大学物理,物质世界的结构层次 1.ppt

大学物理 第1页共35页 同学们好 大学物理 第2页共35页 一 物质世界的空间尺度 宇宙的42个台阶 宇宙学 粒子物理的奇妙衔接 第二章物质世界的结构层次 大学物理 第3页共35页 胀观 1040m 1016亿光年 实物物质 微观 10 7m 原子 分子 基本粒子 波粒二象性 服从统计规律 量子力学描述 宏观 10 7m 各种凝聚态 显示粒子性 服从因果规律 牛顿力学描述 渺观 10 35m 介观 性质上介于微观与宏观 宇观 天体物理 大学物理 第4页共35页 二 宇宙中物体的质量量级 跨跃了约80个数量级 科学的基本原理之一 万物都是由难以观察到的微小粒子组成的 大学物理 第5页共35页 三 物质世界的时间尺度 星系形成 50亿年 大学物理 第6页共35页 大气形成 大学物理 第7页共35页 生物的进化 大学物理 第8页共35页 共计跨越了42个数量级 大学物理 第9页共35页 第一节基本粒子及其相互作用 要点 三大家族 四种相互作用基本粒子特征 质量 电荷 自旋 寿命 基本粒子 人类迄今为止尚未发现其内部结构的 点 粒子 是一个不断向更深层次转移的动态概念 标准模型 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 获当年诺贝尔物理奖 大学物理 第10页共35页 1 规范粒子 场粒子 传递相互作用的媒介 共13种 一 基本粒子分类 分类 三大家族 大学物理 第11页共35页 规范粒子 大学物理 第12页共35页 2 轻子 不参与强相互作用的基本粒子 共3代12种 轻子必定以粒子 反粒子对的形式产生或湮灭 总的轻子数 轻子数减去反轻子数 在已知的一切过程中保持不变 大学物理 第13页共35页 反粒子的发现 1930年狄拉克预言其存在 1932年安得森在宇宙射线实验中发现正电子 1999年6月3日 美国肯尼迪航天中心 发现者 号航天飞机搭载中国科学家参加研制的阿尔法磁谱仪 AMS 升空 寻找宇宙空间的暗物质和反物质 反碳核和反氦核 大学物理 第14页共35页 中微子之谜 1930年泡利为解释衰变中能量不守恒 提出假设 1933年费米建立弱作用理论 1942年王淦昌提出间接验证方案 由美国艾伦完成 1956年美国雷尼斯完成探测中微子实验 获1995年诺贝尔物理奖 1999年日本科学家宣布测量到中微子质量不为零 尚存许多未解之谜 应用前景广阔 地球断层扫描 中微子通信 探测星球内部信息 大学物理 第15页共35页 3 夸克 组成参与强相互作用的强子 3代 6味 每味3色 共36种 大学物理 第16页共35页 1964年盖尔曼 1974年丁肇中 1977年莱德曼 1995年费米实验室 特点 分数电荷1977年超导铌球实验渐近自由红外奴役色禁闭 找不到自由夸克 大学物理 第17页共35页 强子 核子 介子 的夸克模型 大学物理 第18页共35页 物质结构层次 物质存在的基本形式 实物和场 大学物理 第19页共35页 大学物理 第20页共35页 2 与实物的多样性一样 场的存在形式也是多样的 如电磁场 引力场 核场等 3 场也与实物一样具有质量 能量 动量和角动量 4 与实物一样 在场内进行的物理过程也遵循质量守恒 能量守恒 动量守恒和角动量守恒等规律 5 与实物一样 场也不能创生 不难消灭 只能由一种形式转变为另一种形式 场 与实物的比较 共同点 1 都是客观存在的 不以人的意志为转移 是可知的 能够为人们的意识所反映 大学物理 第21页共35页 联系 实物周围存在相关的场 场传递实物间的相互作用 场和实物可以相互转化 现代物理认为 场是更基本的 粒子只是场处于激发态的表现 区别 1 实物质量密度大 1000kg m3 场质量密度很小 10 23kg m3 无静止质量 2 实物不能达到光速 场则以光速传播 3 实物受力产生加速度 场则不能被加速 4 实物具有不可入性 以空间间断形式存在 可以作参考系 场具有可入性 以连续形式存在 具有可叠加性 不能作为参考系 大学物理 第22页共35页 粒子和场的相互关系 1 每种粒子都有相对应的场 2 某种场能量最低的状态称为该场的基态 不显示直接的物理效应 3 场处于激发态时 表现为相应的粒子 4 当所有的场都处于基态时 表现为物理上的真空 5 无论是处于基态的场 还是处于激发态的场 都与其他的场相互作用 大学物理 第23页共35页 迄今为止 人类了解得最多的是电磁力 了解得最早但最少的是引力 二 基本相互作用 1 四种基本相互作用 大学物理 第24页共35页 物理理论的发展趋向统一 2 相互作用的统一理论 大学物理 第25页共35页 第二节物态及相变 气态 液态 液晶 固态 晶体 等离子态 超 态 反物质态 研究物质结构 微观层次 粒子物理宏观层次 凝聚态物理 大学物理 第26页共35页 大学物理 第27页共35页 大学物理 第28页共35页 固态可分为晶态和非晶态 晶态 晶态的固体称为晶体 组成晶体的粒子在三维空间呈周期性 规则排列的长程有序状态 如金属 石英等 大学物理 第29页共35页 非晶态 又称为玻璃态 其粒子的排列呈近程有序 长程无序的状态 如玻璃 塑料 玛瑙等 等离子态 正离子和电子组成的状态 超 态 超导 超流 金属氢态 中子态等 反物质 理论依其对称性推测自然界必然存在反粒子组成的反物质 真空态 现代物理观点设想真空中可以不断地发生正反粒子对的虚产生和湮没 一种状态 大学物理 第30页共35页 二 相和相变 1 相 指物质系统内成分相同 结构相同 性能相同的均匀部分 不同相之间有明确的分界面 不同的物态肯定是不同的相 但同一物态却可能有几种相 如水的气相 液相 固相 铁晶体在固态下不同的温度时却有 铁 铁 铁三个不同的相 大学物理 第31页共35页 体积突变 并伴随热量的吸收或释放的相变 相应的热量叫潜热 一级相变 结构相变 凡体积不变 不伴随热量的吸收或释放的相变 只有某些物理量 如热容 热膨胀系数等 发生突变的相变 二级相变 特性相变 如无外磁场时导体正常态和超导态间的变化 磁介质在居里温度时的顺磁相和铁磁相间的变化 如熔化和凝固 汽化和液化 升华和凝华 Fe Fe Fe 等 大学物理 第32页共35页 例 1911年 昂纳斯实验发现在4 2K处 Hg从常导状态突变为超导态 4 2K称为临界温度 大学物理 第33页共35页 三 相图 状态参量 任何一个物质系统都可以用许多物理量从不同角度去描述 这些物理量叫做系统的状态参量 如温度 压强 体积 能量 熵 极化