物质的微观结构-(1)

第二章现代自然科学的几个基本问题第一节第二节第三节第一节物质的微观结构一、探究物质结构之谜二、奇妙的微观世界三、物质结构的研究与高技术1.历史回顾2.近代物质结构研究的进展一、探究物质结构之谜（1）科学原子论的发展（2）现代原子结构的深入研究●关于世界本源中国：周代阴阳五行说；太极说印度：水、火、土、气构成世界的基本元素。古希腊：原子论●关于物质可分与不可分“一尺之棰，日取其半，万世不竭”均属思辩与猜测德谟克利特：物质是由不可分、不可入的永恒的原子构成；原子在无限的虚空中的各个方向上运动，其相互结合、分离以及排列的次序、位置和原子性质的多样性，构成了纷繁复杂的世界。●元素概念与化学的确立1661年波义尔提出科学的元素概念●原子-分子论1803年道尔顿原子论认为原子是最小的粒子1811年阿佛加德罗提出分子假说●化学元素周期律1869年门捷列夫发现周期律实现了原子论从思辩性的自然哲学向科学的转化“原子是最小的粒子”元素是某些不由人和其他物质所构成的、原始的、简单的物质，而且是化学方法不能再分解的实物。“原子是参加化学反应的最小粒子，分子是能独立存在的最小粒子。”发现了大量元素，同时揭示了物质世界的根本性规律，奠定了现代化学的基础。——元素周期律。元素周期表可以据此有计划、有目的的去探寻新元素；可以矫正以前测得的原子量；使人类在认识物质世界的思维方面有了新飞跃。●原子模型的演进１９０３，汤姆逊阴极射线实验，发现电子，打破原子不可再分，葡萄干面包模型。１９１１，卢瑟福粒子散射实验，确立原子核式结构模型，证实原子由电子和原子核组成。１９１３，玻尔原子壳层模型●１９３２年，质子和中子的发现对原子结构及基本粒子的深入研究现代电子云模型汤姆逊葡萄干蛋糕模型卢瑟福核式模型玻尔壳层模型原子构成示意图1.微观粒子的基本性质2.基本粒子的相互作用3.基本粒子的分类4.强子的内部结构5.微观世界的基本规律二、奇妙的微观世界光子的质量为零。每种粒子都具有一定的质量。粒子在衰变前的平均存在时间。电子、质子、中微子等稳定，其他都会或长或短衰变成其他粒子。除不带电的中性粒子外。质子电荷的整数倍。每个粒子都有自旋运动。用粒子半径表示。原子为１０－１０ｍ，质子半径为１０－１５ｍ。粒子都是配对的。如电子和正电子，质量自旋相等，而电荷和磁矩相反。质量：寿命：电荷：自旋：大小：粒子与反粒子：1.微观粒子的基本性质2.基本粒子的相互作用相互作用类型强相互作用电磁相互作用弱相互作用引力相互作用相对强度110-210-1310-38作用范围（m）10-15无限远10-17无限远传播子胶子光子中间玻色子W+，W-，Z0引力子（尚未找到）1.强子：直接参与强相互作用的粒子称为强子。分介子和重子两类。介子是自旋量子数为零或正整数的强子；重子是自旋量子数为零或半整数的强子。强子中只有质子和反质子是稳定粒子，其余在自由状态下都要衰变。少数通过电磁相互作用衰变，有些通过弱相互作用衰变，绝大多数通过强相互作用衰变的。中子在自由状态是不稳定的，但是在原子核内它却能稳定地存在着。3、基本粒子的分类3.传播子：传递相互作用的媒介粒子。电磁力传播子是光子；弱力传播子是中间玻色子W、W和Z0；强力传播子是胶子，粒子参与强相互作用时胶子确实存在并起作用。迄今还没发现自由状态下的胶子和引力子。2.轻子：不参与强相互作用、自旋量子数都是半整数的粒子。3种带电轻子：电子e、子和子；3种中性轻子：电子中微子e、子中微子和子中微子，静质量可能都是零。以上6种轻子连同它们的反粒子，共计12种轻子。基本粒子的分类1.强子：2.轻子：3.传播子：重子：介子质子中子电子电子中微子μ子、μ子中微子τ子、τ子中微子胶子（传递强力）光子（传递电磁力）中间玻色子（传递弱力）4、强子内部的结构（夸克模型quarkmodel）(1)强子是由夸克和胶子组成的复合粒子。夸克分成6种，即上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底(美)夸克和顶(真)夸克。(2)夸克间存在非常强的吸引力，称为“色”力。每种夸克都有3色，即“红”、“蓝”和“绿”。强子是“无色”的,所以每个强子由3种“颜色”的夸克等量组成。(3)夸克间的相互作用通过交换胶子来实现；胶子共有8种。夸克所参与的强相互作用的行为和强弱是由夸克所带电荷的大小决定的。(4)在强子中，重子由3个夸克组成，介子由1个夸克和1个反夸克组成。强子内部除了夸克和反夸克还存在胶子。胶子可转化为夸克和反夸克，夸克和反夸克又可湮没为胶子。(5)“夸克禁闭”：夸克间的色作用当距离减小时，作用很弱，是近乎自由的，而当距离增大时，作用增强，因此要想把夸克拉开到分成单个夸克，能量大到足以产生新的夸克，结果拉出的不是自由夸克，而是强子。因此，强子是有内部结构的复合粒子的说法是正确的。5.微观世界的基本规律空间平移对称——动量守恒空间旋转对称——角动量守恒空间镜像对称——宇称守恒时间平移对称——能量守恒电磁规范对称——电荷守恒●在微观世界里，粒子的产生和消亡都是非常普遍也是时时处处都在发生的。如：电子遇上正电子，同时消亡转化为光子；而高能光子在原子核的库仑场中又可以转化为一对电子和正电子。当质子遇上反质子，同时消亡转化为介子等。●对称与守恒定律守恒定律具有普遍意义的根源在于时间、空间等物质存在形式的各向同性性及均匀性，对称性只是其中的一部分。三、物质结构的研究与高技术1.物质结构的研究和其他学科2.物质结构的研究和高技术3.物质结构研究所面临的挑战粒子物理学宇宙学核物理学原子物理宇宙线物理●研究物质结构的得力工具●物质结构研究的技术与辐射技术的应用高能粒子加速器：根据质能方程，要获得大质量粒子，就需要有相应的很高的能量。粒子束流的能量越高，越有利于了解更深层的物质内部。使带电粒子在电场中获得能量而加速，同时用磁场来决定其运动方向。对撞机：同时产生两种粒子，使其加速并沿反方向运动，在特定位置上相撞，以获得较高的有效能。按加速粒子的名称，分为正-负电子对撞机，质子-反质子对撞机，质子-质子对撞机和电子-质子对撞机。粒子探测器：对撞机产生的新粒子用粒子探测器观测。由粒子的速度及能量等得到粒子的质量，或根据不同粒子与物质相互作用的特性来确定粒子的类别是探测器的真正意义所在。北京正负电子对撞机（ＢＥＰＣ），高能加速器的一种，是研究核物理、高能物理、认识微观世界的一个重要手段。BEPC象一支硕大的羽毛球拍，由北向南而卧。球拍的“把”—注入器是一台长202m的行波正负电子直线加速器。球拍的“框”—储存环。图为储存环。储存环是一台跑道型的环形加速器，中心轨道周长240.4米。世界上第一台对撞机意大利1962AdA1999美国重离子对撞机在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机LHC隧道27公里。国际直线对撞机（ILC）构想，隧道40公里。辐射技术的应用1.同步辐射技术:2.核辐射技术：在加速器中，电子在储存环中作曲线运动时沿切线方向向前发出的电磁波。是一门以原子核物理学和核化学为基础，以反应堆、加速器和核辐射探测技术为工具的综合性强、应用面广的现代科学技术。核分析技术核成像技术放射性药物辐照加工技术核辐射检测技术核能技术随着人们认识到物质最小构成单元不再是分子、原子，而是轻子和夸克，人们不禁要问，轻子和夸克能否还可分？物质最小构成单元是什么？有没有真正的基本粒子？关于夸克，六种夸克，加上他们的反粒子。而每种夸克又都有三“色”，这样总共有36种夸克，甚至有人认为更多，为什么这么多？夸克真的存在吗？夸克的内部结构又是怎样的？3.物质结构研究所面临的挑战