物理學與現(xiàn)代自然科學

關(guān)于物理學與現(xiàn)代自然科學第1頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三現(xiàn)代新技術(shù)中，最具基礎(chǔ)性的有新能源技術(shù)、新材料、激光、生物技術(shù)等。科學技術(shù)是推動生產(chǎn)力發(fā)展、創(chuàng)造更多更好的產(chǎn)品、提高人類物質(zhì)文化生活的第一要素。

物理學研究的對象是自然界的普遍現(xiàn)象，因此物理學得到的認識是其它學科的基礎(chǔ)。本章將介紹物理學在與之最貼近的科技領(lǐng)域中起的作用，介紹二十世紀的最新成果都建立在相對論和量子力學之上。第2頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三

§6-1物理學與化學

一.化學研究的基本課題從物理的角度,化學的研究課題是:各原子的化學性質(zhì);原子結(jié)合為分子的規(guī)律;各種分子的性能和生成方法。

二.物理學在化學發(fā)展中的的作用

1.物理學在認識原子、分子和化學基本規(guī)律方面的作用化學家用實驗證實原子是組成物質(zhì)的基本單元。分割單質(zhì)得到保持該物質(zhì)性質(zhì)的最小單元原子。第3頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三對物質(zhì)的構(gòu)成，物理學起碼在更深層次點明以下幾個問題：（1）原子還有更深層次的結(jié)構(gòu)。（2）組成原子的粒子起源于宇宙爆炸的最初階段。（3）量子力學從理論上說明穩(wěn)定的原子只有九十幾種，而在此之前只能用化學實驗的方法發(fā)現(xiàn)新原子。（4）原子的核外電子的分布決定了原子的化學性質(zhì)，元素在周期表上的序號與原子的核外電子數(shù)同。最外圍電子分布相同的原子有相似的化學性質(zhì)，構(gòu)成一族元素。而當時，門捷列耶夫是從實驗事實中總結(jié)出元素周期表。

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（5）原子間的結(jié)合力——化學鍵原子與原子的結(jié)合稱為化合，結(jié)合的破裂稱為分解。化合和分解是最基本的化學現(xiàn)象，如果把結(jié)合的本質(zhì)搞清楚了，各種化學現(xiàn)象的本質(zhì)也就清楚了。那為什么原子可相互結(jié)合？靠原子外圍電子的結(jié)合力。結(jié)合力的形式稱為化學鍵。破譯電子的運動秘密的是由薛定諤、海森堡等人建立的量子力學完成的。試著用量子力學解決化學問題，一門新學科量子化學應(yīng)運而生。第5頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三2.物理學在認識外部條件對化學反應(yīng)的影響所起的作用

從物理學角度看,

影響化學反應(yīng)的外部條件可分為兩類①主要用經(jīng)典物理理論就可其作用機理的條件（如光、熱、電流等），在運用經(jīng)典物理知識處理這類問題的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了化學熱力學、電化學、化學動力學、光化學、膠體化學等化學分支學科。通常把應(yīng)用熱力學方法討論化學反應(yīng)和化學平衡的物理化學。第6頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三②必須應(yīng)用量子理論才能認識其作用機理的外部條件，如催化劑在亞原子層次的作用（所謂亞原子層次是指從構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元著眼的層次），酶的作用等,發(fā)展出固體表面催化、功能材料等學科。

三.量子化學

量子化學用量子力學研究分子中化學鍵問題。最早用薛定諤方程計算氫分子。按量子力學，氫原子外圍的電子出現(xiàn)在“電子云”區(qū)域的概率最大，“電子云”的形狀用薛定諤方程的解—波函數(shù)描述。兩個氫原子中的電子云的分布集中在原子核間形成化學鍵，把兩個氫原子核“拉”到一起而穩(wěn)定下來。第7頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三從理論上計算出，破壞氫分子化學鍵的能量是108.8千卡/mol,氫分子中兩原子核間的距離是0.074×10-9nm,與實驗值吻合。

由于薛定諤方程是一個復(fù)雜的微分方程，隨著分子中原子數(shù)目的增加定量計算遇到困難。為此采用多種近似方法。目前迅速發(fā)展的是化學鍵理論中的分子軌道理論。它是從分子整體出發(fā)，用單電子的波函數(shù)描述化學鍵本質(zhì)。計算機的飛速發(fā)展，為量子化學的計算提供了有力工具?；瘜W也從經(jīng)驗性學科向系統(tǒng)的理論的學科發(fā)展。第8頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三

量子力學的發(fā)展使人們的預(yù)見性也加強了，進入到“分子設(shè)計”階段。期待通過理論計算，像設(shè)計房屋那樣，按需求設(shè)計新材料、新藥物。理論表明：物性電學性能：半導性、超導電性等熱學性能：熱傳導等磁學性能：磁性轉(zhuǎn)變溫度等光學性能：吸收光譜等藥物的療效與原子的外層電子運動有關(guān)于是有了高溫超導材料的設(shè)計，性能優(yōu)異的半導體、激光物質(zhì)，設(shè)計新藥物、新農(nóng)藥。第9頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三1965年，量子化學出現(xiàn)了分子軌道對稱守恒原理，使量子化學進入研究化學反應(yīng)的新階段。該理論在解釋和預(yù)示一系列化學反應(yīng)方向上是有力工具。70年代量子化學又用于研究催化劑、生物酶問題。

§6-2物理學與生命科學

生物學是研究生命現(xiàn)象的科學。多少年來,生物學一直是描述性學科,以觀察和認識生物世界的多樣性為主要內(nèi)容,以描述和分類為主要工作。生物的結(jié)構(gòu)、運動方式、生命的物質(zhì)基礎(chǔ)、生物進化的機理、遺傳和生命的本質(zhì)。本章運用物理知識去理解：第10頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三1.生物體從生物學角度看,生物體是由核酸和蛋白質(zhì)等組成的,能通過自組織，實現(xiàn)自我復(fù)制、自我更新的多分子體系，可以參與物理、化學、生命三個層次的運動。

生命活動主要通過蛋白質(zhì)體現(xiàn)。的基本單元是氨基酸。蛋白質(zhì)由20多種氨基酸排列而成。體內(nèi)的化學反應(yīng)離不開具有催化作用的蛋白質(zhì)-----酶。

一.生物體

核酸的基本結(jié)構(gòu)單位是核苷酸，由堿基、糖、磷酸三部分組成。核酸核糖核酸（RNA）脫氧核糖核酸（DNA）第11頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三

遺傳特征是由DNA中特定的核苷酸排列順序決定。個體發(fā)育時，DNA的密碼指令將氨基酸連接起來合成蛋白質(zhì)，進而形成不同的器官，。另一方面，DNA能自我復(fù)制，由親代復(fù)制一份DNA傳給子代。遺傳基因是控制生物性狀的功能單位和結(jié)構(gòu)單位，是DNA分子中具有遺傳效應(yīng)的某個脫氧核苷酸片段，含有成百上千個脫氧核苷酸。人類46條染色體的DNA，包含人類基因組中的約10萬個基因。第12頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三

基因中堿基的不同排列構(gòu)成不同的基因?，F(xiàn)正設(shè)法測定人體10萬個基因的堿基排序。一旦完成，就可建立起完整的基因庫，從而大推進基因工程即重組DNA技術(shù)。該技術(shù)是按人類意愿，從生物體內(nèi)分離出目的DNA片段實施重組，再將重組后的DNA轉(zhuǎn)移到操作生命體中。2.生物體的研究層次在研究生物體的結(jié)構(gòu)和運動變化時，可以分解為以下三個層次問題:第13頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三①可不涉及自組織作用，也不涉及化學變化的問題，這是純粹的物理問題。②可不涉及自組織作用，但涉及到化學變化的問題，處理這類問題還需要用到化學知識。

③必需考慮在自組織作用下實現(xiàn)自我復(fù)制，自我更新的問題。這類問題還受到生物體中自組織作用特殊規(guī)律的制約。例如對骨骼的研究。①骨是物質(zhì)，滿足質(zhì)量守恒、能量守恒定律。骨骼的機械性能，骨架的形態(tài)、結(jié)構(gòu)起的支撐作用及其對生物體大小、形態(tài)、運動方式的影響，這類問題只需利用力學規(guī)律即可解決。第14頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三

②骨骼機械性能與其內(nèi)部狀況的關(guān)系。這時既要考慮骨骼中基本顆粒排列情況這一物理問題，更要考慮骨骼的化學組成。這個層次的研究，使我們進一步認識到，骨骼隨物種、年齡、經(jīng)歷、營養(yǎng)狀況而變。骨的主要成分是無機鹽（鈣、磷等）和骨膠原纖維，骨骼要能支承人體從事各項活動，必須要有一定的抗拉和抗壓強度，這就要求無機鹽與骨膠原之間有一定的比例，這一比例隨物種而變。對人而言，通常的比例是7：3。第15頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三③骨骼生長和自我修復(fù)的機理。這就不是單靠普適的物理規(guī)律或化學規(guī)律就能解決的問題，還必須知道骨骼自組織的機理和控制骨骼自組織的機理才能解決。

二、生物體中的宏觀物理現(xiàn)象為了維持生命，生物體必須通過物理的、化學的過程來實現(xiàn)并維持與外界的物質(zhì)交換，從而在生物體中出現(xiàn)各種宏觀物理過程。這些過程反映著生物整體狀況。第16頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三

1.生物的流變性(體液的運動)生物體內(nèi)流體運動是生命的基本特征。例如：植物是的光合作用維系了植物的生存，動物的體液，如血液維持動物的生命，汗液維持體溫。水、無機鹽二氧化碳光合作用光能轉(zhuǎn)化為化學能，維系植物的生存

目前對生物流變性的研究主要集中在心血管和腸道系統(tǒng)的動力學過程。

血液由血漿和血細胞組成。血液的粘滯性影響血液在血管中的流動，一旦受阻便形成血栓。第17頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三

頻率高于人類聽覺上限（約20000Hz）的聲波稱為超聲波。利用超聲波多普勒效應(yīng)可以測定血液流動速度，流向，流動性等?？裳芯啃呐K壁運動速度。第18頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三2.生物電現(xiàn)象

（1）生物電生物電主要是指生物體中所產(chǎn)生的電現(xiàn)象，也包括外界電因素對生命活動的作用。所有的生物都有生物電現(xiàn)象，從單個細胞直到人和其它高等動物的神經(jīng)、肌肉、骨骼以及重要器官都發(fā)現(xiàn)有電流、電壓的產(chǎn)生和傳播。生物組織的許多功能（例如神經(jīng)中信息的傳遞和肌肉的收縮）主要基于電的活動。一般動物組織中的電活動比較弱，能被測出的電壓只有數(shù)十微伏至數(shù)十毫伏，但某些魚類如電鰻能產(chǎn)生的電壓達600-1000伏。第19頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三

目前公認的一種基本觀點是：生物電來源于細胞的功能，細胞是由細胞膜，細胞核和細胞質(zhì)組成。膜細胞膜細胞核細胞質(zhì)上有孔道，允許細胞與周圍環(huán)境變換某些物質(zhì)。若取膜外電位為零，則膜內(nèi)側(cè)電壓約為K+A-Cl-Na+帶負電帶正電-90~-70mv，稱為凈息電位。外界強刺激達一定閾值，細胞內(nèi)的電位可以從負電位突然普通為正電位（約為20~30mv）。大約在不到電位，變化的電位稱為動作電位。1ms的時間內(nèi)又恢復(fù)為凈息第20頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三

動作電位的產(chǎn)生是細胞興奮的標志。(2)心電圖和腦電圖心臟是體循環(huán)和肺循環(huán)的中心，也是血流的動力裝置，心肌組織能自動地發(fā)生興奮和傳導興奮。在心臟活動時，所產(chǎn)生的生物電將隨時間和空間出現(xiàn)變化。人是導體，生物電的變化傳到體表，用置于體表的電極探測各點的電勢差隨時間的變化，在紙帶上記錄下來，就得到心電圖。通過對心電圖的分析比較，可以診斷心肌肥厚，心律不齊，心肌供血不足，心肌壞死等疾病。大腦外層皮質(zhì)也有類似的電勢變化，記錄下來為腦電圖。第21頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三

3.生物磁現(xiàn)象磁性是物質(zhì)的一種普遍屬性，在人體內(nèi)也有磁場。主要來源是：①組成生物體的材料有弱磁性，它們在地磁場或外界磁場的作用下會被磁化而產(chǎn)生磁場，肝、脾等呈現(xiàn)的磁性屬于此種。另外由于環(huán)境污染使鐵磁物質(zhì)（Fe3O4）侵入生物體內(nèi)。也有的動物如鴿子、蜜蜂體內(nèi)有微量的強磁物質(zhì)，助其辨別方向。②人體的生物電產(chǎn)生磁場（電生磁），心臟的生物電產(chǎn)生心磁場，腦電流產(chǎn)生腦磁場等。磁場對生物體具有很大的影響，它可以影響生物體內(nèi)電子的運動,磁場的誘導作用也可能會引起生物體遺傳變異.第22頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三

三．物理學對開拓生物學研究新領(lǐng)域作出的貢獻

1.利用新的物理分析方法和相應(yīng)的設(shè)備，觀測、分析生物的微觀結(jié)構(gòu)。英國物理學家胡克（1635-1703）利用自制的顯微鏡觀察生物體，首創(chuàng)了“細胞”一詞，使人們對生物的認識深入到細胞層次。二十世紀理論與量子力學結(jié)合，實驗上發(fā)展了衍射和光譜等研究原子、分子、和晶體結(jié)構(gòu)的新方法，使生物學研究進入到分子層次。最成功的是英國物理學家克里克和美國物理學沃森發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，破譯了遺傳密碼。為此獲1962年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。第23頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三

2.生物學與物理學結(jié)合。3.物理學的新理論為生物學理論提供了基礎(chǔ)

量子力學理論用于生物學，誕生了量子生物學(分子生物學)。它的基點是宏觀生命現(xiàn)象依賴于生物體內(nèi)亞原子層次的運動。用物理的概念、理論、工具分析方法研究生命現(xiàn)象，產(chǎn)生生物物理學。它已在視覺、聽覺信號的感知和傳遞、神經(jīng)傳導、生物膜的作用機理，生物體中的水運行，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和作用機理，DNA、酶的排列組裝，作用機理上不斷取得進展。第24頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三

量子力學認為:（1）生物體分子間的相互作用力強相互作用和弱相互作用的力程很小,不會在生物體分子間出現(xiàn)。在分子系統(tǒng)中,萬有引力比起電磁相互作用小得多,因此分子系統(tǒng)中的作用力是電磁相互作用。（2）電荷與能量的遷移電荷的遷移在生命活動中有重要作用。如葉綠素、染色體中電子的輸運，神經(jīng)脈沖的傳播都與電荷遷移有關(guān)。其中許多電荷遷移現(xiàn)象在極低溫下也能進行，對此只能用量子力學中的隧道效應(yīng)解釋。第25頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三（3）生物凝聚態(tài)生物大分子的活性總是在一定的環(huán)境中體現(xiàn)出來,大分子與周圍的環(huán)境物質(zhì)又構(gòu)成一個聚合實體,從而形成一種生物凝聚態(tài),如蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)、多糖、水以及由它們組成的細胞膜、染色體等。

四.從物理角度認識生命

1.一切有生命物體的共性在于不斷與外界交換物質(zhì)和能量。一旦停止交換也就意味著死亡。

2.薛定諤的觀點第26頁，講稿共30頁，2023年5