1.1.1　物质的概念

物质是构成客观世界一切物体的材料，具有一定的结构和质量。物质的宏观形态根据构成物质微观粒子（如分子等）之间的距离，可以分为固体（如金属等）、液体（如水等）和气体（如氧气和氢气等），如图1-1（a）所示，产生物质不同宏观形态的主要条件是所处的温度。温度越高，微观粒子之间的相对平均距离则越大，但不同的物质所对应的相变（从一种状态（如固体）到另一种状态（如液体）的变化）的温度不同。根据经典物理学，物体的质量是物体中所含物质多少的衡量，基本度量为“克”。根据牛顿的力学理论，一个物体的质量可以通过其受力和加速度之间的关系定义和测量。在同样加速度条件下，所需要的力越大，物体所包含的物质质量就越大。用此种方法定义的质量称为惯性质量。在经典物理学中，物质的质量在相对静止的条件下是一个相对稳定的常数，比如在物质转化（如化学反应）过程中，物质的总质量保持守恒（不变）。

物质的微观结构按从高到低层次是由分子、原子、电子以及原子核等构成的[图1-1（b）]。分子作为构成物质最高层次的粒子，一般呈电中性，是使物质保持其化学性质而单独存在的最小单元。原子在化学反应（分子结构发生变化）过程中保持不变（不可再分），是保持物质（分子）化学性质的最小微观粒子。分子是由多个原子通过化学键（如共用电子的共价键等）连接一起而形成的。它可以由相同的化学元素构成，如由两个氧原子组成的氧气分子；也可以由不同的元素构成，如由两个氢原子和一个氧原子构成的水分子。目前人类所发现的3000多万种分子均是由自然界中100多种元素的原子以不同的结合方式和空间结构组成的。原子则由原子核和围绕在它周围的电子构成。原子核还可以再分为更小的带正电的质子和不带电的中子。而中子和质子又可能是由更基本的粒子夸克组成的。分子和原子的尺寸为10－10~10－8米（m），而原子核的尺寸在10－14m以下。人类对物质的认识从古希腊的原子论的猜想到近代的量子力学的发现和实验，再到现代物理学的各种大胆假说与模型，经历了由浅到深、由分立到统一的过程。这种将物质复杂的宏观现象划分为简单的微观机制的分析方法是物理学最基本也是最成功的科学方法，称为“还原法”（reductionist method）(1)。

图1-1　物质的宏观和微观结构

对于信息科学与技术来说，最重要的物质是固体材料中普遍存在的电子（electron）。电子是英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson，1856—1940）于1897年在剑桥大学卡文迪什实验室发现的，是组成原子的基本粒子之一。电子具有一定的质量和电荷，其静止质量为9.109 383 56×10－31千克（kg），所携带的电荷为负，电量为1.6×10－19库仑（C）。在电场的作用下，电子可以在真空或物质材料中运动，形成电流。电子作为一种微观的基本粒子，本身所具有的物质质量和携带电量均是极其微小的，但大量电子所形成的电流却是可以观测的宏观现象，如暴雨天气中观察到的闪电和实验室中测量的电流等。数据在许多情况下都表现为电子的宏观状态如电流、电压等，或微观状态如速度、能级、自旋等。关于电子在不同材料中和条件下运动的规律和特性，读者可以在相关教材和参考书中学习和了解。正是电子在不同固体材料（如半导体与金属）中由于电磁场或其他物理作用下产生的不同运动方式与特性，使它成为数据传感、显示、存储和计算的载体。