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现代物理-基础学科,物理学-特别是现代物理学已成为现代科学的基础学科 甚么是基础学科？ 语言学（语言，文学，外语等） 数学（包括计算机及计算数学）,绪 论,现代物理学？ 相对论 E = Mc2 量子论 1918年：普朗克 1932年：海德堡 1933年: 薛 定 谔、狄 拉 克 1945年：泡 利 1954年: 玻 恩,物质,反物质,反物质是一种假想的物质形式，在粒子物理学里，反物质是反粒子概念的延伸，反物质是由反粒子构成的,宏观物体都是由质子、中子和电子所组成的。这些粒子因而被称为基本粒子，在30年代初，就有人发现了带正电的电子，这是人们认识反物质的第一步。到了50年代，随着反质子和反中子的发现，人们开始明确地意识到，任何基本粒子都在自然界中有相应的反粒子存在。,量子力学： 亚原子世界，或者一切事物中物理量都是量子化的：原子能量、角动量、磁矩.。,量子力学,Photon, E = h,光学显微镜不能研究原子的内部结构 !,量子力学：粒子具有波动性，波具有粒子性,l = h/p,用电子显微镜,大型电子正电子对撞机LEP是目前世界上最大的电子显微镜 l = h/p 10-3fm=10-18m,电子,隧穿几率,不越 可势穿垒,可势穿垒 越,经典力学,量子力学,d,E,V0,物理学研究的尺度,Electrons (10-18 m ),Atom nucleus nucleon quark 10-10 m 10-14 m 10-15 m 10-18 m,微观结构,see,原子,原子核,核子,夸克,African Elephant Height 3.3 m,Rabbit (Length) 3 x 10-1 m,Red Blood Cell 7x10-6 m by 10-5 m,Virus (Length) 9 x 10-7 m 10-7 m,Carbon-Carbon Bond Length 1.5 x 10-10 m,Cross section of human hair 8 x 10-5 m 10-4 m,Housefly 7.5 x 103 m 102 m,10 7 m,较大结构及尺度 地球,太阳（Sun ）,日冕,10 9 m,Sun 2x1030 kg 1057 (核子),10 11 m,地球轨道,旋涡星系（Spiral Galaxy）,1021m,10 11 stars,galaxy cluster of galaxies 10 21 m 10 22 m 10 23 m,super-cluster metagalaxy universe m 10 24 m 10 25 m 10 26 m,组成物质的基本粒子,作用力及传播子 引力作用 引力子（尚未发现） 电磁作用 光子（1905爱因坦） 弱作用 中间玻色子(CERN 83) 强作用 胶子（DESY 1979） 质量生成 HIGGS 玻色子(？),物理学的尺度,从 10 26 m 到 10 -18 m 物质的基本组成 夸克和轻子及各种相 互作用的传播子,物理学与其他学科的关系,近代 物理学,化学,生命科学,材料科学,近代力学,天体与 天文学,地学,金融、 社会学,电子技术 计算机,量子 激光 计算化学,结构生物学,细观力学,纳米科技、材料,量子计算机,金融物理,物理学与其他学科的关系 杨振宁：“近些年来物理学对化学和生命科学的发展起了极重要作用”,物理学已改造了化学 -正在改变生命科学、材料科学 -已进军电子学、金融、社会学 现代物理学吸收其它学科资源 也将渗透和改变整个现代科学,1989年,纳米科技 Scanning Probe Techniques,物理学近十年的一个新方向,用科学语言阐述并研究社会科学中的各种问题，使社会科学问题更接近物理学 交通流 城市膨胀 人 迹 系 统 社会网络几何学 科学研究之经济回报 金 融 物 理,第二届“物理学在金融分析中的应用”国际学术讨论会 Application of Physics in Financial Analysis, University of Liege, Institut Zoologique Liege, Belgium July 13 - 15, 2000 Conference 第一届“物理学在金融分析中的应用”国际学术讨论会 1999年7月爱尔兰都柏林三叶学院（Trinity College）,金融物理研究的崛起 金融物理专题讨论的国际会议频频召开,经济物理国际高级研讨班及金融复杂性学术讨论会 2000年9月合肥 中国科技大学非线性科学中心主办 第二届复杂性科学和经济物理学的理论与应用国际学术会议（广西师范大学 桂林 2001.8.22-26）,现代物理学的基础地位决定了它的“多交叉学科性”,界面,古典 物理学,现代 物理学,研究对象,一、课程定位,整个宇宙各层次的尺寸（ 单位m） 1026 宇宙 1020 银河系 1012 日地距离 106 地球半径 100 人 10-3 尘埃 10-6 细胞、大分子、分子 10-10 原子 10-15 原子核 10-18 基本粒子,课程定义：研究原子内部结构、性质及其运动规律的物理学分支,原子,二、原子物理学发展简史,1、古人对物质结构的探讨与认识,国外 古希腊 （B.C.400),德膜克利特：万物的本原是原 子 (atom) 和虚空。,atom，希腊文的原意就是“不可分割性”,亚里士多德：万物由水气火土（以太）组成；物质无限可分,“吾爱吾师，吾更爱真理”； “法律是不受情欲影响的理智” ；主张学生德智体美全面发展,中国， B.C.475-221年 战国时期,墨翟，墨经中，“端，体之无序而最前者也”,当连续递进分割过程，至先后次序将不复存在时，端将是最后的分析结果,公孙龙，一尺之棰，日取其半，万世不竭,五行说：物质由金、木、水、火、土构成,阴阳说：物质由阴、阳二气组成,直觉、猜想、思辨,2、19世纪，建立了原子学说,物质的原子学说：所有的化学元素都由原子组成,热的原子学说：利用原子的运动解释热力学定律,电的原子学说：自然界存在带电的原子,实验总结，认识到原子是物质结构的一个层次,3、19世纪末20世纪初，建立了严格的原子物理理论量子力学。,重大发现有：,1869， 周期表发现， 门捷列夫 1885， 氢原子光谱规律发现，巴耳末 1895， X射线发现， 伦琴 1896， 放射线发现， 贝克勒耳 1897， 电子发现， 汤姆逊 1900， 能量子概念建立，普朗克 1911，原子核式结构建立，卢瑟福 1913，玻尔量子理论建立，玻尔 1925前后，量子力学建立，,近代物理的序幕,原子物理的新篇章,对原子这一层次的认识，从实验到理论获得比较完全的认识。,4、20世纪初至现在，对物质结构的认识不断地深入，原子-原子核-基本粒子-夸克,分子是由原子组成的,基本粒子指人们认知的构成物质的最小最基本的单位。但在夸克理论提出后，人们认识到基本粒子也有复杂的结构，故现在一般不提“基本粒子”这一说法。根据作用力的不同，粒子分为强子、轻子和传播子三大类。,基本粒子，即在不改变物质属性的前提下的最小体积物质。,原子是由原子核和电子构成。,原子核由质子与中子组成（氢原子核只有一个质子）。,原子序数=质子数=核电荷数=核外电子数,质子由两个上夸克和一个下夸克组成，带一个单位正电荷。,20世纪60年代，美国物理学家默里盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元夸克（quark）组成的。,所有的中子都是由三个夸克组成的，反中子则是由三个相应的反夸克组成的，比如质子，中子。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。,三、课程内容,（章节介绍。 ）,四、课程特点,1、新的概念、原理较抽象，不够直观,2、重实验，理论由实验建立，不完全靠逻辑推理从理论推导出实验结果（光谱是研究原子内部结构与电子运动规律的主要实验手段。）,五、课程学习的重要性,现代物理学的一门主要