1.1.1 物质微观结构的发现
在古代，人们通常认为物质是由基本元素构成的，如东方认为物质是由金、木、水、火、土构成的，古希腊认为物质是由土、气、水、火构成的。古希腊唯物主义哲学家德谟克利特在继承其导师留基伯原子论的基础之上认为，物质是由原子和虚空所构成的。他认为原子是一种最后不可分割的物质微粒，原子之间并不完全一样。这也奠定了古代原子论的基础。德谟克利特所提出的原子论是基于经验的，是一种哲学思辨而非科学实验。
现代原子论的奠基人是道尔顿。道尔顿在1803年基于当时已有的物理实验，再次提出物质世界的最小单位是原子，认为原子是单一的、独立的、不可被分割的，在化学变化中保持稳定状态的最小单位。道尔顿随后所著的《化学哲学新体系》全面阐述了原子论，根据原子论解释了当时已知的物理现象，同时对氧、氢、氮、碳、硫、磷以及许多金属元素的性质进行了分析，并首先测定了一些元素的基本信息。道尔顿的重要发现使得原子论从哲学领域进入科学领域，他的发现代表了科学原子论的形成。
在原子论提出后，威廉·普罗特主张原子是由单位粒子组成的，其单位就是氢原子。但是氯元素的原子量被测得为氢原子量的35.5倍，该理论对此无法予以解释，所以被放弃。自此以后，许多原子微观模型陆续出现。1871年，德国物理学家威廉·韦伯提出原子是由一个带正电的亚原子粒子与一个带负电的核心物质所组成的，质量非常微小的亚原子微粒围绕质量非常大的核心物质进行圆周运动。1874年，爱尔兰物理学家乔治·斯托尼通过研究电解现象得出了电量是离散的这一结论，这意味着自然界存在着基本电荷，其基本电量为氢原子所带电量，与电解物质的种类无关。于是他在1891年提议，将基本电荷命名为电子。19世纪，多位物理学者开展的阴极射线的实验为电子的发现奠定了基础，其中包括麦克尔·法拉第、卢木考夫·海因里希、盖斯勒·海因里希、尤利乌斯·普吕克、欧根·戈尔德斯坦等。1897年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的约瑟夫·汤姆孙重做了1883年赫兹的实验，发现阴极射线会在电场中偏转，从而计算了电子的电荷-质量比。由于这个数值与阴极的物质及阴极射线管内气体无关，因此汤姆孙推断阴极射线的粒子源是阴极附近被强电场分解的气体原子。他从测定的数值推断，这种粒子质量很小，电荷很大，其质量与电解单位电荷相同，为氢原子的千分之一，汤姆孙称之为“微粒”。不久之后，乔治·费斯杰罗对此结论表示不同意，他认为阴极射线粒子就是自由电子。汤姆孙团队还发现光电效应、热离子发射等物理现象中涉及的粒子都是电子，他被公认为是电子的发现者，电子是人类发现的第一种基本粒子。
1896年2月26日和27日，法国物理学家亨利·贝可勒尔本打算用包好的铀和感光底片进行实验，以证明铀能发出荧光，却意外发现铀矿石可以使照相底片在黑暗环境中曝光（图1.1）。这是人类第一次发现放射性现象。
当时，贝可勒尔的研究生玛丽·居里利用其丈夫皮埃尔·居里的验电器，证明了铀矿石所发出的射线可以使样品周围的空气导电。这向人们第一次揭露了电离辐射的性质。她还成功地分离出了钋和镭两种元素，向人们揭示了放射性核素的真相。为此她获得了1903年的诺贝尔物理学奖和1911年的诺贝尔化学奖。1899年，欧内斯特·卢瑟福通过让铀矿石发射出的射线在磁场中偏折，发现贝可勒尔实验中实际上发出了两种射线，他将带正电的射线命名为α射线，组成它的是α粒子，将带负电的射线命名为β射线，并于1900年证明β射线与汤姆孙计算得到的电子的电荷-质量比相同，两者为同一种粒子。1903年，他发现还有另外一种射线不带电荷，将它命名为γ射线。1914年，卢瑟福通过观察伽马射线在晶体表面的反射发现它是一种电磁波，也就是一种波长极短的光。
随着电子的发现，人们发现原子是可分的，电子是原子的组成部分，因此提出了第一种原子模型——汤姆孙模型，或被称为葡萄干布丁模型。该模型认为原子中电子悬浮于均匀分布的正电荷物质内，如同葡萄干散布于布丁中一般（图1.2）。
图1.1 贝可勒尔发现放射性的底片
图1.2 原子的汤姆孙模型(https://www.daowen.com)
1909年，卢瑟福实验室的汉斯·盖革和欧内斯特·马斯登将α射线照射在几个原子厚度的薄铂金箔上，发现绝大部分α射线通过铂金箔时路径都没有发生改变，而少数射线发生了很大角度的方向改变。1911年，欧内斯特·卢瑟福发表了卢瑟福模型，认为原子的大多数质量都集中于一个很小的区域，这个区域带有正电荷被称为原子核，原子核周围是围绕原子核运动的电子。1913年，正在英国曼彻斯特大学工作的尼尔斯·玻尔，在卢瑟福工作的基础上提出了玻尔原子模型（图1.3），他认为在氢原子中电子围绕着原子核进行圆周运动，轨道中运动的电子的角动量大小是离散的。这些离散的值被称为电子的轨道，电子在不同的离散值之间变化称为轨道跃迁。玻尔原子模型在理论上并不完善，在马克斯·普朗克引入量子的概念及埃尔温·薛定谔、维尔纳·海森堡等科学家提出量子力学以后，原子模型才日趋完善。但是，玻尔原子模型中很多术语由于具有直观性且和实验结果有良好的吻合，依旧得到了广泛的使用。
图1.3 玻尔原子模型
人类对微观世界的认知并没有止步于对原子的发现。长期以来，人们发现氢原子似乎能作为其他原子的组成部分。早在1815年，威廉·普鲁特就提出所有原子均由氢原子组成。1886年，欧根·戈尔德斯坦发现了运河射线，也就是阳极射线，并且证明这种射线带正电荷且具有与阴极射线不同的电荷-质量比，根据产生它们的气体的不同，电荷-质量比也不同。汤姆孙在发现电子以后，并没有用单个粒子来识别它们，但是1898年，威廉·维恩注意到氢离子是离子化气体中电荷-质量比最高的粒子。在1911年卢瑟福发现原子核后，安东尼·范登布洛克提出元素周期表中每个元素的位置对应于其原子核的电荷数，也就是核电荷数。亨利·莫斯利在1913年使用X射线光谱通过实验证实了这一点。1917年，卢瑟福证明氢原子核存在于其他原子核中，并于1919年和1925年报告了自己的发现。受到普鲁特的影响，也为了区别于作为氢元素的中性氢原子，卢瑟福给作为基本粒子的带一个基本电荷单位正电的氢原子核重新命名，称其为质子。
1920年前后，英国格拉斯哥大学的放射化学家弗雷德里克·索迪研究了到1910年为止科学家发现的介于铀和铅之间的四十几种放射性元素，但是根据元素周期表，这两个元素间只有11种元素，于是索迪将化学性质相同的元素归为一类，称为同位素。他因此获得了1921年的诺贝尔化学奖。不仅如此，1901年索迪和卢瑟福还发现放射性钍可以自发转变为镭，这是人类第一次发现一种原子可以自发转变为另一种原子，现在这一过程一般叫作原子核的衰变。随后，1919年卢瑟福用放射性衰变产生的α粒子轰击氮气，首次通过人工原子核反应制得氧-17。
虽然人们已经观察到了原子核的反应，但是此时科学界普遍认为原子核是由质子和电子组成的，β射线就是原子核放出的电子，这就是核内电子假说。1920年，卢瑟福预言了质量与质子质量相同的中性粒子，并于1921年和威廉·哈金斯分别独立地将这种粒子命名为中子。卢瑟福与威廉·哈金斯从1921年起就在寻找这种中性粒子，但是随着实验的深入反而得到了越来越多不符合核内电子假说的实验结果。同时，随着量子力学的发展，人们也发现核内电子假说并不能很好地被量子力学所解释。1931年，伽莫夫汇总了前人的研究成果，系统地对核内电子假说提出了质疑。1930年，瓦尔特·博特和赫伯特·贝克尔在德国吉森发现轻元素如铍、硼、锂受到钋源的高能α射线照射会产生具有异常穿透力的射线。他们同时观测到所产生的射线与α射线不同，并不会受到电场的影响，当时推测其可能是γ射线，但是这种射线的一些实验细节与γ射线并不相同，其穿透能力甚至比γ射线更强。1932年，约雷纳·居里与弗里德里克·居里在巴黎发现石蜡等富含氢化合物的物质受到这种未知射线辐照会释放出能量非常高的质子。当时在罗马的青年物理学家埃托雷·马约拉纳认为与质子发生作用的射线应该是一种全新的中性粒子。在听说了巴黎实验结果后，卡文迪许实验室的卢瑟福和查德威克都不认为这种射线会是γ射线。在诺曼·费色的帮助下，查德威克通过实验证明了这种射线并不是γ射线，而是由与质子质量差不多的中性粒子构成的，这种粒子就是中子。查德威克因为发现中子而获得1935年诺贝尔物理学奖。至此，人们确定了原子核是由质子和中子所组成的。
1934年，恩里科·费米和他的同事在研究中子撞击原子序数为92的铀原子时，认为其产生了93个质子及94个质子的元素，但是其他科学家在重复他们的实验时，却得到了不同的结果。德国物理学家奥托·哈恩和弗里德里希·斯特拉斯曼在1938年12月的论文中说明他们用中子撞击铀发现了钡元素，哈恩因为发现了重原子核的核裂变而获得1944年的诺贝尔化学奖。
随着量子力学的发展，1927年12月，英国物理学家保罗·狄拉克提出了电子的相对论方程，即狄拉克方程。但是，他发现等式中除了一般的电子以外，还有能量为负的负能级电子，而且负能级无穷多。为了解释这种现象，狄拉克提出真空是充满负能量电子的海，称为“狄拉克之海”。沿着这个想法，他预言了电荷为正、质量与电子相同的粒子，也就是正电子。1932年，美国物理学家卡尔·安德森在实验中证实了正电子的存在。狄拉克本人在他1933年获得诺贝尔物理学奖的演讲中，预言了反质子和其他反物质的存在。
与此同时，理论物理学也在飞速发展。1930年，通过对β衰变中电子能量分布的研究，英国物理学家沃尔夫冈·泡利预言了一种不带电的小质量粒子的存在。1934年，费米将其命名为中微子。1934年，日本物理学家汤川秀树预测了介子的存在及其近似质量。与此同时，实验物理学也有不少收获。1936年，美国物理学家卡尔·安德森在宇宙射线中发现带正电荷或负电荷的粒子，并将其命名为μ介子，但是他很快发现该粒子并不参与强相互作用，而将其改名为μ子。1947年，塞西尔·鲍威尔、塞萨尔·拉特斯和朱塞佩·奥基亚利尼合作在英国布里斯托尔大学发现了第一个真正的介子，即带电的π介子。同年，为了研究微观物质世界的构成，人们制造了用强电场加速带电粒子的装置，称其为加速器。1928年，德国亚琛工业大学建造了第一台直线加速器。1931年，美国加州大学伯克利分校利用带电粒子会在磁场中回旋的特性，建造了第一台回旋加速器，通过这些加速器让高速粒子互相碰撞来研究基本粒子间的相互作用及它们的组成，乃至制造新的粒子。1948年，拉特斯和尤金·加德纳利用美国加州大学伯克利分校的粒子加速器，用α粒子轰击碳原子并成功制造了π介子。从此，粒子的发现进入了快车道，一种又一种的新粒子在宇宙射线和加速器的粒子流中被发现，但人们不知道这些新发现的粒子中哪些是基本粒子，哪些是由其他粒子所组成的，时代呼唤着理论物理学的进步。1954年，杨振宁和罗伯特·米尔斯划时代地提出了杨-米尔斯理论。基于这套理论，1961年，希尔登·格拉肖将弱相互作用和电磁力统一起来。随后在1964年，盖尔曼和乔治·茨威格提出了夸克模型。1973年到1974年，物理学家终于在夸克模型中将强相互作用与弱相互作用相统一，形成了现在的被普遍接受的粒子物理标准模型。