物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)(1)

1、第二章現(xiàn)代自然科學(xué)的幾個(gè)基本問(wèn)題第一節(jié)第一節(jié)第二節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第三節(jié)（1）科學(xué)原子論的發(fā)展（2）現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)的深入研究德謨克利特：物質(zhì)是由不可分、不可入的永恒的原子構(gòu)成；原子在無(wú)限的虛空中的各個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)，其相互結(jié)合、分離以及排列的次序、位置和原子性質(zhì)的多樣性，構(gòu)成了紛繁復(fù)雜的世界。元素概念與化學(xué)的確立 1661年波義爾提出科學(xué)的元素概念原子-分子論 1803年道爾頓原子論認(rèn)為原子是最小的粒子 1811年阿佛加德羅提出分子假說(shuō) 化學(xué)元素周期律 1869年門捷列夫發(fā)現(xiàn)周期律 實(shí)現(xiàn)了原子論從思辯性的自然哲學(xué)向科學(xué)的轉(zhuǎn)化 “原子是最小的粒子”元素是某些不由人和其他物質(zhì)所構(gòu)成的、原始的、簡(jiǎn)單的物質(zhì)，而

2、且是化學(xué)方法不能再分解的實(shí)物。“原子是參加化學(xué)反應(yīng)的最小粒子，分子是能獨(dú)立存在的最小粒子?！卑l(fā)現(xiàn)了大量元素，同時(shí)揭示了物質(zhì)世界的根本性規(guī)律，奠定了現(xiàn)代化學(xué)的基礎(chǔ)。元素周期律。 元素周期表元素周期表可以據(jù)此有計(jì)劃、有目的的去探尋新元素；可以矯正以前測(cè)得的原子量 ；使人類在認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的思維方面有了新飛躍。 原子模型的演進(jìn)原子模型的演進(jìn) ，湯姆遜陰極射線實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電子，打破原子不可再分，葡萄干面包模型。 ，盧瑟福粒子散射實(shí)驗(yàn)，確立原子核式結(jié)構(gòu)模型，證實(shí)原子由電子和原子核組成。 ，玻爾原子殼層模型 年，質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn)年，質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn) 對(duì)原子結(jié)構(gòu)及基本粒子的深入研究現(xiàn)代電子云模型湯姆遜葡萄干蛋糕

3、模型盧瑟福 核式模型玻爾 殼層模型原子構(gòu)成示意圖光子的質(zhì)量為零。每種粒子都具有一定的質(zhì)量。粒子在衰變前的平均存在時(shí)間。電子、質(zhì)子、中微子等穩(wěn)定，其他都會(huì)或長(zhǎng)或短衰變成其他粒子。除不帶電的中性粒子外。質(zhì)子電荷的整數(shù)倍。每個(gè)粒子都有自旋運(yùn)動(dòng)。用粒子半徑表示。原子為，質(zhì)子半徑為。粒子都是配對(duì)的。如電子和正電子，質(zhì)量自旋相等，而電荷和磁矩相反。質(zhì)量質(zhì)量：壽命壽命：電荷電荷：自旋自旋：大小大?。毫Ｗ优c粒子與反粒子反粒子： 1. 強(qiáng)子：直接參與強(qiáng)相互作用的粒子稱為強(qiáng)子強(qiáng)子：直接參與強(qiáng)相互作用的粒子稱為強(qiáng)子。分。分介子和重子介子和重子兩類。介子是自旋量子數(shù)為零或正整數(shù)的兩類。介子是自旋量子數(shù)為零或正整數(shù)的強(qiáng)

4、子；重子是自旋量子數(shù)為零或半整數(shù)的強(qiáng)子。強(qiáng)子；重子是自旋量子數(shù)為零或半整數(shù)的強(qiáng)子。 強(qiáng)子中強(qiáng)子中只有質(zhì)子和反質(zhì)子是穩(wěn)定粒子只有質(zhì)子和反質(zhì)子是穩(wěn)定粒子，其余在自，其余在自由狀態(tài)下都要衰變。少數(shù)通過(guò)電磁相互作用衰變，由狀態(tài)下都要衰變。少數(shù)通過(guò)電磁相互作用衰變，有些通過(guò)弱相互作用衰變，絕大多數(shù)通過(guò)強(qiáng)相互作有些通過(guò)弱相互作用衰變，絕大多數(shù)通過(guò)強(qiáng)相互作用衰變的。用衰變的。中子在自由狀態(tài)是不穩(wěn)定的，但是在原中子在自由狀態(tài)是不穩(wěn)定的，但是在原子核內(nèi)它卻能穩(wěn)定地存在著。子核內(nèi)它卻能穩(wěn)定地存在著。 3 3、基本粒子的分類、基本粒子的分類 3. 傳播子：傳播子：傳遞相互作用的媒介粒子。傳遞相互作用的媒介粒子。 電

5、磁力傳播子是光子電磁力傳播子是光子 ；弱力傳播子是中間玻色；弱力傳播子是中間玻色子子W W 、W W 和和Z Z0 0；強(qiáng)力傳播子是膠子，粒子參與強(qiáng)相互強(qiáng)力傳播子是膠子，粒子參與強(qiáng)相互作用時(shí)膠子確實(shí)存在并起作用。迄今還沒(méi)發(fā)現(xiàn)自由作用時(shí)膠子確實(shí)存在并起作用。迄今還沒(méi)發(fā)現(xiàn)自由狀態(tài)下的膠子和引力子。狀態(tài)下的膠子和引力子。 2. 輕子：輕子：不參與強(qiáng)相互作用、自旋量子數(shù)都是半不參與強(qiáng)相互作用、自旋量子數(shù)都是半整數(shù)的粒子。整數(shù)的粒子。 3種帶電輕子：種帶電輕子：電子電子e、 子和子和 子；子；3種中性輕子：種中性輕子：電子中微子電子中微子 e 、 子子中微子中微子 和和 子子中中微子微子 ，靜質(zhì)量可能都

6、是零。以上，靜質(zhì)量可能都是零。以上6種輕子連同種輕子連同它它們的反粒子們的反粒子，共計(jì)，共計(jì)12種輕子。種輕子。 基基 本本 粒粒 子子 的的 分分 類類1.強(qiáng)子：強(qiáng)子：2.輕子：輕子：3.傳播子：傳播子：重子：重子：介子介子質(zhì)子質(zhì)子中子中子電子電子 電子中微子電子中微子子、子、子中微子子中微子 子、子、子中微子子中微子 膠子膠子 （傳遞強(qiáng)力）（傳遞強(qiáng)力） 光子光子 （傳遞電磁力）（傳遞電磁力） 中間玻色子中間玻色子 （傳遞弱力）（傳遞弱力） 4 4、強(qiáng)子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)（夸克模型、強(qiáng)子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)（夸克模型quark modelquark model） (1) 強(qiáng)子是由夸克和膠子組成的復(fù)合粒子?？淇?/p>

7、分強(qiáng)子是由夸克和膠子組成的復(fù)合粒子?？淇朔殖沙?種，即上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底種，即上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底(美美)夸克和頂夸克和頂(真真)夸克?？淇?。 (2) 夸克間存在非常強(qiáng)的吸引力，稱為夸克間存在非常強(qiáng)的吸引力，稱為“色色”力。每力。每種夸克都有種夸克都有3色，即色，即“紅紅”、“藍(lán)藍(lán)”和和“綠綠”。強(qiáng)子是。強(qiáng)子是“無(wú)色無(wú)色”的的,所以每個(gè)強(qiáng)子由所以每個(gè)強(qiáng)子由3種種“顏色顏色”的夸克等量組的夸克等量組成。成。 (3) 夸克間的相互作用通過(guò)夸克間的相互作用通過(guò)交換膠子交換膠子來(lái)實(shí)現(xiàn)；膠子來(lái)實(shí)現(xiàn)；膠子共有共有8種?？淇怂鶇⑴c的強(qiáng)相互作用的行為和強(qiáng)弱是由種?？淇怂鶇⑴c的

8、強(qiáng)相互作用的行為和強(qiáng)弱是由夸克所帶電荷的大小決定的?？淇怂鶐щ姾傻拇笮Q定的。 (4) 在強(qiáng)子中，重子由在強(qiáng)子中，重子由3個(gè)夸克組成，介子由個(gè)夸克組成，介子由1個(gè)夸個(gè)夸克和克和1個(gè)反夸克組成。強(qiáng)子內(nèi)部除了夸克和反夸克還個(gè)反夸克組成。強(qiáng)子內(nèi)部除了夸克和反夸克還存在膠子。膠子可轉(zhuǎn)化為夸克和反夸克，夸克和反夸存在膠子。膠子可轉(zhuǎn)化為夸克和反夸克，夸克和反夸克又可湮沒(méi)為膠子。克又可湮沒(méi)為膠子。 (5) “夸克禁閉夸克禁閉”：夸克間的色作用當(dāng)距離減小時(shí)，：夸克間的色作用當(dāng)距離減小時(shí)，作用很弱，是近乎自由的，而當(dāng)距離增大時(shí)，作用增作用很弱，是近乎自由的，而當(dāng)距離增大時(shí)，作用增強(qiáng)，因此要想把夸克拉開(kāi)到分成單個(gè)

9、夸克，能量大到強(qiáng)，因此要想把夸克拉開(kāi)到分成單個(gè)夸克，能量大到足以產(chǎn)生新的夸克，結(jié)果拉出的不是自由夸克，而是足以產(chǎn)生新的夸克，結(jié)果拉出的不是自由夸克，而是強(qiáng)子。因此，強(qiáng)子是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)合粒子的說(shuō)法是強(qiáng)子。因此，強(qiáng)子是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)合粒子的說(shuō)法是正確的。正確的。空間平移對(duì)稱動(dòng)量守恒 空間旋轉(zhuǎn)對(duì)稱角動(dòng)量守恒空間鏡像對(duì)稱宇稱守恒時(shí)間平移對(duì)稱能量守恒電磁規(guī)范對(duì)稱電荷守恒在微觀世界里，粒子的產(chǎn)生和消亡都是非常普遍也是時(shí)時(shí)處處都在發(fā)生的。如：電子遇上正電子，同時(shí)消亡轉(zhuǎn)化為光子；而高能光子在原子核的庫(kù)侖場(chǎng)中又可以轉(zhuǎn)化為一對(duì)電子和正電子。當(dāng)質(zhì)子遇上反質(zhì)子，同時(shí)消亡轉(zhuǎn)化為介子等。對(duì)稱與守恒定律守恒定律具有普遍意

10、義的根源在于時(shí)間、空間等物質(zhì)存在形式的各向同性性及均勻性，對(duì)稱性只是其中的一部分。1.物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究和其他學(xué)科2.物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究和高技術(shù)3.物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所面臨的挑戰(zhàn)粒子物理學(xué)粒子物理學(xué)宇宙學(xué)宇宙學(xué)核物理學(xué)核物理學(xué)原子物理原子物理宇宙線物理宇宙線物理研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的得力工具物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的技術(shù)與輻射技術(shù)的應(yīng)用北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（），高能加速北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（），高能加速器的一種，是研究核物理、高能物理、認(rèn)識(shí)微器的一種，是研究核物理、高能物理、認(rèn)識(shí)微觀世界的一個(gè)重要手段。觀世界的一個(gè)重要手段。BEPC BEPC 象一支碩大的羽象一支碩大的羽毛球拍，由北向南而臥。球拍的毛球拍，由北向南而臥。球拍的“把

11、把” 注入注入器是一臺(tái)長(zhǎng)器是一臺(tái)長(zhǎng)202m 202m 的行波正負(fù)電子直線加速器。的行波正負(fù)電子直線加速器。球拍的球拍的“框框” 儲(chǔ)存環(huán)。圖為儲(chǔ)存環(huán)。儲(chǔ)存環(huán)儲(chǔ)存環(huán)。圖為儲(chǔ)存環(huán)。儲(chǔ)存環(huán)是一臺(tái)跑道型的環(huán)形加速器，中心軌道周長(zhǎng)是一臺(tái)跑道型的環(huán)形加速器，中心軌道周長(zhǎng)240.4240.4米。米。世界上第一臺(tái)對(duì)撞機(jī)意大利1962AdA1999美國(guó)重離子對(duì)撞機(jī)在歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC隧道27公里。國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)（ILC）構(gòu)想，隧道40公里。輻射技術(shù)的應(yīng)用1.1.同步輻射技術(shù)同步輻射技術(shù): :2.核輻射技術(shù)：核輻射技術(shù)：在加速器中，電子在儲(chǔ)存環(huán)中作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)沿切線方向在加速器中，電子在儲(chǔ)存環(huán)中作

12、曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)沿切線方向向前發(fā)出的電磁波。向前發(fā)出的電磁波。是一門以原子核物理學(xué)和核化學(xué)為基礎(chǔ)，以反應(yīng)堆、加是一門以原子核物理學(xué)和核化學(xué)為基礎(chǔ)，以反應(yīng)堆、加速器和核輻射探測(cè)技術(shù)為工具的綜合性強(qiáng)、應(yīng)用面廣的速器和核輻射探測(cè)技術(shù)為工具的綜合性強(qiáng)、應(yīng)用面廣的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)。核分析技術(shù)核分析技術(shù)核成像技術(shù)核成像技術(shù)放射性藥物放射性藥物輻照加工技術(shù)輻照加工技術(shù)核輻射檢測(cè)技術(shù)核輻射檢測(cè)技術(shù)核能技術(shù)核能技術(shù) 隨著人們認(rèn)識(shí)到物質(zhì)最小構(gòu)成單隨著人們認(rèn)識(shí)到物質(zhì)最小構(gòu)成單元不再是分子、原子，而是輕子和夸克，元不再是分子、原子，而是輕子和夸克，人們不禁要問(wèn)，輕子和夸克能否還可分？人們不禁要問(wèn)，輕子和夸克能否還可分？物質(zhì)最小構(gòu)成單元是什么？有沒(méi)有真正物質(zhì)最小構(gòu)成單元是什么