《現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)導(dǎo)論(第四版)》電子教案-第1篇第4章宇宙的結(jié)構(gòu)層次和物質(zhì)課件

《現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)導(dǎo)論(第四版)》電子教案-第1篇第4章宇宙的結(jié)構(gòu)層次和物質(zhì)課件第四章宇宙的結(jié)構(gòu)層次和物質(zhì)的根本單元作者宗世哲第四章宇宙的結(jié)構(gòu)層次和物質(zhì)的根本單元作者宗世哲宇宙是物質(zhì)的。宇宙的結(jié)構(gòu)層次是怎么樣的？構(gòu)成物質(zhì)的根本單元是什么？這是自然科學(xué)中的重大根本問題。從亙古開始，人類就開始探索，至今，人們?nèi)栽诓煌５匮芯?，從來沒有停止過。現(xiàn)在人們按照空間尺度和質(zhì)量大小，粗略地把世界分為宇觀、宏觀和微觀三個層次。從研究晶體開始，經(jīng)過了分子、原子、核、核子和介子、一直到夸克這樣一個連續(xù)的研究過程，人們的認識逐漸深化，現(xiàn)在確信構(gòu)成物質(zhì)的根本單元是夸克、輕子和傳播子。引言宇宙是物質(zhì)的。宇宙的結(jié)構(gòu)層次是怎么樣的？構(gòu)成物質(zhì)的根本單元第一節(jié)宇宙的宇觀、宏觀和微觀三個層次宇宙按其空間尺度和質(zhì)量大小可分為宇觀、宏

觀和微觀三個層次。一、微觀層次：通常又分為粒子亞原子和原子分子兩個層次。二、宏觀層次：宏觀物質(zhì)是由大量原子分子形成的凝聚體系，其穩(wěn)定條件，是電子受原子核的為庫侖吸引與電子之間因泡利不相容而有的排斥之間的平衡。三、宇觀層次：宇觀與宏觀之間也沒有明顯界限。從與宏觀層次相接的阿波羅神小行星附近開始，經(jīng)過行星、恒星、星系、星系團、超級星系，直到可觀測的宇宙，構(gòu)成一個系列。第一節(jié)宇宙的宇觀、宏觀和微觀三個層次宇宙按其空間尺度和質(zhì)第二節(jié)古代人和早期的物質(zhì)觀世界萬物是由什么構(gòu)成的?構(gòu)成物質(zhì)的根本單元是什么？或者說它有最小結(jié)構(gòu)嗎?如果有，那是什么呢?古代，人們是如何看的？現(xiàn)代科學(xué)家對這個問題研究到什么程度，是怎么樣認識的?第二節(jié)古代人和早期的物質(zhì)觀世界萬物是由什么構(gòu)成的?構(gòu)早在周代，我們的祖先就提出了五行說，認為萬物都是由金、木、水、火、土這五種物質(zhì)原料構(gòu)成。早在周代，我們的祖先就提出了五行說，認為萬物都是由金、木、水?周易?中有“太極生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦〞的哲學(xué)思想。?周易?中有“太極生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦〞的哲學(xué)思想大約在公元前400多年，古希臘哲學(xué)家德謨克利特把構(gòu)成物質(zhì)的最小單元叫做“原子〞，認為宇宙萬物乃至靈魂都是由這種不可分割的原子構(gòu)成的。大約在公元前400多年，古希臘哲學(xué)家德謨克利特把構(gòu)成物質(zhì)的最古代思想家和哲學(xué)家對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認識，只是靠思辯和猜測，他們沒有想到或沒有條件用實驗去檢驗他們的假說，也沒有用這些假說所預(yù)言的情況來驗證假說本身。因此，古代人關(guān)于物質(zhì)根源的假說，只能當(dāng)作近代科學(xué)研究的一種背景，而不能視為科學(xué)真諦。真正對物質(zhì)構(gòu)成進行科學(xué)的研究和解釋，是從17世紀開始的。古代思想家和哲學(xué)家對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認識，只是靠思辯和猜測，他們沒1661年，英國科學(xué)家玻意耳(R.Boyle1627-1691)提出了化學(xué)元素概念，為科學(xué)地研究化學(xué)奠定了根底。1661年，英國科學(xué)家玻意耳(R.Boyle1627-161803年，英國化學(xué)家和物理學(xué)家道爾頓用原子的觀念說明化合物的組成及其所服從的定量規(guī)律，并通過實驗來測量不同元素的原子質(zhì)量之比。這種始于化學(xué)的原子假說叫做“化學(xué)原子論〞。1803年，英國化學(xué)家和物理學(xué)家道爾頓用原子的觀念說明化合物1811年，意大利科學(xué)家阿伏加德羅提出了分子假說，彌補了道爾頓原子學(xué)說中無視了原子和分子區(qū)別的缺陷，兩者結(jié)合成為“原子—分子學(xué)說〞。1811年，意大利科學(xué)家阿伏加德羅提出了分子假說，彌補了道爾1869年，俄國科學(xué)家門捷列夫(Д.И.МеНделеев1834-1907)發(fā)現(xiàn)了元素的周期性遞變規(guī)律制成了元素周期表，這在人類認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)的進程中，是一個重大的成就。1869年，俄國科學(xué)家門捷列夫(Д.И.МеНделеев第三節(jié)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的根本單元很久以來,人們一直在探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的根本單元，最初把元素的最小單元-原子-看作不可分的，是各種物質(zhì)結(jié)構(gòu)的根本單元。20世紀初期,認識到原子是由原子核和電子構(gòu)成的,1932年中子被發(fā)現(xiàn)以后,進一步認識到原子核還有內(nèi)部結(jié)構(gòu),是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的。這以后，人們發(fā)現(xiàn)，原來看作是根本粒子不再是根本的了。1964年，蓋爾曼提出了夸克模型，認為強子，包括質(zhì)子和中子，都是由夸克組成的。第三節(jié)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的根本單元很久以來,人們一直在探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)一、第一個粒子—電子的發(fā)現(xiàn)1897年，湯姆孫(J.J.Thomson1856—1940)根據(jù)帶電粒子在電場和磁場中的運動規(guī)律，利用陰極射線管測量了陰極射線粒子速度以及該粒子的荷質(zhì)比。這樣就完全弄清了陰極射線粒子的存在和性質(zhì)，湯姆孫稱這種粒子為“微粒〞，把它所帶的電荷稱為“電子〞。后來，人們把陰極射線粒子本身稱為“電子〞。一、第一個粒子—電子的發(fā)現(xiàn)1897年，湯姆孫(J.J.Tho二、質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)1909年~1911年，英國物理學(xué)家盧瑟?！睧.Rutherford,1871-1937〕用一束α粒子轟擊金箔，發(fā)現(xiàn)有大角度散射，因而提出原子的有核模型，認為原子是由非常小的原子和核外電子組成，原子核集中了原子的全部正電荷和絕大局部質(zhì)量，盧瑟福將之命名為質(zhì)子。二、質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)1909年~1911年，英國物理學(xué)家盧瑟?！踩⒅凶拥陌l(fā)現(xiàn)盧瑟福的一位學(xué)生查德威克(J.Chadwick1891—1974年)就在卡文迪許實驗室里尋找電中性粒子。1932年，見到德國和法國同行的實驗結(jié)果后，查德威克意識到這種新射線很可能就是多年來苦苦尋找的中子。他立即著手實驗，花了不到一個月的時間，就發(fā)表了“中子可能存在〞的論文。三、中子的發(fā)現(xiàn)盧瑟福的一位學(xué)生查德威克(J.Chadwic四、反粒子—正電子的發(fā)現(xiàn)中子發(fā)現(xiàn)不久，安德遜〔C.D.Anderson，1905-〕通過觀測云室照片,發(fā)現(xiàn)了正電子e+，正電子的發(fā)現(xiàn)具有十分重要的意義，它是人類認識反粒子的開端。正反粒子相互作用的重要特征是它們碰撞時顯現(xiàn)湮滅，生成相加量子數(shù)為零的態(tài)。四、反粒子—正電子的發(fā)現(xiàn)中子發(fā)現(xiàn)不久，安德遜〔C.D.A五、原子核結(jié)構(gòu)模型與π介子的發(fā)現(xiàn)1947年，英國物理學(xué)家鮑威爾(C.F.Powell,1903-1969年)用乳膠研究宇宙射線終于發(fā)現(xiàn)了π介子,其質(zhì)量是電子的273倍。經(jīng)反復(fù)檢測，確定是湯川秀樹所預(yù)言的介子，被命名為π介子。人們發(fā)現(xiàn)，以π介子傳遞方式產(chǎn)生的相互作用具有這樣的特點：強度極大、獨立于電荷、作用距離和作用時間均極短。這種相互作用被稱為強相互作用。五、原子核結(jié)構(gòu)模型與π介子的發(fā)現(xiàn)1947年，英國物理學(xué)家鮑六、第一代“根本粒子〞湯川秀樹的理論被確立之后，原子核內(nèi)相互作用的理論研究開始活潑起來。π介子發(fā)現(xiàn)以后,許多物理學(xué)家認為,組成物質(zhì)的根本單元〔稱為第一代根本粒子〕都找到了。物理學(xué)家立即認識到原子核由質(zhì)子p和中子n組成，通常就把質(zhì)子和中子稱為核子。核子由比電磁相互作用〔電磁力〕更強的相互作用——核相互作用〔核力〕結(jié)合成原子核，否那么，原子核就會因為帶正電荷的質(zhì)子間的斥力而崩解。核力就是強相互作用力。核力僅在原子核線度〔約10-13cm〕范圍內(nèi)呈現(xiàn)，它是短程力，粗略地說，核力是一種強吸引的短程力。六、第一代“根本粒子〞湯川秀樹的理論被確立之后，原子核內(nèi)相七、夸克模型1964年，蓋爾曼〔M.Gell－Mann,1929-〕和茲瓦格〔G.Zweig〕分別獨立提出了形象的、易于理解的強子結(jié)構(gòu)模型—夸克模型,該模型認為“強子是由三個更根本的粒子(現(xiàn)記為上夸克、下夸克、奇異夸克)組成〞。七、夸克模型1964年，蓋爾曼〔M.Gell－Mann,八、物質(zhì)的根本單元在70年代建立起來的描述強力、電磁力和弱力的標準模型中，是把夸克和輕子放在同一物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次上來看待的。在這個層次上，構(gòu)成物質(zhì)的根本單元只有如下幾種根本粒子：

①六種輕子:電子、繆子、陶子、電子中微子、繆子中微子、陶子中微子；

②六種夸克：上夸克、下夸克、粲夸克、奇異夸克、頂夸克、底夸克；

③五種傳播子：光子、帶電中間玻色子、中性中間玻色子、膠子、引力子；

④希格斯粒子。八、物質(zhì)的根本單元在70年代建立起來的描述強力、電磁力和第四節(jié)微觀粒子的性質(zhì)一、參與四種根本的相互作用

1、萬有引力

2、電磁相互作用力

3、弱相互作用力

4、強相互作用力第四節(jié)微觀粒子的性質(zhì)一、參與四種根本的相互作用

1、萬二、微觀粒子的尺度

一些粒子要比原子、分子小得多，用現(xiàn)有最高倍的電子顯微鏡也不能觀察到。原子的尺度為10-8cm，質(zhì)子、中子的尺度為10-13cm，也就是說，只有原子的十萬分之一。輕子和夸克的尺寸更小，都小于10-17cm，即不到質(zhì)子、中子的萬分之一。二、微觀粒子的尺度

一些粒子要比原子、分子小得多，用現(xiàn)有最三、微觀粒子的質(zhì)量

微觀粒子的質(zhì)量是粒子的主要特征量。現(xiàn)有的粒子質(zhì)量范圍很大從0到90GeV。光子、膠子是無靜止質(zhì)量的；電子質(zhì)量很小，只有0.5MeV；π介子質(zhì)量為電子質(zhì)量的280倍；質(zhì)子、中子都很重，接近電子質(zhì)量的2000倍，約為1GeV；最重的粒子是Z0，其質(zhì)量為90GeV。三、微觀粒子的質(zhì)量

微觀粒子的質(zhì)量是粒子的主要特征量?，F(xiàn)有的四、微觀粒子的壽命

粒子的壽命也不盡相同。從質(zhì)子和中子這個物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次來看，微觀粒子數(shù)目多達幾百種。在這幾百種粒子當(dāng)中，只有電子、質(zhì)子、中微子和光子及其各自的反粒子的壽命長，它們被稱為穩(wěn)定粒子，也叫“長壽命〞粒子〞，而其他絕大多數(shù)的粒子是不穩(wěn)定的粒子。不穩(wěn)定的意思是指這些粒子存在的時間很短四、微觀粒子的壽命

粒子的壽命也不盡相同。從質(zhì)子和中子這個物五、正、反粒子對稱

1932年發(fā)現(xiàn)了一個與電子質(zhì)量相同但帶一個正電荷的粒子，稱為正電子。從大量實驗測量和理論分析中得知：每一個粒子都有相應(yīng)的反粒子。反粒子的反粒子就是它的本身。有些電中性的粒子，如光子，是它們自已的反粒子。五、正、反粒子對稱

1932年發(fā)現(xiàn)了一個與電子質(zhì)量相同但帶一六、微觀粒子的自旋

粒子還有另一種屬性——自旋。微觀粒子一個非常重要的區(qū)別是它們的自旋角動量〔簡單地稱之為自旋〕不同。自旋是在數(shù)值上描述粒子繞自己的軸旋轉(zhuǎn)的快慢。六、微觀粒子的自旋

粒子還有另一種屬性——自旋。微觀粒子一個七、微觀粒子的荷電量

微觀粒子的荷電量是微觀粒子的重要屬性。以電子最荷為單位，質(zhì)子帶電為+1，電子、繆子和陶子帶電為-1，中子、膠子、引力子、希格斯粒子和中微子不帶電，上夸克、粲夸克和頂夸克帶電+2/3，下夸克、奇異夸克和底夸克帶電－1/3。七、微觀粒子的荷電量

微觀粒子的荷電量是微觀粒子的重要屬八、微觀粒子具有波粒二象性

微觀世界的粒子具有雙重性——粒子性和波動性，所有微觀粒子都有波動微粒二象性。例如，電子束和中子束不但有粒子性，而且，具有波動性，在一定條件下都可以形成衍射圖像。衍射是波動的特有現(xiàn)象。八、微觀粒子具有波粒二象性

微觀世界的粒子具有雙重性——粒子九、守恒律和對稱性

物質(zhì)是不斷運動和變化的。在變化中也有些東西不變，即守恒。粒子的產(chǎn)生和衰變過程都要遵循能量守恒定律。自然界許多圖像表現(xiàn)了某種對稱性，物理規(guī)律也有這種對稱性。1956年，李政道、楊振寧根據(jù)某些實驗的跡象大膽提出在弱作用下宇稱可以不守恒，后來被β衰變左右不對稱實驗所證實。

對稱性還包括時間反演、粒子與反粒子變換等。實驗上也發(fā)現(xiàn)了粒子、反粒子變換與宇稱聯(lián)合反演對稱性(CP對稱性)在弱作用下同樣可以被破壞，但其原因尚不清楚，是粒子物理學(xué)家正在研究的一個重要課題。九、守恒律和對稱性

物質(zhì)是不斷運動和變化的。在變化中也有些十、粒子物理面臨的挑戰(zhàn)

20世紀60年代以來，粒子物理學(xué)有很大進展，但仍有許多根本問題需要解決。如：為什么看不見夸克？夸克和輕子有沒有結(jié)構(gòu)?難道它們是最根本的嗎?標準模型預(yù)言的希格斯粒H子為什么至今尚未發(fā)現(xiàn)?弱作用下粒子反粒子變換—宇稱聯(lián)合反演對稱性〔CP)破壞的來源是什么?這些問題都是今后粒子物理要研究的課題。標準模型仍存在著問題，人們希望能在理論和實驗上取得新的結(jié)果，使標準模型有所突破。物理學(xué)的根底是實驗，因此，人們寄希望于未來的超高能和高亮度加速器。十、粒子物理面臨的挑戰(zhàn)

20世紀60年代以來，粒子物理學(xué)有第五節(jié)粒子探測器和粒子加速器研究微觀粒子離不開粒子探測器和粒子加速器，這一節(jié)我們就來介紹粒子探測器和粒子加速器。第五節(jié)粒子探測器和粒子加速器研究微觀粒子離不開粒子探測器一、粒子探測器粒子探測器主要用來探測天然放射性物質(zhì)、宇宙射線和其它微觀粒子。宇宙射線是來自宇宙深處的各種高能射線的總稱，實際上是存在于宇宙空間的各種高能粒子。常用的粒子探測器有：

1、威爾孫云室

2、照像乳膠

3、氣泡室

4、多絲正比室

5、硅微條探測器一、粒子探測器粒子探測器主要用來探測天然放射性物質(zhì)、宇宙射二、粒子加速器我們知道，許多粒子如電子、質(zhì)子、α粒子等等都是帶電的，它們可在電磁場中被加速而獲得很高的能量。這種能夠使帶電粒子在電磁場作用下加速并獲得很高能量的機器就是粒子加速器。粒子加速器按帶電粒子所走的軌跡來分，有直線型、圓型和螺旋型；按加速器所利用的電場分類，有直流高壓電場加速、有高頻諧振電場加速和磁場變化所產(chǎn)生的感應(yīng)電場加速等等；按被加速的帶電粒子種類來分，那么有電子、質(zhì)子、氘核和各種重元素離子加速器。二、粒子加速器我們知道，許多粒子如電子、質(zhì)子、α粒子等等粒子加速器主要由3局部組成：

(1)帶電粒子源，如電子槍和離子源等，是粒子加速器的源頭，用以提供所需的各種帶電粒子。

(2)真空加速系統(tǒng)，是裝有加速電場產(chǎn)生機構(gòu)的真空室，如加速管、加速槍等，用以向帶電粒子施加一定形態(tài)的加速電場，同時保證帶電粒子在加速的過程中不至于受到空氣分子碰撞的影響。

(3)帶電粒子束的導(dǎo)引和聚焦系統(tǒng)，應(yīng)用某種形式的電磁場來引導(dǎo)和約束被加速的粒子束，使之沿著既定軌道加速和前進。粒子加速器主要由3局部組成：

(1)帶電粒子源，如電子槍和離我國用在根底研究的粒子加速器的典型代表是北京正－負電子對撞機(BEPC)和國家同步輻射實驗室(NSRF).北京正－負電子對撞機(BEPC),是國際上在該能區(qū)工作的最先進的粒子探測器之一,主要用在高能物理實驗并兼顧同步輻射應(yīng)用,最正確時每年正常運行時間平均約為5500h,運行效率可達95%.運行十年來,獲得的物理結(jié)果受到國際上的關(guān)注。在高能物理實驗方面,如τ輕子質(zhì)量的測量精度提高了10倍，膠子球候選者(2230)粒子確實認和新的衰變道的發(fā)現(xiàn)及研究,粲介子DS衰變的研究,J／ψ粒子共振參數(shù)的測定等方面都取得了令人矚目的結(jié)果。我國用在根底研究的粒子加速器的典型代表是北京正－負電子對撞機北京正負電子對撞機的電子束流輸運線。

北京正負電子對撞機的電子束流輸運線。

《現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)導(dǎo)論(第四版)》電子教案-第1篇第4章宇宙的結(jié)構(gòu)層次和物質(zhì)課件第四章宇宙的結(jié)構(gòu)層次和物質(zhì)的根本單元作者宗世哲第四章宇宙的結(jié)構(gòu)層次和物質(zhì)的根本單元作者宗世哲宇宙是物質(zhì)的。宇宙的結(jié)構(gòu)層次是怎么樣的？構(gòu)成物質(zhì)的根本單元是什么？這是自然科學(xué)中的重大根本問題。從亙古開始，人類就開始探索，至今，人們?nèi)栽诓煌５匮芯?，從來沒有停止過。現(xiàn)在人們按照空間尺度和質(zhì)量大小，粗略地把世界分為宇觀、宏觀和微觀三個層次。從研究晶體開始，經(jīng)過了分子、原子、核、核子和介子、一直到夸克這樣一個連續(xù)的研究過程，人們的認識逐漸深化，現(xiàn)在確信構(gòu)成物質(zhì)的根本單元是夸克、輕子和傳播子。引言宇宙是物質(zhì)的。宇宙的結(jié)構(gòu)層次是怎么樣的？構(gòu)成物質(zhì)的根本單元第一節(jié)宇宙的宇觀、宏觀和微觀三個層次宇宙按其空間尺度和質(zhì)量大小可分為宇觀、宏

觀和微觀三個層次。一、微觀層次：通常又分為粒子亞原子和原子分子兩個層次。二、宏觀層次：宏觀物質(zhì)是由大量原子分子形成的凝聚體系，其穩(wěn)定條件，是電子受原子核的為庫侖吸引與電子之間因泡利不相容而有的排斥之間的平衡。三、宇觀層次：宇觀與宏觀之間也沒有明顯界限。從與宏觀層次相接的阿波羅神小行星附近開始，經(jīng)過行星、恒星、星系、星系團、超級星系，直到可觀測的宇宙，構(gòu)成一個系列。第一節(jié)宇宙的宇觀、宏觀和微觀三個層次宇宙按其空間尺度和質(zhì)第二節(jié)古代人和早期的物質(zhì)觀世界萬物是由什么構(gòu)成的?構(gòu)成物質(zhì)的根本單元是什么？或者說它有最小結(jié)構(gòu)嗎?如果有，那是什么呢?古代，人們是如何看的？現(xiàn)代科學(xué)家對這個問題研究到什么程度，是怎么樣認識的?第二節(jié)古代人和早期的物質(zhì)觀世界萬物是由什么構(gòu)成的?構(gòu)早在周代，我們的祖先就提出了五行說，認為萬物都是由金、木、水、火、土這五種物質(zhì)原料構(gòu)成。早在周代，我們的祖先就提出了五行說，認為萬物都是由金、木、水?周易?中有“太極生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦〞的哲學(xué)思想。?周易?中有“太極生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦〞的哲學(xué)思想大約在公元前400多年，古希臘哲學(xué)家德謨克利特把構(gòu)成物質(zhì)的最小單元叫做“原子〞，認為宇宙萬物乃至靈魂都是由這種不可分割的原子構(gòu)成的。大約在公元前400多年，古希臘哲學(xué)家德謨克利特把構(gòu)成物質(zhì)的最古代思想家和哲學(xué)家對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認識，只是靠思辯和猜測，他們沒有想到或沒有條件用實驗去檢驗他們的假說，也沒有用這些假說所預(yù)言的情況來驗證假說本身。因此，古代人關(guān)于物質(zhì)根源的假說，只能當(dāng)作近代科學(xué)研究的一種背景，而不能視為科學(xué)真諦。真正對物質(zhì)構(gòu)成進行科學(xué)的研究和解釋，是從17世紀開始的。古代思想家和哲學(xué)家對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認識，只是靠思辯和猜測，他們沒1661年，英國科學(xué)家玻意耳(R.Boyle1627-1691)提出了化學(xué)元素概念，為科學(xué)地研究化學(xué)奠定了根底。1661年，英國科學(xué)家玻意耳(R.Boyle1627-161803年，英國化學(xué)家和物理學(xué)家道爾頓用原子的觀念說明化合物的組成及其所服從的定量規(guī)律，并通過實驗來測量不同元素的原子質(zhì)量之比。這種始于化學(xué)的原子假說叫做“化學(xué)原子論〞。1803年，英國化學(xué)家和物理學(xué)家道爾頓用原子的觀念說明化合物1811年，意大利科學(xué)家阿伏加德羅提出了分子假說，彌補了道爾頓原子學(xué)說中無視了原子和分子區(qū)別的缺陷，兩者結(jié)合成為“原子—分子學(xué)說〞。1811年，意大利科學(xué)家阿伏加德羅提出了分子假說，彌補了道爾1869年，俄國科學(xué)家門捷列夫(Д.И.МеНделеев1834-1907)發(fā)現(xiàn)了元素的周期性遞變規(guī)律制成了元素周期表，這在人類認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)的進程中，是一個重大的成就。1869年，俄國科學(xué)家門捷列夫(Д.И.МеНделеев第三節(jié)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的根本單元很久以來,人們一直在探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的根本單元，最初把元素的最小單元-原子-看作不可分的，是各種物質(zhì)結(jié)構(gòu)的根本單元。20世紀初期,認識到原子是由原子核和電子構(gòu)成的,1932年中子被發(fā)現(xiàn)以后,進一步認識到原子核還有內(nèi)部結(jié)構(gòu),是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的。這以后，人們發(fā)現(xiàn)，原來看作是根本粒子不再是根本的了。1964年，蓋爾曼提出了夸克模型，認為強子，包括質(zhì)子和中子，都是由夸克組成的。第三節(jié)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的根本單元很久以來,人們一直在探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)一、第一個粒子—電子的發(fā)現(xiàn)1897年，湯姆孫(J.J.Thomson1856—1940)根據(jù)帶電粒子在電場和磁場中的運動規(guī)律，利用陰極射線管測量了陰極射線粒子速度以及該粒子的荷質(zhì)比。這樣就完全弄清了陰極射線粒子的存在和性質(zhì)，湯姆孫稱這種粒子為“微粒〞，把它所帶的電荷稱為“電子〞。后來，人們把陰極射線粒子本身稱為“電子〞。一、第一個粒子—電子的發(fā)現(xiàn)1897年，湯姆孫(J.J.Tho二、質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)1909年~1911年，英國物理學(xué)家盧瑟福〔E.Rutherford,1871-1937〕用一束α粒子轟擊金箔，發(fā)現(xiàn)有大角度散射，因而提出原子的有核模型，認為原子是由非常小的原子和核外電子組成，原子核集中了原子的全部正電荷和絕大局部質(zhì)量，盧瑟福將之命名為質(zhì)子。二、質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)1909年~1911年，英國物理學(xué)家盧瑟?！踩⒅凶拥陌l(fā)現(xiàn)盧瑟福的一位學(xué)生查德威克(J.Chadwick1891—1974年)就在卡文迪許實驗室里尋找電中性粒子。1932年，見到德國和法國同行的實驗結(jié)果后，查德威克意識到這種新射線很可能就是多年來苦苦尋找的中子。他立即著手實驗，花了不到一個月的時間，就發(fā)表了“中子可能存在〞的論文。三、中子的發(fā)現(xiàn)盧瑟福的一位學(xué)生查德威克(J.Chadwic四、反粒子—正電子的發(fā)現(xiàn)中子發(fā)現(xiàn)不久，安德遜〔C.D.Anderson，1905-〕通過觀測云室照片,發(fā)現(xiàn)了正電子e+，正電子的發(fā)現(xiàn)具有十分重要的意義，它是人類認識反粒子的開端。正反粒子相互作用的重要特征是它們碰撞時顯現(xiàn)湮滅，生成相加量子數(shù)為零的態(tài)。四、反粒子—正電子的發(fā)現(xiàn)中子發(fā)現(xiàn)不久，安德遜〔C.D.A五、原子核結(jié)構(gòu)模型與π介子的發(fā)現(xiàn)1947年，英國物理學(xué)家鮑威爾(C.F.Powell,1903-1969年)用乳膠研究宇宙射線終于發(fā)現(xiàn)了π介子,其質(zhì)量是電子的273倍。經(jīng)反復(fù)檢測，確定是湯川秀樹所預(yù)言的介子，被命名為π介子。人們發(fā)現(xiàn)，以π介子傳遞方式產(chǎn)生的相互作用具有這樣的特點：強度極大、獨立于電荷、作用距離和作用時間均極短。這種相互作用被稱為強相互作用。五、原子核結(jié)構(gòu)模型與π介子的發(fā)現(xiàn)1947年，英國物理學(xué)家鮑六、第一代“根本粒子〞湯川秀樹的理論被確立之后，原子核內(nèi)相互作用的理論研究開始活潑起來。π介子發(fā)現(xiàn)以后,許多物理學(xué)家認為,組成物質(zhì)的根本單元〔稱為第一代根本粒子〕都找到了。物理學(xué)家立即認識到原子核由質(zhì)子p和中子n組成，通常就把質(zhì)子和中子稱為核子。核子由比電磁相互作用〔電磁力〕更強的相互作用——核相互作用〔核力〕結(jié)合成原子核，否那么，原子核就會因為帶正電荷的質(zhì)子間的斥力而崩解。核力就是強相互作用力。核力僅在原子核線度〔約10-13cm〕范圍內(nèi)呈現(xiàn)，它是短程力，粗略地說，核力是一種強吸引的短程力。六、第一代“根本粒子〞湯川秀樹的理論被確立之后，原子核內(nèi)相七、夸克模型1964年，蓋爾曼〔M.Gell－Mann,1929-〕和茲瓦格〔G.Zweig〕分別獨立提出了形象的、易于理解的強子結(jié)構(gòu)模型—夸克模型,該模型認為“強子是由三個更根本的粒子(現(xiàn)記為上夸克、下夸克、奇異夸克)組成〞。七、夸克模型1964年，蓋爾曼〔M.Gell－Mann,八、物質(zhì)的根本單元在70年代建立起來的描述強力、電磁力和弱力的標準模型中，是把夸克和輕子放在同一物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次上來看待的。在這個層次上，構(gòu)成物質(zhì)的根本單元只有如下幾種根本粒子：

①六種輕子:電子、繆子、陶子、電子中微子、繆子中微子、陶子中微子；

②六種夸克：上夸克、下夸克、粲夸克、奇異夸克、頂夸克、底夸克；

③五種傳播子：光子、帶電中間玻色子、中性中間玻色子、膠子、引力子；

④希格斯粒子。八、物質(zhì)的根本單元在70年代建立起來的描述強力、電磁力和第四節(jié)微觀粒子的性質(zhì)一、參與四種根本的相互作用

1、萬有引力

2、電磁相互作用力

3、弱相互作用力

4、強相互作用力第四節(jié)微觀粒子的性質(zhì)一、參與四種根本的相互作用

1、萬二、微觀粒子的尺度

一些粒子要比原子、分子小得多，用現(xiàn)有最高倍的電子顯微鏡也不能觀察到。原子的尺度為10-8cm，質(zhì)子、中子的尺度為10-13cm，也就是說，只有原子的十萬分之一。輕子和夸克的尺寸更小，都小于10-17cm，即不到質(zhì)子、中子的萬分之一。二、微觀粒子的尺度

一些粒子要比原子、分子小得多，用現(xiàn)有最三、微觀粒子的質(zhì)量

微觀粒子的質(zhì)量是粒子的主要特征量。現(xiàn)有的粒子質(zhì)量范圍很大從0到90GeV。光子、膠子是無靜止質(zhì)量的；電子質(zhì)量很小，只有0.5MeV；π介子質(zhì)量為電子質(zhì)量的280倍；質(zhì)子、中子都很重，接近電子質(zhì)量的2000倍，約為1GeV；最重的粒子是Z0，其質(zhì)量為90GeV。三、微觀粒子的質(zhì)量

微觀粒子的質(zhì)量是粒子的主要特征量?，F(xiàn)有的四、微觀粒子的壽命

粒子的壽命也不盡相同。從質(zhì)子和中子這個物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次來看，微觀粒子數(shù)目多達幾百種。在這幾百種粒子當(dāng)中，只有電子、質(zhì)子、中微子和光子及其各自的反粒子的壽命長，它們被稱為穩(wěn)定粒子，也叫“長壽命〞粒子〞，而其他絕大多數(shù)的粒子是不穩(wěn)定的粒子。不穩(wěn)定的意思是指這些粒子存在的時間很短四、微觀粒子的壽命

粒子的壽命也不盡相同。從質(zhì)子和中子這個物五、正、反粒子對稱

1932年發(fā)現(xiàn)了一個與電子質(zhì)量相同但帶一個正電荷的粒子，稱為正電子。從大量實驗測量和理論分析中得知：每一個粒子都有相應(yīng)的反粒子。反粒子的反粒子就是它的本身。有些電中性的粒子，如光子，是它們自已的反粒子。五、正、反粒子對稱

1932年發(fā)現(xiàn)了一個與電子質(zhì)量相同但帶一六、微觀粒子的自旋

粒子還有另一種屬性——自旋。微觀粒子一個非常重要的區(qū)別是它們的自旋角動量〔簡單地稱之為自旋〕不同。自旋是在數(shù)值上描述粒子繞自己的軸旋轉(zhuǎn)的快慢。六、微觀粒子的自旋

粒子還有另一種屬性——自旋。微觀粒子一個七、微觀粒子的荷電量

微觀粒子的荷電量是微觀粒子的重要屬性。以電子最荷為單位，質(zhì)子帶電為+1，電子、繆子和陶子帶電為-1，中子、膠子、引力子、希格斯粒子和中微子不帶電，上夸克、粲夸克和頂夸克帶電+2/3，下夸克、奇異夸克和底夸克帶電－1/3。七、微觀粒子的荷電量

微觀粒子的荷電量是微觀粒子的重要屬八、微觀粒子具有波粒二象性

微觀世界的粒子具有雙重性——粒子性和波動性，所有微觀粒子都有波動微粒二象性。例如，電子束和中子束不但有粒子性，而且，具有波動性，在一定條件下都可以形成衍射圖像。衍射是波動的特有現(xiàn)象。八、微觀粒子具有波粒二象性

微觀世界的粒子具有雙重性——粒子九、守恒律和對稱性

物質(zhì)是不斷運動和變化的。在變化中也有些東西不變，即守恒。粒子的產(chǎn)生和衰變過程都要遵循能量守恒定律。自然界許多圖像表現(xiàn)了某種對稱性，物理規(guī)律也有這種對稱性。1956年，李政道、楊振寧根據(jù)某些實驗的跡象大膽提出在弱作用下宇稱可以不守恒，后來被β衰變左右不對稱實驗所證實。

對稱性還包括時間反演、粒子與反粒子變換等。實驗上也發(fā)現(xiàn)了粒子、反粒子變換與宇稱聯(lián)合反演對稱性(CP對稱性)在弱作用下同樣可以被破壞，但其原因尚不清楚，是粒子物理學(xué)家正在研究的一個重要課題。九、守恒律和對稱性

物質(zhì)是不斷運動和變化的。在變化中也有些十、粒子物理面臨的挑戰(zhàn)

20世紀60年代以來，粒子物理學(xué)有很大進展，但仍有許多根本問題需要解決。如：為什么看不見夸克？夸克和輕子有沒有結(jié)構(gòu)?難道它們是最根本的嗎?標準模型預(yù)言的希格斯粒H子為什么至今尚未發(fā)現(xiàn)?弱作用下