，自旋为整数的粒子称为玻色子。费米子满足泡利不相容原理，即不能有两个及以上的费米子出现在相同的量子态中。费米子包括轻子、核子、超子等，以及由奇数个核子组成的原子核。玻色子不遵守泡利不相容原理，允许多个玻色子占有同一种状态。玻色子包括：胶子、光子、介子、w玻色子、z玻色子、希格斯玻色子，由偶数个核子组成的

16、原子核，以及假设中的引力子等。除了原子核以外，其余玻色子基本都属于传播子，它们在粒子之间起媒介作用，传递粒子的相互作用。强子就是所有参与强力作用的粒子的总称，包括夸克、介子、核子等，它们都是构成物质的基本粒子。轻子就是只参与弱力、电磁力和引力作用，而不参与强相互作用的粒子的总称。轻子共有六种，包括：电子、电子中微子、仙子（缪子）、小子中微子、子（陶子）、p子中微子。（如果再包括它们的反粒子，则共有12种）。它们有的带电，有的不带电。轻子并非都很轻，有的还很重。传播子有14种，包括：胶子（8种）、光子、W玻色子、W般色子、Z玻色子、希格斯玻色子各1种，以及引力子（处于假设中）。弱力主要在微观粒子

17、发生衰变时起作用，它会对费米子和某些玻色子起作用，尤其在粒子的B衰变中最明显。夸克是构成物质的基本单元之一，是唯一一种经受住四种基本作用力（强力、弱力、电磁力、万有引力）的粒子。夸克的空间尺度是微观粒子中最小的，大约小于10A-19mo夸克分为六类（称为六味），分别是上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克。其中，前两类属于第一代，中间两类属于第二代，最后两类属于第三代。第二、三代夸克都不稳定，易衰变为第一代。第一代夸克最稳定，所以核子都是由第一代夸克构成的。每一味夸克又分为三种（称为三色），这就有18种夸克。每种夸克又有一种对应的反夸克，所以夸克总数有36种。上、粲、顶三类夸克的电荷为

18、+2/3,下、奇、底三类夸克的电荷为-1/3。夸克的分数电荷，说明电荷基本单位也可再分。夸克可以通过弱相互作用，由一种味转变成另一种味。它们都倾向于变成同一代的另一味夸克。每个质子都是由两个上夸克和一个下夸克组成，每个中子都是由两个下夸克和一个上夸克组成。一个核子内的三个夸克，必须分别是三种色。核子中的夸克只能稳定存在于核子内，不能被分割出来，这叫夸克禁闭现象。胶子是负责在两个夸克之间传递强作用力的基本粒子，它把几个夸克捆绑在一起，使之形成质子、中子、介子或其他强子。胶子不但传递强相互作用，它还参与强相互作用。胶子共发现有8种。虽然胶子本身无质量，但由于强力场的能量十分巨大，使得胶子表现出来的

19、总质量很大，占核子质量的95%以上，远远大于三个夸克的总质量。在核子内部，夸克之间的作用力随着距离的增加而增大，随着距离的减小而减弱，这点与其他力不同。就好像胶子是橡皮筋或胶粘剂一样，把夸克们连接在一起，距离拉大时，拉力就大增；距离减小，拉力就弱，呈松弛状态。这叫夸克的渐进自由现象。一个夸克与一个反夸克能够构成介子。介子是比电子重的带电或不带电的粒子，可分为几种。介子属于强子，参与强相互作用。它们都不能稳定存在，经历一定平均寿命后即转变为别的基本粒子。核子之间的力叫核力。研究认为，某些介子是传递核子之间相互作用力的媒介，它们把质子、中子等聚集在原子核内。关于核力的很多问题，还处于研究中。已经发

20、现核力具有强力、短程力、电荷无关性、引力斥力平衡性、交换性和饱和性等特征。光子是传递电磁相互作用的媒介。假设中的引力子是传递万有引力的媒介各种基本粒子的质量差异很大，核子很重，某些轻子也较重，电子很轻，中微子非常轻，胶子和光子本身无质量。基本粒子中，质子、电子、中微子是很稳定的粒子，衰减速度极慢，其半衰期寿命远长于现在的宇宙年龄。基本粒子的产生和衰变过程也要遵循质能守恒定律，此外还有动量守恒、角动量守恒、电荷守恒以及其他微观守恒定律。附一：各种物体的尺度一览1、宇宙曲率半径约10A31m（约10A16光年，即亿亿光年）2、超星系团直径约几亿光年到几十亿光年不等。3、星系团直径约几百万光年4、星

21、系群（较小的星系团）直径约百万光年5、大星系直径约几千光年至几十万光年不等。6、银河系直径约十万多光年，是大星系之一。7、恒星系直径小的不到1光年，大的有几光年8、太阳系直径约1光年，是恒星系之一。9、恒星直径小的几十公里，大的超过10亿公里。10、太阳直径约139万公里，是恒星之一。11、木星直径约14万公里，是太阳系里最大的行星.12、地球直径约1.27万公里，是太阳系的行星之一13、北美巨杉高度达到100米以上，是全世界最高的树木品种。14、蓝鲸体长可达30m,是地球现存的最大动物品种。15、最小的寄生病毒直径不到30纳米，是地球上很小的生命体。16、人绝大多数成年人身高12米不等。17、细胞小的只有1微米，大的有0.1毫米，细胞是生物的基本组成单位。18、分子约0.1纳米至0.1毫米不等。19、原子直径约0.080