近代物理學(xué)-第二課-物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)復(fù)習(xí)進(jìn)程

1、近代物理學(xué)-第二課-物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次按其基元存在的空間尺度來(lái)分可分為物質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次按其基元存在的空間尺度來(lái)分可分為： 宇觀宇觀 宏觀宏觀 微觀微觀1.物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)層次物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)層次物理學(xué)研究對(duì)象物理學(xué)研究對(duì)象物物質(zhì)質(zhì)機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)的的微微觀觀層層次次第一層次：分子第一層次：分子物質(zhì)保持其化學(xué)性質(zhì)的基本單元，物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)主物質(zhì)保持其化學(xué)性質(zhì)的基本單元，物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)主要由分子結(jié)構(gòu)決定，分子由若干個(gè)原子通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合而成。要由分子結(jié)構(gòu)決定，分子由若干個(gè)原子通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合而成。第二層次：原子第二層次：原子化學(xué)元素的最小單元，采用化學(xué)方法不可分割?；瘜W(xué)元素的最小單元，

2、采用化學(xué)方法不可分割。第三層次：原子核第三層次：原子核質(zhì)子和中子質(zhì)子和中子第四層次：強(qiáng)子第四層次：強(qiáng)子強(qiáng)相互作用離子的統(tǒng)稱，各種介子和重子。強(qiáng)子由夸克組成強(qiáng)相互作用離子的統(tǒng)稱，各種介子和重子。強(qiáng)子由夸克組成更深層次：夸克和輕子更深層次：夸克和輕子夸克和輕子都是費(fèi)米子，前者參與強(qiáng)相互作用，后者不參與。夸克和輕子都是費(fèi)米子，前者參與強(qiáng)相互作用，后者不參與。1.物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)層次物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)層次宏宏觀觀原子團(tuán)簇原子團(tuán)簇 0.1nm-1nm納米微粒納米微粒 1nm-100nm介觀系統(tǒng)介觀系統(tǒng) 10-6m-10-7m1.物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)層次物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)層次物質(zhì)宏觀和微觀兩個(gè)大層次之間并不是界限分明的。

3、物質(zhì)宏觀和微觀兩個(gè)大層次之間并不是界限分明的。微微觀觀表面效應(yīng)、量子尺寸效表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、幻數(shù)應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、幻數(shù)結(jié)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)等。可采用宏觀手段測(cè)量，可采用宏觀手段測(cè)量，但結(jié)果反映的是載流子但結(jié)果反映的是載流子的量子力學(xué)特性。的量子力學(xué)特性?？臻g尺度空間尺度相互作用類型相互作用類型結(jié)合能結(jié)合能2.物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)各層次的基本特征物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)各層次的基本特征如何描述物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)各層次的基本特征？如何描述物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)各層次的基本特征？2.物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)各層次的基本特征物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)各層次的基本特征物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)鏈及個(gè)層次的空間尺度物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)鏈及個(gè)層次的空間尺度nmtmesdutcbne

4、nt分子分子原子原子原子核原子核質(zhì)子質(zhì)子中子中子1010-4 -410-9m1010-10-10m1010-14-14m1010-15-15m10-19m2.物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)各層次的基本特征物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)各層次的基本特征物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)鏈及個(gè)層次的相互作用類型物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)鏈及個(gè)層次的相互作用類型粒粒子子間間的的相相互互作作用用引力相互作用引力相互作用電磁相互作用電磁相互作用弱相互作用：粒子衰變過(guò)程弱相互作用：粒子衰變過(guò)程 1010-19-19m m強(qiáng)相互作用：核子之間強(qiáng)相互作用：核子之間 夸克之間夸克之間 （色相互作用）（色相互作用） 1010-15-15m m強(qiáng)強(qiáng)子子輕輕子子原子分子層次原子分子層次通

5、常忽略通常忽略作用強(qiáng)度之比：作用強(qiáng)度之比：10-39:10-5:10-2:12.物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)各層次的基本特征物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)各層次的基本特征物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)鏈及個(gè)層次的相互作用類型物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)鏈及個(gè)層次的相互作用類型2.物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)各層次的基本特征物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)各層次的基本特征物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)鏈各層次起支配作用的相互作用物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)鏈各層次起支配作用的相互作用2.物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)各層次的基本特征物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)各層次的基本特征物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)鏈各層次基元間的結(jié)合能物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)鏈各層次基元間的結(jié)合能空間尺度越小，相互作用越強(qiáng)。這是由于不確定關(guān)系決定的。空間尺度越小，相互作用越強(qiáng)。這是由于不確定關(guān)系決定的。1. 1.分子內(nèi)

6、原子間的結(jié)合能：幾個(gè)分子內(nèi)原子間的結(jié)合能：幾個(gè)eVeV2. 2.原子內(nèi)外層電子和內(nèi)層電子的結(jié)合能：原子內(nèi)外層電子和內(nèi)層電子的結(jié)合能：eVkeVeVkeV3. 3.原子核內(nèi)核子的平均結(jié)合能：原子核內(nèi)核子的平均結(jié)合能：MeVMeV4. 4.核子夸克間的平均結(jié)合能：核子夸克間的平均結(jié)合能： 無(wú)窮大，到目前為止沒(méi)有發(fā)無(wú)窮大，到目前為止沒(méi)有發(fā)現(xiàn)自由的夸克?，F(xiàn)自由的夸克。3.單位和物理常量單位和物理常量3.1單位單位國(guó)際單位制中的七個(gè)基本單位：國(guó)際單位制中的七個(gè)基本單位：長(zhǎng)度（長(zhǎng)度（m，米），米）質(zhì)量（質(zhì)量（kg，千克），千克）時(shí)間（時(shí)間（s，秒），秒）電流（電流（A，安培），安培）熱力學(xué)溫度（熱力學(xué)溫度

7、（K，開爾文），開爾文）物質(zhì)的量（物質(zhì)的量（mol，摩爾），摩爾）發(fā)光強(qiáng)度（發(fā)光強(qiáng)度（cd，坎德拉），坎德拉）其他物理量根據(jù)其定義或者物理方程表示，稱為導(dǎo)出量，他們的其他物理量根據(jù)其定義或者物理方程表示，稱為導(dǎo)出量，他們的單位稱為導(dǎo)出單位。如：?jiǎn)挝环Q為導(dǎo)出單位。如：SI中能量和功的單位為中能量和功的單位為J，或采用，或采用SI允允許的電子伏（許的電子伏（eV）為單位。）為單位。1eV=1.6010-19J3.單位和物理常量單位和物理常量縱觀宇宙之大（約縱觀宇宙之大（約1026m），夸克和輕子之?。ǎ?，夸克和輕子之?。?0-19m），數(shù)），數(shù)量級(jí)相差量級(jí)相差1045倍之多。為了表示方便，可選用相

8、應(yīng)的倍之多。為了表示方便，可選用相應(yīng)的10進(jìn)制倍數(shù)進(jìn)制倍數(shù)度量單位。度量單位。1 nm=10-9 m1 keV=103 eV1 fm=10-15 m原子核中每個(gè)核子的平均原子核中每個(gè)核子的平均結(jié)合能為結(jié)合能為MeV量級(jí)。核物量級(jí)。核物理中，理中，100MeV下為低能，下為低能，100MeV-3GeV為中能，為中能，3GeV以上為高能。以上為高能。3.單位和物理常量單位和物理常量3.2 物理常量物理常量基本物理常量：是在目前的理論中不能用更基本的常量表示出來(lái)基本物理常量：是在目前的理論中不能用更基本的常量表示出來(lái)的量，它們的數(shù)值必須用實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定。其中，前七個(gè)為基本原子的量，它們的數(shù)值必須用實(shí)驗(yàn)來(lái)

9、測(cè)定。其中，前七個(gè)為基本原子常量（不包括常量（不包括G）3.單位和物理常量單位和物理常量*1. c 出現(xiàn)在相對(duì)論中，是時(shí)空關(guān)系的基本常量。物理現(xiàn)象處于出現(xiàn)在相對(duì)論中，是時(shí)空關(guān)系的基本常量。物理現(xiàn)象處于相對(duì)論高速范圍的標(biāo)志是粒子的速度相對(duì)論高速范圍的標(biāo)志是粒子的速度v與光速與光速c相比擬。相比擬。*2. h 出現(xiàn)在量子物理中，是描述物質(zhì)微觀世界的基本常量。出現(xiàn)在量子物理中，是描述物質(zhì)微觀世界的基本常量。物理現(xiàn)象處于微觀范圍的標(biāo)志是物理現(xiàn)象處于微觀范圍的標(biāo)志是h不可忽略。不可忽略。*3. e 在原子分子層次，電子相互作用占支配地位，基本電荷在原子分子層次，電子相互作用占支配地位，基本電荷e是表征電

10、磁相互作用的特征常量。是表征電磁相互作用的特征常量。*4. G 引力相互作用在宇觀層次的天體物理中占支配地位，引力相互作用在宇觀層次的天體物理中占支配地位，G是表征引力相互作用的特征常量。是表征引力相互作用的特征常量。3.單位和物理常量單位和物理常量*5. me mp 在量子物理中，質(zhì)量的起源仍是一個(gè)探討中的問(wèn)題在量子物理中，質(zhì)量的起源仍是一個(gè)探討中的問(wèn)題，所以粒子的質(zhì)量是重要的基本常量，對(duì)于原子分子和原子核層，所以粒子的質(zhì)量是重要的基本常量，對(duì)于原子分子和原子核層次，電子質(zhì)量和質(zhì)子質(zhì)量的比值決定原子性質(zhì)的主要特征。次，電子質(zhì)量和質(zhì)子質(zhì)量的比值決定原子性質(zhì)的主要特征。*6. NA和和kB是聯(lián)系

11、微觀和宏觀的兩個(gè)基本常量。是聯(lián)系微觀和宏觀的兩個(gè)基本常量。1836pemm 4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史物質(zhì)的本體是什么？物質(zhì)的本體是什么？陰陽(yáng)？五行？元素？原子？陰陽(yáng)？五行？元素？原子？4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史物質(zhì)是不是無(wú)限可分的？！物質(zhì)是不是無(wú)限可分的？！甲方：甲方：1.公元前公元前5世紀(jì)，希臘哲學(xué)家德謨克利特等人認(rèn)為世紀(jì)，希臘哲學(xué)家德謨克利特等人認(rèn)為 ：萬(wàn)物是由大：萬(wàn)物是由大量的不可分割的微粒構(gòu)成的，這種微粒即原子。量的不可分割的微粒構(gòu)成的，這種微粒即原子。2.惠施：至大無(wú)外，謂之大一

12、；至小無(wú)內(nèi)，謂之小一惠施：至大無(wú)外，謂之大一；至小無(wú)內(nèi)，謂之小一3.墨翟：體之無(wú)序而最前者也。墨翟：體之無(wú)序而最前者也。乙方：乙方：1.亞里士多德、阿那薩古拉：物質(zhì)可以無(wú)限可分。亞里士多德、阿那薩古拉：物質(zhì)可以無(wú)限可分。2.公孫龍：一尺之錘，日取其半，萬(wàn)世不竭。公孫龍：一尺之錘，日取其半，萬(wàn)世不竭。4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史1.原子的認(rèn)知原子的認(rèn)知直到公元直到公元19世紀(jì)，原子才由化學(xué)鍵和物理學(xué)家重新世紀(jì)，原子才由化學(xué)鍵和物理學(xué)家重新給以較為精確的表述。并得到了越來(lái)越多的證明。給以較為精確的表述。并得到了越來(lái)越多的證明。19世世紀(jì)初，法國(guó)的普

13、魯斯托和英國(guó)的道爾頓相繼發(fā)現(xiàn)了元素紀(jì)初，法國(guó)的普魯斯托和英國(guó)的道爾頓相繼發(fā)現(xiàn)了元素形成化合物遵循的一些定量定律，如化合物分子的定比形成化合物遵循的一些定量定律，如化合物分子的定比定律，倍比定律。定律，倍比定律。1807年，道爾頓提出近代原子學(xué)說(shuō)，指出如果一種年，道爾頓提出近代原子學(xué)說(shuō)，指出如果一種元素是由相同質(zhì)量的微粒元素是由相同質(zhì)量的微粒-原子組成，原子是不可分割的原子組成，原子是不可分割的最小單元，化合物是由各組成元素的原子按恒定的比例最小單元，化合物是由各組成元素的原子按恒定的比例所構(gòu)成的分子組成，則上述定律可以得到合理的解釋。所構(gòu)成的分子組成，則上述定律可以得到合理的解釋。4.歷史回顧

14、歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史1802年，蓋呂薩克發(fā)現(xiàn)氣體化合時(shí)，各氣年，蓋呂薩克發(fā)現(xiàn)氣體化合時(shí)，各氣體的體積成簡(jiǎn)比。體的體積成簡(jiǎn)比。阿伏伽德羅：在同一溫度、同一壓強(qiáng)下，阿伏伽德羅：在同一溫度、同一壓強(qiáng)下，體積相同的任何氣體所含的分子數(shù)都相等。體積相同的任何氣體所含的分子數(shù)都相等。對(duì)于以上定律，原子論均可以解釋，因而對(duì)于以上定律，原子論均可以解釋，因而獲得了越來(lái)越多的支持。并且被逐步應(yīng)用到獲得了越來(lái)越多的支持。并且被逐步應(yīng)用到壓強(qiáng)、溫度、比熱能概念的解釋中。壓強(qiáng)、溫度、比熱能概念的解釋中。4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的

15、認(rèn)識(shí)歷史1826年夏天，著名的植物學(xué)家羅伯特年夏天，著名的植物學(xué)家羅伯特布朗正在探討花粉布朗正在探討花粉在植物受精過(guò)程中的功能。在植物受精過(guò)程中的功能。布朗從一朵碩大的鮮花中，小心翼翼地取下花粉。為了布朗從一朵碩大的鮮花中，小心翼翼地取下花粉。為了不讓花粉吹散，他把花粉浸泡在水中，然后放到顯微鏡下觀不讓花粉吹散，他把花粉浸泡在水中，然后放到顯微鏡下觀察。顯微鏡下花粉分裂出的微粒中，有些是圓筒形的。布朗察。顯微鏡下花粉分裂出的微粒中，有些是圓筒形的。布朗覺得這些圓筒形的微粒可能與植物受精有關(guān)，便注視著它們覺得這些圓筒形的微?？赡芘c植物受精有關(guān)，便注視著它們，以便弄清受精的秘密。，以便弄清受精的秘

16、密。 “咦！這些微粒怎么全在顫抖、運(yùn)動(dòng)？咦！這些微粒怎么全在顫抖、運(yùn)動(dòng)？”布朗對(duì)這一布朗對(duì)這一現(xiàn)象迷惑不解?，F(xiàn)象迷惑不解。4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史為了搞清這究竟是怎么一回事，布朗又將熟透的花粉囊中的花粉取出來(lái)為了搞清這究竟是怎么一回事，布朗又將熟透的花粉囊中的花粉取出來(lái)，把它們浸泡在水中，放在顯微鏡下觀察。這一次觀察到的現(xiàn)象使他更為驚，把它們浸泡在水中，放在顯微鏡下觀察。這一次觀察到的現(xiàn)象使他更為驚奇：比圓筒狀微粒更小的圓形微粒，運(yùn)動(dòng)得更為劇烈！奇：比圓筒狀微粒更小的圓形微粒，運(yùn)動(dòng)得更為劇烈！意外的發(fā)現(xiàn)使布朗把研究方向轉(zhuǎn)向花粉微粒的奇異運(yùn)動(dòng)

17、。意外的發(fā)現(xiàn)使布朗把研究方向轉(zhuǎn)向花粉微粒的奇異運(yùn)動(dòng)。“其它微粒也能發(fā)生這種現(xiàn)象嗎？其它微粒也能發(fā)生這種現(xiàn)象嗎？”布朗產(chǎn)生了這樣的疑問(wèn)。布朗產(chǎn)生了這樣的疑問(wèn)。 他把苔類的葉子弄碎，泡在水里，在顯微鏡下同樣看到了微粒的運(yùn)動(dòng)他把苔類的葉子弄碎，泡在水里，在顯微鏡下同樣看到了微粒的運(yùn)動(dòng)。他又把可以取得的有機(jī)物都作為觀察的對(duì)象，結(jié)果還是一樣。這使布朗十。他又把可以取得的有機(jī)物都作為觀察的對(duì)象，結(jié)果還是一樣。這使布朗十分興奮。分興奮。 “有機(jī)物是這樣，那無(wú)機(jī)物也不會(huì)例外吧？有機(jī)物是這樣，那無(wú)機(jī)物也不會(huì)例外吧？”布朗推想著。布朗推想著。4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)

18、識(shí)歷史 他把玻璃片弄碎，把一些巖石磨成細(xì)粉，又取來(lái)石墨等，將它們分別懸他把玻璃片弄碎，把一些巖石磨成細(xì)粉，又取來(lái)石墨等，將它們分別懸浮在水中，一一放在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)所有微粒在水中都在雜亂無(wú)章地運(yùn)浮在水中，一一放在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)所有微粒在水中都在雜亂無(wú)章地運(yùn)動(dòng)著。動(dòng)著。 布朗的發(fā)現(xiàn)震動(dòng)了科學(xué)界，微粒在水中的運(yùn)動(dòng)被稱為布朗的發(fā)現(xiàn)震動(dòng)了科學(xué)界，微粒在水中的運(yùn)動(dòng)被稱為“布朗運(yùn)動(dòng)布朗運(yùn)動(dòng)”。布朗認(rèn)為是微粒受到來(lái)自各方的液體分子的不平衡碰撞而引起的，清楚的顯布朗認(rèn)為是微粒受到來(lái)自各方的液體分子的不平衡碰撞而引起的，清楚的顯示出物質(zhì)結(jié)構(gòu)的不連續(xù)本質(zhì)。示出物質(zhì)結(jié)構(gòu)的不連續(xù)本質(zhì)。4.歷史回顧歷史回顧-人

19、類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史1905年，愛因斯坦對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)做了精確的理論分析，他從分子做無(wú)規(guī)則年，愛因斯坦對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)做了精確的理論分析，他從分子做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)出發(fā)，推出了半徑一定的布朗微粒在一定時(shí)間間隔內(nèi)沿水平方向位移熱運(yùn)動(dòng)出發(fā)，推出了半徑一定的布朗微粒在一定時(shí)間間隔內(nèi)沿水平方向位移的平均值與時(shí)間間隔成正比的理論。的平均值與時(shí)間間隔成正比的理論。1907年，法國(guó)人佩林對(duì)布朗微粒的運(yùn)動(dòng)作了定量的測(cè)量和研究。從實(shí)驗(yàn)?zāi)?，法?guó)人佩林對(duì)布朗微粒的運(yùn)動(dòng)作了定量的測(cè)量和研究。從實(shí)驗(yàn)上測(cè)定了比例系數(shù)，得到的結(jié)果與其他方法得到的數(shù)據(jù)相吻合。佩林所做的上測(cè)定了比例系數(shù)，得到的結(jié)果與其他方

20、法得到的數(shù)據(jù)相吻合。佩林所做的關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為給原子的確實(shí)存在做了最后的證明，佩林因此獲關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為給原子的確實(shí)存在做了最后的證明，佩林因此獲得了得了1926年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但事實(shí)上，他并沒(méi)有直接觀察到原子或分子的年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但事實(shí)上，他并沒(méi)有直接觀察到原子或分子的存在。存在。4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史直到直到1982年，賓尼和羅雷爾根據(jù)電子的隧道效應(yīng)制成的掃描隧道顯微鏡年，賓尼和羅雷爾根據(jù)電子的隧道效應(yīng)制成的掃描隧道顯微鏡，才使人們第一次能夠?qū)崟r(shí)的觀察到物質(zhì)表面上原子排列的形貌，并且用掃，才使人們第一次能夠?qū)崟r(shí)的

21、觀察到物質(zhì)表面上原子排列的形貌，并且用掃描隧道顯微鏡技術(shù)成功的進(jìn)行了單個(gè)原子的搬遷。描隧道顯微鏡技術(shù)成功的進(jìn)行了單個(gè)原子的搬遷。4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史在物質(zhì)的不連續(xù)結(jié)構(gòu)日益得到證實(shí)的同時(shí)，電荷的不連續(xù)結(jié)構(gòu)概念也相在物質(zhì)的不連續(xù)結(jié)構(gòu)日益得到證實(shí)的同時(shí)，電荷的不連續(xù)結(jié)構(gòu)概念也相應(yīng)形成。應(yīng)形成。1833年，法拉第提出了電解定律，這個(gè)定律使人們認(rèn)識(shí)到不僅物質(zhì)結(jié)構(gòu)年，法拉第提出了電解定律，這個(gè)定律使人們認(rèn)識(shí)到不僅物質(zhì)結(jié)構(gòu)，而且電荷結(jié)構(gòu)中也存在著不連續(xù)基元。，而且電荷結(jié)構(gòu)中也存在著不連續(xù)基元。當(dāng)電流通過(guò)電解質(zhì)溶液時(shí)，在電極（即相界面）上發(fā)生化學(xué)變化物

22、質(zhì)當(dāng)電流通過(guò)電解質(zhì)溶液時(shí)，在電極（即相界面）上發(fā)生化學(xué)變化物質(zhì)B B的的物質(zhì)的量與通入的電量成正比物質(zhì)的量與通入的電量成正比 。 若幾個(gè)電解池串聯(lián)通入一若幾個(gè)電解池串聯(lián)通入一 定的電量后定的電量后 ，各個(gè)電極上發(fā)生化學(xué)變化物質(zhì)各個(gè)電極上發(fā)生化學(xué)變化物質(zhì)B B的物質(zhì)的量相同。的物質(zhì)的量相同。4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史1897年，湯姆孫在研究陰極射線過(guò)程中，從實(shí)驗(yàn)上真正確認(rèn)了電子的存年，湯姆孫在研究陰極射線過(guò)程中，從實(shí)驗(yàn)上真正確認(rèn)了電子的存在，這一發(fā)現(xiàn)使物理學(xué)家覺察到原子不是一個(gè)簡(jiǎn)單而不可分割的基元。恰恰在，這一發(fā)現(xiàn)使物理學(xué)家覺察到原子不是一個(gè)簡(jiǎn)

23、單而不可分割的基元。恰恰相反，它可能是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，并意識(shí)到陰極射線的電子歸根結(jié)底來(lái)自于原相反，它可能是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，并意識(shí)到陰極射線的電子歸根結(jié)底來(lái)自于原子，因此原子結(jié)構(gòu)中應(yīng)該包含著電子的概念就形成了，于是從子，因此原子結(jié)構(gòu)中應(yīng)該包含著電子的概念就形成了，于是從1900年左右開年左右開始，人們就著手建造一個(gè)由帶點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的并能說(shuō)明原子的物理和化學(xué)性質(zhì)始，人們就著手建造一個(gè)由帶點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的并能說(shuō)明原子的物理和化學(xué)性質(zhì)的原子模型。的原子模型。4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史1909年，盧瑟福和蓋革、馬斯頓，用氦核轟擊厚度為年，盧瑟福和蓋革、馬斯頓，用

24、氦核轟擊厚度為10-6米的金箔米的金箔(散射散射實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn))。起初蓋革什么現(xiàn)象也沒(méi)看到，盧瑟福告訴他要仔細(xì)觀察：。起初蓋革什么現(xiàn)象也沒(méi)看到，盧瑟福告訴他要仔細(xì)觀察：“要多看細(xì)要多看細(xì)看，實(shí)驗(yàn)要重復(fù)幾十次、幾百次、幾千次，才能發(fā)現(xiàn)偶然的現(xiàn)象?？?，實(shí)驗(yàn)要重復(fù)幾十次、幾百次、幾千次，才能發(fā)現(xiàn)偶然的現(xiàn)象。”結(jié)果，結(jié)果，實(shí)驗(yàn)測(cè)得散射角大于實(shí)驗(yàn)測(cè)得散射角大于90的比例約為的比例約為1/8000。根據(jù)湯姆遜模型，。根據(jù)湯姆遜模型，粒子的大角粒子的大角偏折是多次小偏折積累造成的。其概率約為偏折是多次小偏折積累造成的。其概率約為1/103500。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模型明顯不。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模型明顯不符。盧瑟福說(shuō)符。盧瑟福說(shuō):

25、“猶如一發(fā)猶如一發(fā)15寸的炮彈去轟一張薄紙，而炮彈卻掉過(guò)頭來(lái)?yè)糁写绲呐趶椚マZ一張薄紙，而炮彈卻掉過(guò)頭來(lái)?yè)糁心阕约阂粯?。你自己一樣。?4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史為了解決這一矛盾，盧瑟福放棄比湯姆遜模型，于為了解決這一矛盾，盧瑟福放棄比湯姆遜模型，于1911年發(fā)表了年發(fā)表了物質(zhì)物質(zhì)的的粒子和粒子和粒子的散射和原子結(jié)構(gòu)粒子的散射和原子結(jié)構(gòu)的論文，提出原子的有核模型。在論文的論文，提出原子的有核模型。在論文中他寫到：中他寫到：“經(jīng)過(guò)思考，我認(rèn)為反向散射必定是單次碰撞的結(jié)果，而當(dāng)我作經(jīng)過(guò)思考，我認(rèn)為反向散射必定是單次碰撞的結(jié)果，而當(dāng)我作出計(jì)算時(shí)看到，

26、除非采取一個(gè)原子的大部分質(zhì)量集中在一個(gè)微小的核內(nèi)的系出計(jì)算時(shí)看到，除非采取一個(gè)原子的大部分質(zhì)量集中在一個(gè)微小的核內(nèi)的系統(tǒng)，是無(wú)法得到數(shù)量級(jí)的任何結(jié)果的，這就使我后來(lái)提出原子具有很小而質(zhì)統(tǒng)，是無(wú)法得到數(shù)量級(jí)的任何結(jié)果的，這就使我后來(lái)提出原子具有很小而質(zhì)量很大的核心的想法。量很大的核心的想法?！?.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史盧瑟福的原子模型中認(rèn)為原子是靠電子與原子核的庫(kù)倫引力結(jié)合成的一盧瑟福的原子模型中認(rèn)為原子是靠電子與原子核的庫(kù)倫引力結(jié)合成的一個(gè)束縛體系。然而，按經(jīng)典理論電子繞核旋轉(zhuǎn)，作加速運(yùn)動(dòng)，電子將不斷向個(gè)束縛體系。然而，按經(jīng)典理論電子繞核旋轉(zhuǎn)

27、，作加速運(yùn)動(dòng)，電子將不斷向四周輻射電磁波，它的能量不斷減小，從而將逐漸靠近原子核，最后落入原四周輻射電磁波，它的能量不斷減小，從而將逐漸靠近原子核，最后落入原子核中。計(jì)算表明，原子的壽命將僅有子核中。計(jì)算表明，原子的壽命將僅有10-12秒。而實(shí)驗(yàn)表明原子相當(dāng)穩(wěn)定。秒。而實(shí)驗(yàn)表明原子相當(dāng)穩(wěn)定。此外，電子軌道及轉(zhuǎn)動(dòng)頻率不斷變化，輻射電磁波頻率也是連續(xù)的，此外，電子軌道及轉(zhuǎn)動(dòng)頻率不斷變化，輻射電磁波頻率也是連續(xù)的， 原子光原子光譜應(yīng)是連續(xù)的光譜。實(shí)驗(yàn)測(cè)得原子光譜是不連續(xù)的譜線。譜應(yīng)是連續(xù)的光譜。實(shí)驗(yàn)測(cè)得原子光譜是不連續(xù)的譜線。e+e4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)

28、的認(rèn)識(shí)歷史為了解釋上述問(wèn)題，盧瑟福的一個(gè)學(xué)生為了解釋上述問(wèn)題，盧瑟福的一個(gè)學(xué)生丹麥物理學(xué)家尼爾斯丹麥物理學(xué)家尼爾斯 玻爾玻爾(Niles Bohr)在盧瑟福的在盧瑟福的“行星模型行星模型”的基礎(chǔ)之上于的基礎(chǔ)之上于1913年提出了原子的量子年提出了原子的量子理論，即理論，即“玻爾模型玻爾模型”。4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史1912年年8月月1日，玻爾和瑪格麗特在離哥本哈根不遠(yuǎn)的一個(gè)小鎮(zhèn)上結(jié)婚，日，玻爾和瑪格麗特在離哥本哈根不遠(yuǎn)的一個(gè)小鎮(zhèn)上結(jié)婚，隨后他們前往英國(guó)展開蜜月。當(dāng)然，有一個(gè)人是萬(wàn)萬(wàn)不能忘記拜訪的，那就隨后他們前往英國(guó)展開蜜月。當(dāng)然，有一個(gè)

29、人是萬(wàn)萬(wàn)不能忘記拜訪的，那就是玻爾家最好的朋友之一，盧瑟福教授。是玻爾家最好的朋友之一，盧瑟福教授。雖然是在蜜月期，原子和量子的圖景仍然沒(méi)有從玻爾的腦海中消失。他雖然是在蜜月期，原子和量子的圖景仍然沒(méi)有從玻爾的腦海中消失。他和盧瑟福就此再一次認(rèn)真地交換了看法，并加深了自己的信念?；氐降満蠛捅R瑟福就此再一次認(rèn)真地交換了看法，并加深了自己的信念?；氐降満?，他便以百分之二百的熱情投入到這一工作中去。揭開原子內(nèi)部的奧秘，這，他便以百分之二百的熱情投入到這一工作中去。揭開原子內(nèi)部的奧秘，這一夢(mèng)想具有太大的誘惑力，令玻爾完全無(wú)法抗拒。一夢(mèng)想具有太大的誘惑力，令玻爾完全無(wú)法抗拒。玻爾面臨著選擇，要么放棄

30、盧瑟福模型，要么放棄麥克斯韋和他的偉大玻爾面臨著選擇，要么放棄盧瑟福模型，要么放棄麥克斯韋和他的偉大理論。玻爾勇氣十足地選擇了放棄后者。理論。玻爾勇氣十足地選擇了放棄后者。4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史1913年初，年輕的丹麥人漢森年初，年輕的丹麥人漢森(Hans Marius Hansen)請(qǐng)教玻爾，在他那量請(qǐng)教玻爾，在他那量子化的原子模型里如何解釋原子的光譜線問(wèn)題。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，玻爾之前并子化的原子模型里如何解釋原子的光譜線問(wèn)題。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，玻爾之前并沒(méi)有太多地考慮過(guò)，原子光譜對(duì)他來(lái)說(shuō)是陌生和復(fù)雜的，成千條譜線和種種沒(méi)有太多地考慮過(guò)，原子光

31、譜對(duì)他來(lái)說(shuō)是陌生和復(fù)雜的，成千條譜線和種種奇怪的效應(yīng)在他看來(lái)太雜亂無(wú)章，似乎不能從中得出什么有用的信息。然而奇怪的效應(yīng)在他看來(lái)太雜亂無(wú)章，似乎不能從中得出什么有用的信息。然而漢森告訴玻爾，這里面其實(shí)是有規(guī)律的，比如巴爾末公式就是。他敦促玻爾漢森告訴玻爾，這里面其實(shí)是有規(guī)律的，比如巴爾末公式就是。他敦促玻爾關(guān)心一下巴爾末的工作。關(guān)心一下巴爾末的工作。4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史1913年年2月玻爾注意到德國(guó)物理學(xué)家斯塔克月玻爾注意到德國(guó)物理學(xué)家斯塔克(J.Stark)在在原子動(dòng)力學(xué)原理原子動(dòng)力學(xué)原理一書中的一段話：一書中的一段話：“一個(gè)光譜的全部

32、譜線是由單獨(dú)一個(gè)電子造成的，是在一個(gè)光譜的全部譜線是由單獨(dú)一個(gè)電子造成的，是在這個(gè)電子從一個(gè)（幾乎）完全分離的狀態(tài)逐次向勢(shì)能最小的狀態(tài)躍遷過(guò)程中這個(gè)電子從一個(gè)（幾乎）完全分離的狀態(tài)逐次向勢(shì)能最小的狀態(tài)躍遷過(guò)程中輻射出來(lái)的。輻射出來(lái)的?！彼麑⑦@一電子躍遷思想和光譜線聯(lián)系到一起，這樣，玻爾突他將這一電子躍遷思想和光譜線聯(lián)系到一起，這樣，玻爾突然領(lǐng)悟到，他可以用這一理論解釋巴爾末公式了。玻爾曾說(shuō)過(guò)：然領(lǐng)悟到，他可以用這一理論解釋巴爾末公式了。玻爾曾說(shuō)過(guò)：“我一看到我一看到巴爾末公式，整個(gè)情形就一下子弄清楚了。巴爾末公式，整個(gè)情形就一下子弄清楚了?！?913年年3月、月、6月、月、9月，分別寫出了月，

33、分別寫出了原子構(gòu)造和分子構(gòu)造（原子構(gòu)造和分子構(gòu)造（1）（）（2）（）（3）三篇論文（人稱三篇論文（人稱“三部曲三部曲”），提出了定態(tài)躍遷的原子模型。），提出了定態(tài)躍遷的原子模型。4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史玻爾理論后經(jīng)索末菲等人的改進(jìn)。索末菲從實(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，將電子繞核玻爾理論后經(jīng)索末菲等人的改進(jìn)。索末菲從實(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，將電子繞核軌道從單一的圓軌道，推廣到橢圓軌道。并且他還發(fā)現(xiàn)軌道在空間的取向也軌道從單一的圓軌道，推廣到橢圓軌道。并且他還發(fā)現(xiàn)軌道在空間的取向也是量子化的，從而引入了主量子數(shù)、角量子數(shù)和磁量子數(shù)的概念。是量子化的，從而引入了主量子數(shù)

34、、角量子數(shù)和磁量子數(shù)的概念。1920年索年索末菲又引入了第四個(gè)量子數(shù)。這第四個(gè)量子數(shù)直到末菲又引入了第四個(gè)量子數(shù)。這第四個(gè)量子數(shù)直到1925年才被科學(xué)家弄清楚年才被科學(xué)家弄清楚，原來(lái)是繞核旋轉(zhuǎn)的電子的自旋量子數(shù)。，原來(lái)是繞核旋轉(zhuǎn)的電子的自旋量子數(shù)。1925年泡利在研究四個(gè)量子數(shù)跟原子核外電子排布的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)了泡年泡利在研究四個(gè)量子數(shù)跟原子核外電子排布的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)了泡利不相容原理：在同一原子內(nèi)，在一個(gè)原子中不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電利不相容原理：在同一原子內(nèi)，在一個(gè)原子中不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子具有完全相同的四個(gè)量子數(shù)子具有完全相同的四個(gè)量子數(shù)(n, l, ml, ms)。利用玻爾、索末

35、菲理論加上泡利。利用玻爾、索末菲理論加上泡利不相容原理可以成功地解釋核外電子的排布。至此原子物理學(xué)完全建立了起不相容原理可以成功地解釋核外電子的排布。至此原子物理學(xué)完全建立了起來(lái)。來(lái)。4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史2.原子結(jié)構(gòu)建立起來(lái)了，那原子核結(jié)構(gòu)呢？原子結(jié)構(gòu)建立起來(lái)了，那原子核結(jié)構(gòu)呢？放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)18961896年，法國(guó)物理化學(xué)家貝克勒爾在鈾礦石中發(fā)現(xiàn)了放射現(xiàn)象。年，法國(guó)物理化學(xué)家貝克勒爾在鈾礦石中發(fā)現(xiàn)了放射現(xiàn)象。 射線：帶兩個(gè)正電荷的氦核射線：帶兩個(gè)正電荷的氦核 射線：高速運(yùn)動(dòng)的電子流射線：高速運(yùn)動(dòng)的電子流 射線：高能光子流

36、射線：高能光子流 4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史質(zhì)子：質(zhì)子：1919年，盧瑟福繼承了他的老師湯姆遜的劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)?zāi)?，盧瑟福繼承了他的老師湯姆遜的劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任的職務(wù)。同年他采用如下裝置利用室主任的職務(wù)。同年他采用如下裝置利用212Po放出的放出的粒子去轟擊粒子去轟擊N原子，原子，實(shí)現(xiàn)了歷史上第一個(gè)人工核反應(yīng)。實(shí)現(xiàn)了歷史上第一個(gè)人工核反應(yīng)。 盧瑟福發(fā)現(xiàn)許多元素在盧瑟福發(fā)現(xiàn)許多元素在粒子轟擊下都可放射出粒子轟擊下都可放射出“帶正電的氫原子帶正電的氫原子”。因。因此認(rèn)為所有元素的原子核中都存在這種帶正電的粒子，并于此認(rèn)為所有元素的原

37、子核中都存在這種帶正電的粒子，并于1920年將其命名年將其命名為為“質(zhì)子質(zhì)子(proton)，符號(hào)為，符號(hào)為 p”。HON111781474.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史中子：中子： 1920年，盧瑟福提出了中子假說(shuō)，認(rèn)為原子核中除了質(zhì)子外，可年，盧瑟福提出了中子假說(shuō)，認(rèn)為原子核中除了質(zhì)子外，可能還存在一種由電子和氫核組成的不帶電的中性粒子，他稱為能還存在一種由電子和氫核組成的不帶電的中性粒子，他稱為“雙子雙子(doublet)”。 1930年，德國(guó)物理學(xué)家玻特年，德國(guó)物理學(xué)家玻特(W. Bothe)和他的學(xué)生貝克爾和他的學(xué)生貝克爾(H. Beck

38、er)發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，用，用粒子轟擊鈹粒子轟擊鈹9(9Be)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種穿透能力極強(qiáng)的中性射線，他們認(rèn)為時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種穿透能力極強(qiáng)的中性射線，他們認(rèn)為這種中性射線是這種中性射線是射線射線(實(shí)際上是中子！實(shí)際上是中子！)隨后不久，約里奧隨后不久，約里奧-居里夫婦也進(jìn)行了這一實(shí)驗(yàn)，并讓反應(yīng)物打在含氫的居里夫婦也進(jìn)行了這一實(shí)驗(yàn)，并讓反應(yīng)物打在含氫的石蠟上，發(fā)現(xiàn)有質(zhì)子被從石蠟中擊出。他們認(rèn)為這是由石蠟上，發(fā)現(xiàn)有質(zhì)子被從石蠟中擊出。他們認(rèn)為這是由光子引起的光子引起的“康普頓康普頓效應(yīng)效應(yīng)”。 就這樣，玻特和約里奧就這樣，玻特和約里奧-居里夫婦都錯(cuò)過(guò)了發(fā)現(xiàn)中子的機(jī)會(huì)居里夫婦都錯(cuò)過(guò)了發(fā)現(xiàn)中子的機(jī)會(huì)! CnBe1

39、294.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史1932年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福的學(xué)生查德威克年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福的學(xué)生查德威克(J. Chadwick)重復(fù)了上述實(shí)驗(yàn)，并證明反應(yīng)過(guò)程中重復(fù)了上述實(shí)驗(yàn)，并證明反應(yīng)過(guò)程中所產(chǎn)生的中性射線是由一種質(zhì)量和質(zhì)子差不多的中所產(chǎn)生的中性射線是由一種質(zhì)量和質(zhì)子差不多的中性粒子組成的，他把這種中性粒子稱為中子性粒子組成的，他把這種中性粒子稱為中子(neutron)。查德威克因此被授予。查德威克因此被授予1935年年Nobel物理獎(jiǎng)物理獎(jiǎng)。4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史1932年，

40、前蘇聯(lián)伊凡年科與海森伯提出年，前蘇聯(lián)伊凡年科與海森伯提出原子核由質(zhì)子和中子組成的理論。原子核由質(zhì)子和中子組成的理論。質(zhì)子質(zhì)子(p)和中子和中子(n)統(tǒng)稱為核子統(tǒng)稱為核子(N)。核力是把質(zhì)子和中子糾合在一起，構(gòu)核力是把質(zhì)子和中子糾合在一起，構(gòu)成一個(gè)個(gè)穩(wěn)定的原子核成一個(gè)個(gè)穩(wěn)定的原子核(也包括不穩(wěn)定的也包括不穩(wěn)定的原子核原子核)的強(qiáng)大的束縛力。的強(qiáng)大的束縛力。4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史原子模型原子核、電子核子模型質(zhì)子、中子、電子結(jié)束了么？還有有更基本的？結(jié)束了么？還有有更基本的？4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的

41、認(rèn)識(shí)歷史3. 3.標(biāo)準(zhǔn)模型理論標(biāo)準(zhǔn)模型理論1932 1950 1932 1950 發(fā)現(xiàn)一大批新粒子如發(fā)現(xiàn)一大批新粒子如: : m m 子、子、 介子、奇異粒子等介子、奇異粒子等。到目前為止，粒子的數(shù)目已經(jīng)達(dá)到數(shù)百種之多。這些粒子都。到目前為止，粒子的數(shù)目已經(jīng)達(dá)到數(shù)百種之多。這些粒子都是基本的嗎？他們之間的相互作用的規(guī)律是什么？是基本的嗎？他們之間的相互作用的規(guī)律是什么？目前公認(rèn)的最成熟的理論是：標(biāo)準(zhǔn)模型理論目前公認(rèn)的最成熟的理論是：標(biāo)準(zhǔn)模型理論19641964年美國(guó)蓋爾曼提出，年美國(guó)蓋爾曼提出，19691969年斯坦福直線加速器中心電子年斯坦福直線加速器中心電子核子撞擊實(shí)驗(yàn)首次驗(yàn)證，同年獲諾貝

42、爾物理獎(jiǎng)。核子撞擊實(shí)驗(yàn)首次驗(yàn)證，同年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史我們已知的基本粒子可以分為兩個(gè)家族我們已知的基本粒子可以分為兩個(gè)家族夸克夸克(Quarks)(Quarks)和輕子和輕子(Leptons)(Leptons)，這兩個(gè)家族，這兩個(gè)家族各有六個(gè)成員，構(gòu)成三個(gè)世代。第一世代的粒子質(zhì)量最輕，而第三世代的粒子最重。各有六個(gè)成員，構(gòu)成三個(gè)世代。第一世代的粒子質(zhì)量最輕，而第三世代的粒子最重。此外還有四種媒介交互作用的媒介此外還有四種媒介交互作用的媒介子子(Mediator)(Mediator)，用來(lái)傳遞粒子之間，用來(lái)傳遞粒子之間的

43、交互作用力。的交互作用力。現(xiàn)存的物質(zhì)，主要是由第一世代的現(xiàn)存的物質(zhì)，主要是由第一世代的基本粒子所組成，而第二第三世代基本粒子所組成，而第二第三世代的粒子大多已經(jīng)衰變成為第一代的的粒子大多已經(jīng)衰變成為第一代的基本粒子?；玖Ｗ?。4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史夸克夸克 20世紀(jì)世紀(jì)60年代，美國(guó)物理學(xué)家默里年代，美國(guó)物理學(xué)家默里蓋爾蓋爾曼和曼和G.茨威格各自獨(dú)立提出了中子、質(zhì)子茨威格各自獨(dú)立提出了中子、質(zhì)子這一類強(qiáng)子是由更基本的單元這一類強(qiáng)子是由更基本的單元夸克夸克(quark)組成的。它們具有分?jǐn)?shù)電荷，是電組成的。它們具有分?jǐn)?shù)電荷，是電子電量的子電

44、量的2/3或或-1/3倍，自旋為倍，自旋為1/2?！翱淇丝淇恕币辉~是由默里一詞是由默里蓋爾曼改編自詹姆蓋爾曼改編自詹姆斯斯喬伊斯的小說(shuō)喬伊斯的小說(shuō)芬尼根徹夜祭芬尼根徹夜祭(Finnegans Wake)中的詩(shī)句。中的詩(shī)句。4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史夸克夸克 年，美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼和茨威格各自年，美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼和茨威格各自獨(dú)立地提出了三夸克模型，認(rèn)為重子和介子都是獨(dú)立地提出了三夸克模型，認(rèn)為重子和介子都是由夸克組成的。由夸克組成的。年，美國(guó)斯坦福直線加速器中心驗(yàn)證了年，美國(guó)斯坦福直線加速器中心驗(yàn)證了夸克的存在，并在普通物質(zhì)或宇宙線中發(fā)現(xiàn)了能

45、夸克的存在，并在普通物質(zhì)或宇宙線中發(fā)現(xiàn)了能夠證明上夸克、下夸克和奇異夸克存在的證據(jù)。夠證明上夸克、下夸克和奇異夸克存在的證據(jù)。 年，美國(guó)丁肇中實(shí)驗(yàn)室和里克特實(shí)驗(yàn)組，年，美國(guó)丁肇中實(shí)驗(yàn)室和里克特實(shí)驗(yàn)組，各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)由一對(duì)正反粲夸克組成的介子，各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)由一對(duì)正反粲夸克組成的介子，從而證實(shí)了粲夸克的存在，因此分享了從而證實(shí)了粲夸克的存在，因此分享了年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 年，美國(guó)萊德曼實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)了底夸克存年，美國(guó)萊德曼實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)了底夸克存在的證據(jù)。在的證據(jù)。 年，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了頂夸克。年，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了頂夸克。4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)

46、微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史輕子輕子 輕子就是不參與強(qiáng)相互作用的費(fèi)米子，它們參輕子就是不參與強(qiáng)相互作用的費(fèi)米子，它們參與弱相互作用與電磁作用。它們的自旋為與弱相互作用與電磁作用。它們的自旋為1/2。至今實(shí)驗(yàn)上還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)輕子有任何結(jié)構(gòu)，所以至今實(shí)驗(yàn)上還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)輕子有任何結(jié)構(gòu)，所以通常被認(rèn)為自然界最基本的粒子之一。通常被認(rèn)為自然界最基本的粒子之一。 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的輕子包括電子、已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的輕子包括電子、子、子、子三種帶一子三種帶一個(gè)單位負(fù)電荷的粒子，分別以個(gè)單位負(fù)電荷的粒子，分別以e-、-、-表示，表示，以及它們分別對(duì)應(yīng)的電子中微子、以及它們分別對(duì)應(yīng)的電子中微子、子中微子、子中微子、子中微子三種不帶電的中微子，分

47、別以子中微子三種不帶電的中微子，分別以e、表示。加上以上六種粒子各自的反粒子，共表示。加上以上六種粒子各自的反粒子，共計(jì)計(jì)12種輕子。種輕子。 4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史輕子輕子 年，英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，因此榮獲年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這是人年，英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，因此榮獲年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這是人類認(rèn)識(shí)的第一個(gè)基本粒子，不僅打破了道爾頓的類認(rèn)識(shí)的第一個(gè)基本粒子，不僅打破了道爾頓的“不可分不可分”的原子，的原子， 而且打破了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的而且打破了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的“終極終極”觀念，把科學(xué)研究引上了一條出人意料的道路。于是，在世紀(jì)前夕，科學(xué)家面觀

48、念，把科學(xué)研究引上了一條出人意料的道路。于是，在世紀(jì)前夕，科學(xué)家面臨著一個(gè)完全陌生而又非常奇特的世界。臨著一個(gè)完全陌生而又非常奇特的世界。 年，美國(guó)物理學(xué)家萊因斯和柯萬(wàn)一起取得了開拓性的成就，發(fā)現(xiàn)了電子型中微子，年，美國(guó)物理學(xué)家萊因斯和柯萬(wàn)一起取得了開拓性的成就，發(fā)現(xiàn)了電子型中微子，因此獲得了年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。因此獲得了年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 年美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的萊德曼等人，在布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室里，發(fā)出了年美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的萊德曼等人，在布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室里，發(fā)出了子和子和子子型中微子，并且發(fā)現(xiàn)中微子有不同類型，因此獲得了年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。型中微子，并且發(fā)現(xiàn)中微子有不同類型，因此獲得了年諾貝爾

49、物理學(xué)獎(jiǎng)。 年，美國(guó)物理學(xué)家佩爾等人的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了重輕子年，美國(guó)物理學(xué)家佩爾等人的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了重輕子即即輕子，因此獲得了輕子，因此獲得了年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 年，由美日韓希臘等國(guó)人組成的國(guó)際科研小組，利用美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的加速器年，由美日韓希臘等國(guó)人組成的國(guó)際科研小組，利用美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的加速器經(jīng)過(guò)年的合作研究，首次發(fā)現(xiàn)了表明經(jīng)過(guò)年的合作研究，首次發(fā)現(xiàn)了表明中微子存在的直接證據(jù)。至此，粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中微子存在的直接證據(jù)。至此，粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中的種基本粒子經(jīng)百余年的探索，終于被人類全部發(fā)現(xiàn)。中的種基本粒子經(jīng)百余年的探索，終于被人類全部發(fā)現(xiàn)。 4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀

50、結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史力的傳遞介質(zhì)力的傳遞介質(zhì) 如前所述，物質(zhì)之間存在相互作用，而傳遞這種作如前所述，物質(zhì)之間存在相互作用，而傳遞這種作用的粒子稱為媒介子用的粒子稱為媒介子 1 強(qiáng)相互作用強(qiáng)相互作用 ，媒介子為，媒介子為 介子介子 或或 膠子膠子 2 弱相互作用，媒介子為弱相互作用，媒介子為 中間玻色子中間玻色子 3 電磁相互作用，媒介子為電磁相互作用，媒介子為 光子光子 4 萬(wàn)有引力，媒介子為萬(wàn)有引力，媒介子為 引力子引力子 目前，前三種相互作用的媒介子都已在實(shí)驗(yàn)上證明目前，前三種相互作用的媒介子都已在實(shí)驗(yàn)上證明了或者至少找到存在的證據(jù)了。而第四種，引力子了或者至少找到存

51、在的證據(jù)了。而第四種，引力子 尚未在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)。在量子色動(dòng)力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型下，尚未在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)。在量子色動(dòng)力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型下，萬(wàn)有引力是靠引力子傳播的，如果這種引力子存在，萬(wàn)有引力是靠引力子傳播的，如果這種引力子存在，也就在一定程度上解釋了萬(wàn)有引力的本源。而引力也就在一定程度上解釋了萬(wàn)有引力的本源。而引力子至今未發(fā)現(xiàn)存在的證據(jù)。至于有沒(méi)有引力子，依子至今未發(fā)現(xiàn)存在的證據(jù)。至于有沒(méi)有引力子，依然是個(gè)迷。然是個(gè)迷。 4.歷史回顧歷史回顧-人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史HiggsHiggs玻色子玻色子 光子光子 g和中間玻色子和中間玻色子(w+、w-及及z0 )分別是電磁相互作用和弱相互作用的媒介子，分別是電磁相互作用和弱相互作用的媒介子，在電弱統(tǒng)一理論中，這四種粒子都是電弱作用的場(chǎng)量子，它們都是零質(zhì)量的粒子。在電弱統(tǒng)一理論中，這四種粒子都是電弱作用的場(chǎng)量子，它們都是零質(zhì)量的粒子。但是由于對(duì)稱性的破缺，只有一種媒介子但是由于對(duì)稱性的破缺，只有一種媒介子(g光子光子)保持了零質(zhì)量，而其他三種獲得保持了零質(zhì)量，而其他三種獲得了巨大的質(zhì)量。致使對(duì)稱性破缺的機(jī)制，稱為希格斯了巨大的質(zhì)量。致使對(duì)稱性破缺的機(jī)制，稱為希格斯(higgs)機(jī)制。所以理論上確機(jī)制。所以理論上確信，必定還存在