近代物理学第二课物质的微观结构

近代物理学第二课物质的微观结构第二课：物质的微观结构本章内容：1.物质的微观结构层次2.物质微观结构各层次的基本特征3.单位和物理常量4.历史回顾第2页,共50页，2024年2月25日，星期天物质结构的层次按其基元存在的空间尺度来分可分为：

宇观宏观微观1.物质的微观结构层次物理学研究对象第3页,共50页，2024年2月25日，星期天物质机构的微观层次第一层次：分子物质保持其化学性质的基本单元，物质的化学性质和物理性质主要由分子结构决定，分子由若干个原子通过化学键结合而成。第二层次：原子化学元素的最小单元，采用化学方法不可分割。第三层次：原子核质子和中子第四层次：强子强相互作用离子的统称，各种介子和重子。强子由夸克组成更深层次：夸克和轻子夸克和轻子都是费米子，前者参与强相互作用，后者不参与。1.物质的微观结构层次第4页,共50页，2024年2月25日，星期天宏观原子团簇0.1nm-1nm纳米微粒1nm-100nm介观系统10-6m-10-7m1.物质的微观结构层次物质宏观和微观两个大层次之间并不是界限分明的。微观表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、幻数结构等。可采用宏观手段测量，但结果反映的是载流子的量子力学特性。第5页,共50页，2024年2月25日，星期天空间尺度相互作用类型结合能2.物质微观结构各层次的基本特征如何描述物质微观结构各层次的基本特征？第6页,共50页，2024年2月25日，星期天2.物质微观结构各层次的基本特征物质微观结构链及个层次的空间尺度nmtmesdutcbnent分子原子原子核质子中子10-4~10-9m10-10m10-14m10-15m＜10-19m第7页,共50页，2024年2月25日，星期天2.物质微观结构各层次的基本特征物质微观结构链及个层次的相互作用类型粒子间的相互作用引力相互作用电磁相互作用弱相互作用：粒子衰变过程10-19m强相互作用：核子之间夸克之间（色相互作用）

10-15m强子轻子原子分子层次通常忽略作用强度之比：10-39:10-5:10-2:1第8页,共50页，2024年2月25日，星期天2.物质微观结构各层次的基本特征物质微观结构链及个层次的相互作用类型第9页,共50页，2024年2月25日，星期天2.物质微观结构各层次的基本特征物质微观结构链各层次起支配作用的相互作用第10页,共50页，2024年2月25日，星期天2.物质微观结构各层次的基本特征物质微观结构链各层次基元间的结合能空间尺度越小，相互作用越强。这是由于不确定关系决定的。1.分子内原子间的结合能：几个eV2.原子内外层电子和内层电子的结合能：eV~keV3.原子核内核子的平均结合能：MeV4.核子夸克间的平均结合能：

无穷大，到目前为止没有发现自由的夸克。第11页,共50页，2024年2月25日，星期天3.单位和物理常量3.1单位国际单位制中的七个基本单位：

长度（m，米）

质量（kg，千克）

时间（s，秒）

电流（A，安培）

热力学温度（K，开尔文）

物质的量（mol，摩尔）

发光强度（cd，坎德拉）其他物理量根据其定义或者物理方程表示，称为导出量，他们的单位称为导出单位。如：SI中能量和功的单位为J，或采用SI允许的电子伏（eV）为单位。1eV=1.60×10-19J第12页,共50页，2024年2月25日，星期天3.单位和物理常量纵观宇宙之大（约1026m），夸克和轻子之小（＜10-19m），数量级相差1045倍之多。为了表示方便，可选用相应的10进制倍数度量单位。

1nm=10-9m1keV=103eV1fm=10-15m原子核中每个核子的平均结合能为MeV量级。核物理中，100MeV下为低能，100MeV-3GeV为中能，3GeV以上为高能。第13页,共50页，2024年2月25日，星期天3.单位和物理常量3.2物理常量基本物理常量：是在目前的理论中不能用更基本的常量表示出来的量，它们的数值必须用实验来测定。其中，前七个为基本原子常量（不包括G）第14页,共50页，2024年2月25日，星期天3.单位和物理常量*1.c出现在相对论中，是时空关系的基本常量。物理现象处于相对论高速范围的标志是粒子的速度v与光速c相比拟。*2.h出现在量子物理中，是描述物质微观世界的基本常量。物理现象处于微观范围的标志是h不可忽略。*3.e在原子分子层次，电子相互作用占支配地位，基本电荷e是表征电磁相互作用的特征常量。*4.G引力相互作用在宇观层次的天体物理中占支配地位，G是表征引力相互作用的特征常量。第15页,共50页，2024年2月25日，星期天3.单位和物理常量*5.memp

在量子物理中，质量的起源仍是一个探讨中的问题，所以粒子的质量是重要的基本常量，对于原子分子和原子核层次，电子质量和质子质量的比值决定原子性质的主要特征。*6.NA和kB是联系微观和宏观的两个基本常量。第16页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史物质的本体是什么？阴阳？五行？元素？原子？第17页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史物质是不是无限可分的？！甲方：1.公元前5世纪，希腊哲学家德谟克利特等人认为：万物是由大量的不可分割的微粒构成的，这种微粒即原子。2.惠施：至大无外，谓之大一；至小无内，谓之小一3.墨翟：体之无序而最前者也。乙方：1.亚里士多德、阿那萨古拉：物质可以无限可分。2.公孙龙：一尺之锤，日取其半，万世不竭。第18页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史1.原子的认知直到公元19世纪，原子才由化学键和物理学家重新给以较为精确的表述。并得到了越来越多的证明。19世纪初，法国的普鲁斯托和英国的道尔顿相继发现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，道尔顿提出近代原子学说，指出如果一种元素是由相同质量的微粒-原子组成，原子是不可分割的最小单元，化合物是由各组成元素的原子按恒定的比例所构成的分子组成，则上述定律可以得到合理的解释。第19页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史1802年，盖吕萨克发现气体化合时，各气体的体积成简比。阿伏伽德罗：在同一温度、同一压强下，体积相同的任何气体所含的分子数都相等。对于以上定律，原子论均可以解释，因而获得了越来越多的支持。并且被逐步应用到压强、温度、比热能概念的解释中。第20页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史1826年夏天，著名的植物学家罗伯特·布朗正在探讨花粉在植物受精过程中的功能。布朗从一朵硕大的鲜花中，小心翼翼地取下花粉。为了不让花粉吹散，他把花粉浸泡在水中，然后放到显微镜下观察。显微镜下花粉分裂出的微粒中，有些是圆筒形的。布朗觉得这些圆筒形的微粒可能与植物受精有关，便注视着它们，以便弄清受精的秘密。“咦！这些微粒怎么全在颤抖、运动？”布朗对这一现象迷惑不解。第21页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史为了搞清这究竟是怎么一回事，布朗又将熟透的花粉囊中的花粉取出来，把它们浸泡在水中，放在显微镜下观察。这一次观察到的现象使他更为惊奇：比圆筒状微粒更小的圆形微粒，运动得更为剧烈！意外的发现使布朗把研究方向转向花粉微粒的奇异运动。“其它微粒也能发生这种现象吗？”布朗产生了这样的疑问。他把苔类的叶子弄碎，泡在水里，在显微镜下同样看到了微粒的运动。他又把可以取得的有机物都作为观察的对象，结果还是一样。这使布朗十分兴奋。“有机物是这样，那无机物也不会例外吧？”布朗推想着。第22页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史他把玻璃片弄碎，把一些岩石磨成细粉，又取来石墨等，将它们分别悬浮在水中，一一放在显微镜下观察，发现所有微粒在水中都在杂乱无章地运动着。布朗的发现震动了科学界，微粒在水中的运动被称为“布朗运动”。布朗认为是微粒受到来自各方的液体分子的不平衡碰撞而引起的，清楚的显示出物质结构的不连续本质。第23页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史1905年，爱因斯坦对布朗运动做了精确的理论分析，他从分子做无规则热运动出发，推出了半径一定的布朗微粒在一定时间间隔内沿水平方向位移的平均值与时间间隔成正比的理论。1907年，法国人佩林对布朗微粒的运动作了定量的测量和研究。从实验上测定了比例系数，得到的结果与其他方法得到的数据相吻合。佩林所做的关于布朗运动的实验被认为给原子的确实存在做了最后的证明，佩林因此获得了1926年诺贝尔物理学奖。但事实上，他并没有直接观察到原子或分子的存在。第24页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史直到1982年，宾尼和罗雷尔根据电子的隧道效应制成的扫描隧道显微镜，才使人们第一次能够实时的观察到物质表面上原子排列的形貌，并且用扫描隧道显微镜技术成功的进行了单个原子的搬迁。第25页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史在物质的不连续结构日益得到证实的同时，电荷的不连续结构概念也相应形成。1833年，法拉第提出了电解定律，这个定律使人们认识到不仅物质结构，而且电荷结构中也存在着不连续基元。①当电流通过电解质溶液时，在电极（即相界面）上发生化学变化物质B的物质的量与通入的电量成正比。②若几个电解池串联通入一定的电量后，各个电极上发生化学变化物质B的物质的量相同。第26页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史1897年，汤姆孙在研究阴极射线过程中，从实验上真正确认了电子的存在，这一发现使物理学家觉察到原子不是一个简单而不可分割的基元。恰恰相反，它可能是一个复杂系统，并意识到阴极射线的电子归根结底来自于原子，因此原子结构中应该包含着电子的概念就形成了，于是从1900年左右开始，人们就着手建造一个由带点质点构成的并能说明原子的物理和化学性质的原子模型。第27页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史1909年，卢瑟福和盖革、马斯顿，用氦核轰击厚度为10-6米的金箔(α散射实验)。起初盖革什么现象也没看到，卢瑟福告诉他要仔细观察：“要多看细看，实验要重复几十次、几百次、几千次，才能发现偶然的现象。”结果，实验测得散射角大于90°的比例约为1/8000。根据汤姆逊模型，α粒子的大角偏折是多次小偏折积累造成的。其概率约为1/103500。实验结果和模型明显不符。卢瑟福说:“犹如一发15寸的炮弹去轰一张薄纸，而炮弹却掉过头来击中你自己一样。”第28页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史为了解决这一矛盾，卢瑟福放弃比汤姆逊模型，于1911年发表了《物质的α粒子和β粒子的散射和原子结构》的论文，提出原子的有核模型。在论文中他写到：“经过思考，我认为反向散射必定是单次碰撞的结果，而当我作出计算时看到，除非采取一个原子的大部分质量集中在一个微小的核内的系统，是无法得到数量级的任何结果的，这就使我后来提出原子具有很小而质量很大的核心的想法。”第29页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史卢瑟福的原子模型中认为原子是靠电子与原子核的库伦引力结合成的一个束缚体系。然而，按经典理论电子绕核旋转，作加速运动，电子将不断向四周辐射电磁波，它的能量不断减小，从而将逐渐靠近原子核，最后落入原子核中。计算表明，原子的寿命将仅有10-12秒。而实验表明原子相当稳定。此外，电子轨道及转动频率不断变化，辐射电磁波频率也是连续的，原子光谱应是连续的光谱。实验测得原子光谱是不连续的谱线。+第30页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史为了解释上述问题，卢瑟福的一个学生——丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(NilesBohr)在卢瑟福的“行星模型”的基础之上于1913年提出了原子的量子理论，即“玻尔模型”。第31页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史1912年8月1日，玻尔和玛格丽特在离哥本哈根不远的一个小镇上结婚，随后他们前往英国展开蜜月。当然，有一个人是万万不能忘记拜访的，那就是玻尔家最好的朋友之一，卢瑟福教授。虽然是在蜜月期，原子和量子的图景仍然没有从玻尔的脑海中消失。他和卢瑟福就此再一次认真地交换了看法，并加深了自己的信念。回到丹麦后，他便以百分之二百的热情投入到这一工作中去。揭开原子内部的奥秘，这一梦想具有太大的诱惑力，令玻尔完全无法抗拒。玻尔面临着选择，要么放弃卢瑟福模型，要么放弃麦克斯韦和他的伟大理论。玻尔勇气十足地选择了放弃后者。第32页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史1913年初，年轻的丹麦人汉森(HansMariusHansen)请教玻尔，在他那量子化的原子模型里如何解释原子的光谱线问题。对于这个问题，玻尔之前并没有太多地考虑过，原子光谱对他来说是陌生和复杂的，成千条谱线和种种奇怪的效应在他看来太杂乱无章，似乎不能从中得出什么有用的信息。然而汉森告诉玻尔，这里面其实是有规律的，比如巴尔末公式就是。他敦促玻尔关心一下巴尔末的工作。第33页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史1913年2月玻尔注意到德国物理学家斯塔克(J.Stark)在《原子动力学原理》一书中的一段话：“一个光谱的全部谱线是由单独一个电子造成的，是在这个电子从一个（几乎）完全分离的状态逐次向势能最小的状态跃迁过程中辐射出来的。”他将这一电子跃迁思想和光谱线联系到一起，这样，玻尔突然领悟到，他可以用这一理论解释巴尔末公式了。玻尔曾说过：“我一看到巴尔末公式，整个情形就一下子弄清楚了。”1913年3月、6月、9月，分别写出了《原子构造和分子构造（1）（2）（3）》三篇论文（人称“三部曲”），提出了定态跃迁的原子模型。第34页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史玻尔理论后经索末菲等人的改进。索末菲从实验事实出发，将电子绕核轨道从单一的圆轨道，推广到椭圆轨道。并且他还发现轨道在空间的取向也是量子化的，从而引入了主量子数、角量子数和磁量子数的概念。1920年索末菲又引入了第四个量子数。这第四个量子数直到1925年才被科学家弄清楚，原来是绕核旋转的电子的自旋量子数。1925年泡利在研究四个量子数跟原子核外电子排布的关系时，发现了泡利不相容原理：在同一原子内，在一个原子中不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数(n,l,ml,ms)。利用玻尔、索末菲理论加上泡利不相容原理可以成功地解释核外电子的排布。至此原子物理学完全建立了起来。第35页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史2.原子结构建立起来了，那原子核结构呢？放射现象的发现1896年，法国物理化学家贝克勒尔在铀矿石中发现了放射现象。

射线：带两个正电荷的氦核

射线：高速运动的电子流

射线：高能光子流第36页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史质子：1919年，卢瑟福继承了他的老师汤姆逊的剑桥大学卡文迪许实验室主任的职务。同年他采用如下装置利用212Po放出的α粒子去轰击N原子，实现了历史上第一个人工核反应。卢瑟福发现许多元素在α粒子轰击下都可放射出“带正电的氢原子”。因此认为所有元素的原子核中都存在这种带正电的粒子，并于1920年将其命名为“质子(proton)，符号为p”。第37页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史中子：

1920年，卢瑟福提出了中子假说，认为原子核中除了质子外，可能还存在一种由电子和氢核组成的不带电的中性粒子，他称为“双子(doublet)”。1930年，德国物理学家玻特(W.Bothe)和他的学生贝克尔(H.Becker)发现，用α粒子轰击铍9(9Be)时，会产生一种穿透能力极强的中性射线，他们认为这种中性射线是γ射线(实际上是中子！)随后不久，约里奥-居里夫妇也进行了这一实验，并让反应物打在含氢的石蜡上，发现有质子被从石蜡中击出。他们认为这是由γ光子引起的“康普顿效应”。就这样，玻特和约里奥-居里夫妇都错过了发现中子的机会!第38页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史1932年，英国物理学家卢瑟福的学生查德威克(J.Chadwick)重复了上述实验，并证明反应过程中所产生的中性射线是由一种质量和质子差不多的中性粒子组成的，他把这种中性粒子称为中子(neutron)。查德威克因此被授予1935年Nobel物理奖。第39页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史1932年，前苏联伊凡年科与海森伯提出原子核由质子和中子组成的理论。质子(p)和中子(n)统称为核子(N)。核力是把质子和中子纠合在一起，构成一个个稳定的原子核(也包括不稳定的原子核)的强大的束缚力。第40页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史原子模型原子核、电子核子模型质子、中子、电子结束了么？还有有更基本的？？？第41页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史3.标准模型理论1932—1950发现一大批新粒子如:

子、

介子、奇异粒子等。到目前为止，粒子的数目已经达到数百种之多。这些粒子都是基本的吗？他们之间的相互作用的规律是什么？目前公认的最成熟的理论是：标准模型理论1964年美国盖尔曼提出，1969年斯坦福直线加速器中心电子——核子撞击实验首次验证，同年获诺贝尔物理奖。第42页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史我们已知的基本粒子可以分为两个家族—夸克(Quarks)和轻子(Leptons)，这两个家族各有六个成员，构成三个世代。第一世代的粒子质量最轻，而第三世代的粒子最重。此外还有四种媒介交互作用的媒介子(Mediator)，用来传递粒子之间的交互作用力。现存的物质，主要是由第一世代的基本粒子所组成，而第二第三世代的粒子大多已经衰变成为第一代的基本粒子。第43页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史夸克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。它们具有分数电荷，是电子电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。“夸克”一词是由默里·盖尔曼改编自詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根彻夜祭》(Finnegan‘sWake)中的诗句。第44页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史夸克１９６４年，美国物理学家盖尔曼和茨威格各自独立地提出了三夸克模型，认为重子和介子都是由夸克组成的。

１９６９年，美国斯坦福直线加速器中心验证了夸克的存在，并在普通物质或宇宙线中发现了能够证明上夸克、下夸克和奇异夸克存在的证据。１９７４年，美国丁肇中实验室和里克特实验组，各自独立地发现由一对正反粲夸克组成的介子，从而证实了粲夸克的存在，因此分享了１９７６年的诺贝尔物理学奖。１９７７年，美国莱德曼实验组发现了底夸克存在的证据。１９９４年，费米实验室发现了顶夸克。第45页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史轻子轻子就是不参与强相互作用的费米子，它们参与弱相互作用与电磁作用。它们的自旋为1/2。至今实验上还没有发现轻子有任何结构，所以通常被认为自然界最基本的粒子之一。已经发现的轻子包括电子、μ子、τ子三种带一个单位负电荷的粒子，分别以e-、μ-、τ-表示，以及它们分别对应的电子中微子、μ子中微子、τ子中微子三种不带电的中微子，分别以νe、νμ、ντ表示。加上以上六种粒子各自的反粒子，共计12种轻子。第46页,共50页，2024年2月25日，星期天4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史轻子１８９７年，英国物理学家汤姆孙发现电子，因此荣获１９０６年诺贝尔物理学奖。这是人类认识的第一个基本粒子，不仅打破了道尔顿的“不可分”的原子，而且打破了物质结构的“终极”观念，把科学研究引上了一条出人意料的道路。于是，在２０世纪前夕，科学家面临着一个完全陌生而又非常奇特的世界。１９５３年，美国物理学家莱因斯和柯万一起取得了开拓性的成就，发现了电子型中微子，因此获得了１９９５年诺贝尔物理学奖。１９６２年美国哥伦比亚大学的莱德曼等人，在布鲁克海文国家实验室里，发出了μ子和μ子型中微子，并且发现中微子有不同类型，因此获得了１９８８年诺贝尔物理学奖。１９７５年，美国物理学家佩尔等