近代物理學(xué)第二課物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)

近代物理學(xué)第二課物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)第一頁，共五十頁，2022年，8月28日第二課：物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)本章內(nèi)容：1.物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)層次2.物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)各層次的基本特征3.單位和物理常量4.歷史回顧第二頁，共五十頁，2022年，8月28日物質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次按其基元存在的空間尺度來分可分為：

宇觀宏觀微觀1.物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)層次物理學(xué)研究對象第三頁，共五十頁，2022年，8月28日物質(zhì)機(jī)構(gòu)的微觀層次第一層次：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)主要由分子結(jié)構(gòu)決定，分子由若干個原子通過化學(xué)鍵結(jié)合而成。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。第三層次：原子核質(zhì)子和中子第四層次：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。1.物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)層次第四頁，共五十頁，2022年，8月28日宏觀原子團(tuán)簇0.1nm-1nm納米微粒1nm-100nm介觀系統(tǒng)10-6m-10-7m1.物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)層次物質(zhì)宏觀和微觀兩個大層次之間并不是界限分明的。微觀表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、幻數(shù)結(jié)構(gòu)等?？刹捎煤暧^手段測量，但結(jié)果反映的是載流子的量子力學(xué)特性。第五頁，共五十頁，2022年，8月28日空間尺度相互作用類型結(jié)合能2.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？第六頁，共五十頁，2022年，8月28日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)鏈及個層次的空間尺度nmtmesdutcbnent分子原子原子核質(zhì)子中子10-4~10-9m10-10m10-14m10-15m＜10-19m第七頁，共五十頁，2022年，8月28日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)鏈及個層次的相互作用類型粒子間的相互作用引力相互作用電磁相互作用弱相互作用：粒子衰變過程10-19m強(qiáng)相互作用：核子之間夸克之間（色相互作用）

10-15m強(qiáng)子輕子原子分子層次通常忽略作用強(qiáng)度之比：10-39:10-5:10-2:1第八頁，共五十頁，2022年，8月28日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)鏈及個層次的相互作用類型第九頁，共五十頁，2022年，8月28日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)鏈各層次起支配作用的相互作用第十頁，共五十頁，2022年，8月28日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)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。1.分子內(nèi)原子間的結(jié)合能：幾個eV2.原子內(nèi)外層電子和內(nèi)層電子的結(jié)合能：eV~keV3.原子核內(nèi)核子的平均結(jié)合能：MeV4.核子夸克間的平均結(jié)合能：

無窮大，到目前為止沒有發(fā)現(xiàn)自由的夸克。第十一頁，共五十頁，2022年，8月28日3.單位和物理常量3.1單位國際單位制中的七個基本單位：

長度（m，米）

質(zhì)量（kg，千克）

時間（s，秒）

電流（A，安培）

熱力學(xué)溫度（K，開爾文）

物質(zhì)的量（mol，摩爾）

發(fā)光強(qiáng)度（cd，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，他們的單位稱為導(dǎo)出單位。如：SI中能量和功的單位為J，或采用SI允許的電子伏（eV）為單位。1eV=1.60×10-19J第十二頁，共五十頁，2022年，8月28日3.單位和物理常量縱觀宇宙之大（約1026m），夸克和輕子之小（＜10-19m），數(shù)量級相差1045倍之多。為了表示方便，可選用相應(yīng)的10進(jìn)制倍數(shù)度量單位。

1nm=10-9m1keV=103eV1fm=10-15m原子核中每個核子的平均結(jié)合能為MeV量級。核物理中，100MeV下為低能，100MeV-3GeV為中能，3GeV以上為高能。第十三頁，共五十頁，2022年，8月28日3.單位和物理常量3.2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的量，它們的數(shù)值必須用實(shí)驗(yàn)來測定。其中，前七個為基本原子常量（不包括G）第十四頁，共五十頁，2022年，8月28日3.單位和物理常量*1.c出現(xiàn)在相對論中，是時空關(guān)系的基本常量。物理現(xiàn)象處于相對論高速范圍的標(biāo)志是粒子的速度v與光速c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。物理現(xiàn)象處于微觀范圍的標(biāo)志是h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e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，G是表征引力相互作用的特征常量。第十五頁，共五十頁，2022年，8月28日3.單位和物理常量*5.memp

在量子物理中，質(zhì)量的起源仍是一個探討中的問題，所以粒子的質(zhì)量是重要的基本常量，對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。*6.NA和kB是聯(lián)系微觀和宏觀的兩個基本常量。第十六頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史物質(zhì)的本體是什么？陰陽？五行？元素？原子？第十七頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史物質(zhì)是不是無限可分的？！甲方：1.公元前5世紀(jì)，希臘哲學(xué)家德謨克利特等人認(rèn)為：萬物是由大量的不可分割的微粒構(gòu)成的，這種微粒即原子。2.惠施：至大無外，謂之大一；至小無內(nèi)，謂之小一3.墨翟：體之無序而最前者也。乙方：1.亞里士多德、阿那薩古拉：物質(zhì)可以無限可分。2.公孫龍：一尺之錘，日取其半，萬世不竭。第十八頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史1.原子的認(rèn)知直到公元19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。并得到了越來越多的證明。19世紀(jì)初，法國的普魯斯托和英國的道爾頓相繼發(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定律，倍比定律。1807年，道爾頓提出近代原子學(xué)說，指出如果一種元素是由相同質(zhì)量的微粒-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所構(gòu)成的分子組成，則上述定律可以得到合理的解釋。第十九頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史1802年，蓋呂薩克發(fā)現(xiàn)氣體化合時，各氣體的體積成簡比。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。對于以上定律，原子論均可以解釋，因而獲得了越來越多的支持。并且被逐步應(yīng)用到壓強(qiáng)、溫度、比熱能概念的解釋中。第二十頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史1826年夏天，著名的植物學(xué)家羅伯特·布朗正在探討花粉在植物受精過程中的功能。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。“咦！這些微粒怎么全在顫抖、運(yùn)動？”布朗對這一現(xiàn)象迷惑不解。第二十一頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識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，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?！捌渌⒘Ｒ材馨l(fā)生這種現(xiàn)象嗎？”布朗產(chǎn)生了這樣的疑問。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。他又把可以取得的有機(jī)物都作為觀察的對象，結(jié)果還是一樣。這使布朗十分興奮?！坝袡C(jī)物是這樣，那無機(jī)物也不會例外吧？”布朗推想著。第二十二頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史他把玻璃片弄碎，把一些巖石磨成細(xì)粉，又取來石墨等，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章地運(yùn)動著。布朗的發(fā)現(xiàn)震動了科學(xué)界，微粒在水中的運(yùn)動被稱為“布朗運(yùn)動”。布朗認(rèn)為是微粒受到來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)。第二十三頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史1905年，愛因斯坦對布朗運(yùn)動做了精確的理論分析，他從分子做無規(guī)則熱運(yùn)動出發(fā)，推出了半徑一定的布朗微粒在一定時間間隔內(nèi)沿水平方向位移的平均值與時間間隔成正比的理論。1907年，法國人佩林對布朗微粒的運(yùn)動作了定量的測量和研究。從實(shí)驗(yàn)上測定了比例系數(shù)，得到的結(jié)果與其他方法得到的數(shù)據(jù)相吻合。佩林所做的關(guān)于布朗運(yùn)動的實(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1926年諾貝爾物理學(xué)獎。但事實(shí)上，他并沒有直接觀察到原子或分子的存在。第二十四頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史直到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，才使人們第一次能夠?qū)崟r的觀察到物質(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)行了單個原子的搬遷。第二十五頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史在物質(zhì)的不連續(xù)結(jié)構(gòu)日益得到證實(shí)的同時，電荷的不連續(xù)結(jié)構(gòu)概念也相應(yīng)形成。1833年，法拉第提出了電解定律，這個定律使人們認(rèn)識到不僅物質(zhì)結(jié)構(gòu)，而且電荷結(jié)構(gòu)中也存在著不連續(xù)基元。①當(dāng)電流通過電解質(zhì)溶液時，在電極（即相界面）上發(fā)生化學(xué)變化物質(zhì)B的物質(zhì)的量與通入的電量成正比。②若幾個電解池串聯(lián)通入一定的電量后，各個電極上發(fā)生化學(xué)變化物質(zhì)B的物質(zhì)的量相同。第二十六頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史1897年，湯姆孫在研究陰極射線過程中，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簡單而不可分割的基元。恰恰相反，它可能是一個復(fù)雜系統(tǒng)，并意識到陰極射線的電子歸根結(jié)底來自于原子，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1900年左右開始，人們就著手建造一個由帶點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的并能說明原子的物理和化學(xué)性質(zhì)的原子模型。第二十七頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史1909年，盧瑟福和蓋革、馬斯頓，用氦核轟擊厚度為10-6米的金箔(α散射實(shí)驗(yàn))。起初蓋革什么現(xiàn)象也沒看到，盧瑟福告訴他要仔細(xì)觀察：“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?！苯Y(jié)果，實(shí)驗(yàn)測得散射角大于90°的比例約為1/8000。根據(jù)湯姆遜模型，α粒子的大角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)果和模型明顯不符。盧瑟福說:“猶如一發(fā)15寸的炮彈去轟一張薄紙，而炮彈卻掉過頭來擊中你自己一樣?！钡诙隧?，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史為了解決這一矛盾，盧瑟福放棄比湯姆遜模型，于1911年發(fā)表了《物質(zhì)的α粒子和β粒子的散射和原子結(jié)構(gòu)》的論文，提出原子的有核模型。在論文中他寫到：“經(jīng)過思考，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)算時看到，除非采取一個原子的大部分質(zhì)量集中在一個微小的核內(nèi)的系統(tǒng)，是無法得到數(shù)量級的任何結(jié)果的，這就使我后來提出原子具有很小而質(zhì)量很大的核心的想法?！钡诙彭?，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識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倫引力結(jié)合成的一個束縛體系。然而，按經(jīng)典理論電子繞核旋轉(zhuǎn)，作加速運(yùn)動，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。此外，電子軌道及轉(zhuǎn)動頻率不斷變化，輻射電磁波頻率也是連續(xù)的，原子光譜應(yīng)是連續(xù)的光譜。實(shí)驗(yàn)測得原子光譜是不連續(xù)的譜線。+第三十頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史為了解釋上述問題，盧瑟福的一個學(xué)生——丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾(NilesBohr)在盧瑟福的“行星模型”的基礎(chǔ)之上于1913年提出了原子的量子理論，即“玻爾模型”。第三十一頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史1912年8月1日，玻爾和瑪格麗特在離哥本哈根不遠(yuǎn)的一個小鎮(zhèn)上結(jié)婚，隨后他們前往英國展開蜜月。當(dāng)然，有一個人是萬萬不能忘記拜訪的，那就是玻爾家最好的朋友之一，盧瑟福教授。雖然是在蜜月期，原子和量子的圖景仍然沒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満螅阋园俜种俚臒崆橥度氲竭@一工作中去。揭開原子內(nèi)部的奧秘，這一夢想具有太大的誘惑力，令玻爾完全無法抗拒。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。第三十二頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史1913年初，年輕的丹麥人漢森(HansMariusHansen)請教玻爾，在他那量子化的原子模型里如何解釋原子的光譜線問題。對于這個問題，玻爾之前并沒有太多地考慮過，原子光譜對他來說是陌生和復(fù)雜的，成千條譜線和種種奇怪的效應(yīng)在他看來太雜亂無章，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。他敦促玻爾關(guān)心一下巴爾末的工作。第三十三頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史1913年2月玻爾注意到德國物理學(xué)家斯塔克(J.Stark)在《原子動力學(xué)原理》一書中的一段話：“一個光譜的全部譜線是由單獨(dú)一個電子造成的，是在這個電子從一個（幾乎）完全分離的狀態(tài)逐次向勢能最小的狀態(tài)躍遷過程中輻射出來的?！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。玻爾曾說過：“我一看到巴爾末公式，整個情形就一下子弄清楚了?！?913年3月、6月、9月，分別寫出了《原子構(gòu)造和分子構(gòu)造（1）（2）（3）》三篇論文（人稱“三部曲”），提出了定態(tài)躍遷的原子模型。第三十四頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史玻爾理論后經(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。1920年索末菲又引入了第四個量子數(shù)。這第四個量子數(shù)直到1925年才被科學(xué)家弄清楚，原來是繞核旋轉(zhuǎn)的電子的自旋量子數(shù)。1925年泡利在研究四個量子數(shù)跟原子核外電子排布的關(guān)系時，發(fā)現(xiàn)了泡利不相容原理：在同一原子內(nèi)，在一個原子中不可能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的四個量子數(shù)(n,l,ml,ms)。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)完全建立了起來。第三十五頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史2.原子結(jié)構(gòu)建立起來了，那原子核結(jié)構(gòu)呢？放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1896年，法國物理化學(xué)家貝克勒爾在鈾礦石中發(fā)現(xiàn)了放射現(xiàn)象。射線：帶兩個正電荷的氦核射線：高速運(yùn)動的電子流射線：高能光子流第三十六頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史質(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)室主任的職務(wù)。同年他采用如下裝置利用212Po放出的α粒子去轟擊N原子，實(shí)現(xiàn)了歷史上第一個人工核反應(yīng)。盧瑟福發(fā)現(xiàn)許多元素在α粒子轟擊下都可放射出“帶正電的氫原子”。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1920年將其命名為“質(zhì)子(proton)，符號為p”。第三十七頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史中子：

1920年，盧瑟福提出了中子假說，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“雙子(doublet)”。1930年，德國物理學(xué)家玻特(W.Bothe)和他的學(xué)生貝克爾(H.Becker)發(fā)現(xiàn)，用α粒子轟擊鈹9(9Be)時，會產(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γ射線(實(shí)際上是中子！)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γ光子引起的“康普頓效應(yīng)”。就這樣，玻特和約里奧-居里夫婦都錯過了發(fā)現(xiàn)中子的機(jī)會!第三十八頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史1932年，英國物理學(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1935年Nobel物理獎。第三十九頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史1932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。質(zhì)子(p)和中子(n)統(tǒng)稱為核子(N)。核力是把質(zhì)子和中子糾合在一起，構(gòu)成一個個穩(wěn)定的原子核(也包括不穩(wěn)定的原子核)的強(qiáng)大的束縛力。第四十頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識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？？？第四十一頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史3.標(biāo)準(zhǔn)模型理論1932—1950發(fā)現(xiàn)一大批新粒子如:子、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1964年美國蓋爾曼提出，1969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，同年獲諾貝爾物理獎。第四十二頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史我們已知的基本粒子可以分為兩個家族—夸克(Quarks)和輕子(Leptons)，這兩個家族各有六個成員，構(gòu)成三個世代。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子(Mediator)，用來傳遞粒子之間的交互作用力?，F(xiàn)存的物質(zhì)，主要是由第一世代的基本粒子所組成，而第二第三世代的粒子大多已經(jīng)衰變成為第一代的基本粒子。第四十三頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史夸克20世紀(jì)60年代，美國物理學(xué)家默里·蓋爾曼和G.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——夸克(quark)組成的。它們具有分?jǐn)?shù)電荷，是電子電量的2/3或-1/3倍，自旋為1/2?！翱淇恕币辉~是由默里·蓋爾曼改編自詹姆斯·喬伊斯的小說《芬尼根徹夜祭》(Finnegan‘sWake)中的詩句。第四十四頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史夸克１９６４年，美國物理學(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)為重子和介子都是由夸克組成的。

１９６９年，美國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)了能夠證明上夸克、下夸克和奇異夸克存在的證據(jù)。１９７４年，美國丁肇中實(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１９７６年的諾貝爾物理學(xué)獎。１９７７年，美國萊德曼實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)了底夸克存在的證據(jù)。１９９４年，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了頂夸克。第四十五頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史輕子輕子就是不參與強(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1/2。至今實(shí)驗(yàn)上還沒有發(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。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的輕子包括電子、μ子、τ子三種帶一個單位負(fù)電荷的粒子，分別以e-、μ-、τ-表示，以及它們分別對應(yīng)的電子中微子、μ子中微子、τ子中微子三種不帶電的中微子，分別以νe、νμ、ντ表示。加上以上六種粒子各自的反粒子，共計(jì)12種輕子。第四十六頁，共五十頁，2022年，8月28日4.歷史回顧-人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史輕子１８９７年，英國物理學(xué)家湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，因此榮獲１９０６年諾貝爾物理學(xué)獎。這是人類認(rèn)識的第一個基本粒子，不僅打破了道爾頓的“不可分”的原子，而且打破了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的“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２０世紀(jì)前夕，科學(xué)家面臨著一個完全陌生而又非常奇特的世界。１９５３年，美國物理學(xué)家萊因斯和柯萬一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１９９５年諾貝爾物理學(xué)獎。１９６２年美國哥倫比亞大學(xué)的萊德曼等人，在布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室里，發(fā)出了μ子和μ子型中微子，并且發(fā)現(xiàn)中微子有不同類型，因此獲得了１９８８年諾貝爾物理學(xué)獎。１９７５年，美國物理學(xué)家佩爾等人的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了重輕子即