物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)(1)

1、第二章現(xiàn)代自然科學(xué)的幾個基本問題第一節(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；原子在無限的虛空中的各個方向上運動，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 化學(xué)元素周期律 1869年門捷列夫發(fā)現(xiàn)周期律 實現(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、簡單的物質(zhì)，而

2、且是化學(xué)方法不能再分解的實物?！霸邮菂⒓踊瘜W(xué)反應(yīng)的最小粒子，分子是能獨立存在的最小粒子?！卑l(fā)現(xiàn)了大量元素，同時揭示了物質(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)此有計劃、有目的的去探尋新元素；可以矯正以前測得的原子量 ；使人類在認(rèn)識物質(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) ，湯姆遜陰極射線實驗，發(fā)現(xiàn)電子，打破原子不可再分，葡萄干面包模型。 ，盧瑟福粒子散射實驗，確立原子核式結(jié)構(gòu)模型，證實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間。電子、質(zhì)子、中微子等穩(wěn)定，其他都會或長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。每個粒子都有自旋運動。用粒子半徑表示。原子為，質(zhì)子半徑為。粒子都是配對的。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)通過電磁相互作用衰變，由狀態(tài)下都要衰變。少數(shù)通過電磁相互作用衰變，有些通過弱相互作用衰變，絕大多數(shù)通過強(qiáng)相互作有些通過弱相互作用衰變，絕大多數(shù)通過強(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)相互作用時膠子確實存在并起作用。迄今還沒發(fā)現(xiàn)自由作用時膠子確實存在并起作用。迄今還沒發(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，共計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“無色無色”的的,所以每個強(qiáng)子由所以每個強(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夸克間的相互作用通過交換膠子交換膠子來實現(xiàn)；膠子來實現(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。夸克所帶電荷的大小決定的。 (4) 在強(qiáng)子中，重子由在強(qiáng)子中，重子由3個夸克組成，介子由個夸克組成，介子由1個夸個夸克和克和1個反夸克組成。強(qiáng)子內(nèi)部除了夸克和反夸克還個反夸克組成。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為膠子。克又可湮沒為膠子。 (5) “夸克禁閉夸克禁閉”：夸克間的色作用當(dāng)距離減小時，：夸克間的色作用當(dāng)距離減小時，作用很弱，是近乎自由的，而當(dāng)距離增大時，作用增作用很弱，是近乎自由的，而當(dāng)距離增大時，作用增強(qiáng)，因此要想把夸克拉開到分成單個

9、夸克，能量大到強(qiáng)，因此要想把夸克拉開到分成單個夸克，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)合粒子的說法是正確的。正確的?？臻g平移對稱動量守恒 空間旋轉(zhuǎn)對稱角動量守恒空間鏡像對稱宇稱守恒時間平移對稱能量守恒電磁規(guī)范對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時處處都在發(fā)生的。如：電子遇上正電子，同時消亡轉(zhuǎn)化為光子；而高能光子在原子核的庫侖場中又可以轉(zhuǎn)化為一對電子和正電子。當(dāng)質(zhì)子遇上反質(zhì)子，同時消亡轉(zhuǎn)化為介子等。對稱與守恒定律守恒定律具有普遍意

10、義的根源在于時間、空間等物質(zhì)存在形式的各向同性性及均勻性，對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)電子對撞機(jī)（），高能加速北京正負(fù)電子對撞機(jī)（），高能加速器的一種，是研究核物理、高能物理、認(rèn)識微器的一種，是研究核物理、高能物理、認(rèn)識微觀世界的一個重要手段。觀世界的一個重要手段。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” 注入注入器是一臺長器是一臺長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” 儲存環(huán)。圖為儲存環(huán)。儲存環(huán)儲存環(huán)。圖為儲存環(huán)。儲存環(huán)是一臺跑道型的環(huán)形加速器，中心軌道周長是一臺跑道型的環(huán)形加速器，中心軌道周長240.4240.4米。米。世界上第一臺對撞機(jī)意大利1962AdA1999美國重離子對撞機(jī)在歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)LHC隧道27公里。國際直線對撞機(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，電子在儲存環(huán)中作曲線運動時沿切線方向在加速器中，電子在儲存環(huán)中作

12、曲線運動時沿切線方向向前發(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)核輻射檢測技術(shù)核輻射檢測技術(shù)核能技術(shù)核能技術(shù) 隨著人們認(rèn)識到物質(zhì)最小構(gòu)成單隨著人們認(rèn)識到物質(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，輕子和夸克能否還可分？人們不禁要問，輕子和夸克能否還可分？物質(zhì)最小構(gòu)成單元是什么？有沒有真正物質(zhì)最小構(gòu)成單元是什么