L物理学与人类文明L

1、2022-2-21大连理工大学 余 虹 1作者作者 余余 虹虹2022-2-21大连理工大学 余 虹 22022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光32022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光4+n+基本粒子原子核duu原子核中子由質子和中子組成由原子核與電子組成質子和中子各由三個夸克組成質子夸克電子2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光5道尔顿道尔顿（原子）（原子）汤姆逊汤姆逊（电子）（电子）卢瑟福卢瑟福（质子）（质子）查德威克查德威克（中子）（中子）盖尔曼盖尔曼（夸克）（夸克）2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光6物质物质原子原子电子电子原子核原子核质子、中子质子、

2、中子夸克夸克 家族家族电荷电荷质量质量（GeV）电电 子子 子子 子子轻轻子子1e10 4 0.106 1.780 e10 8 10 4 89-1/3d0.01s0.15b5.5大质量粒子寿命极大质量粒子寿命极短。短。我们的宇宙由电子我们的宇宙由电子家族组成。家族组成。 4.1 作客粒子家族作客粒子家族2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光7微观世界的发现之旅 4.1.0 X射线的发现射线的发现 4.1.1 电子的发现电子的发现 4.1.2 永不静止的光子永不静止的光子 4.1.3 揭开原子核的内幕揭开原子核的内幕一、发现质子一、发现质子 二、发现中子二、发现中子 4.1.4 囚禁中的

3、夸克囚禁中的夸克2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光8 19世纪微观世界的三大发现世纪微观世界的三大发现一、一、1919世纪微观世界的三大发现世纪微观世界的三大发现原子不是最小的粒子！原子核也不是最小的粒子！原子不是最小的粒子！原子核也不是最小的粒子！ 2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光94.1.0 、X 射线的发现 X 射线的发现也是起源于对阴极射线的研究 德国维尔茨堡大学校长、物理学家伦琴于1895年11月8日，在做放电管实验时，为了避免可见光的影响，他用黑 纸将放电管包起来，而且在 暗室中进行实验，他意外地 发现在离管一米以外的涂有 荧光物质的屏上闪耀着微弱 的青绿

4、色的荧光。2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光10 12月22日，伦琴的夫人来到实验室，伦琴让夫人把左手放在用黑纸包着的照相底片上，然后用X射线照射，为她拍摄了一张带着戒子的左手手指骨骼照片，这是历史上第一张X光照片。2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光11 1895年12月28日伦琴写出了一篇论文论一种新的射线，文章详细总结了新射线的性质： 新射线来自于被阴极射线击中的固体，固体元素越重，产生出来的新射线越强； 新射线是直线传播的，不被棱镜反射和折射，也不被磁场偏转； 新射线对所有物体几乎都是透明的； 新射线可使荧光物质发光，使照相底片感光，当把手放在放电管和荧光屏之间时

5、，由于肌肉对新射线的吸收比骨质弱得多，屏上便可看到手指的骨骼。 2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光12 X 射线这个名称也是伦琴最先采用的，他在给孔特的信中说：“我终于发现了一种光，我不知道是什么光，无以名之，就把它叫做 X 光吧”，后人为了纪念他，又把它称为“伦琴射线”。 伦琴的发现震惊了整个科学界，许多物理学家转向研究 X 射线，反应之迅速和强烈是物理学史上罕见的，仅1896年一年内，关于X射线研究的论文达1000多篇。 2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光13 在X射线发现3个月后，维也纳医院中首次利用X射线对人体进行拍片; 半年后，英国出版了第一本研究X射线的专业

6、杂志射线临床摄影资料; 此后，J. J. 汤姆逊和卢瑟福证实X射线能使气体电离； 1912年德国物理学家劳厄用晶体作光栅，得到 X 射线衍射图，证明 X 射线是一种波长很短（约在10102 之间）的电磁波，同时证明了晶体具有空间点阵，劳厄因此获得了1914 年度诺贝尔物理奖。 2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光14 1858年德国物理学家普鲁克利用盖斯勒放电管研究气体放电时发现了对着阴极的管壁上出现了美丽的绿色光辉； 1876年德国物理学家哥尔德斯坦证实这种绿色光辉是由阴极上所产生的某种射线射到玻璃上产生的，他把这种射线命名为“阴极射线”。 法国物理学家大多认为阴极射线是一种电磁波

7、，英国物理学家则认为是一种带电粒子流，这一争论持续了一、二十年，促使许多物理学家进行很有意义的实验，推动了物理学的发展，这场争论最后由J.J.汤姆逊解决了。 4.1.1 4.1.1 电子的发现电子的发现 一、发现一、发现电子电子原子不是最小的粒子！原子核也不是最小的粒子！原子不是最小的粒子！原子核也不是最小的粒子！2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光15实验实验表征表征发展发展二、发现电子二、发现电子实验三部曲实验三部曲阴极射线是什么？阴极射线是什么？让射线从横向电场中通过，让射线从横向电场中通过，没发现偏转。没发现偏转。阴极射线是电磁波！阴极射线是电磁波！赫兹赫兹1891年赫兹发现

8、了年赫兹发现了阴极射线阴极射线能够穿透金属薄片。能够穿透金属薄片。此后勒纳德为此后勒纳德为阴极射线阴极射线管开了一个管开了一个0.000265厘米厘米厚铝箔的窗口厚铝箔的窗口,把阴极引出来。把阴极引出来。实际是真空度不高、场强不够大造成的。实际是真空度不高、场强不够大造成的。2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光16重复赫兹电场偏转实验重复赫兹电场偏转实验得知得知电子运动电子运动速度速度200km/s需要加大电场强度。需要加大电场强度。发现管内存在大量气体形成电屏蔽，不能发现管内存在大量气体形成电屏蔽，不能建立电场。于是利用建立电场。于是利用最先进真空技术最先进真空技术烘烤射烘烤射线管

9、线管，获得了高真空。，获得了高真空。J J J J 汤姆逊汤姆逊1897年，这位英国科学家首先提出了电子年，这位英国科学家首先提出了电子比原子还小的带负电的颗粒。比原子还小的带负电的颗粒。 1906年，获得诺贝尔物理奖年，获得诺贝尔物理奖 。 汤姆逊的汤姆逊的原子模型原子模型测到了偏转，确定这种带电粒子的荷质比。测到了偏转，确定这种带电粒子的荷质比。2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光17三、电子的荷质比三、电子的荷质比vEfeE 电子进入电场之前沿水平方向运动，电子进入电场之前沿水平方向运动， 速度与电场垂直速度与电场垂直EfeEma btv /va t /eEbvmv b电子出电

10、场时具有沿电场方向速度分量电子出电场时具有沿电场方向速度分量eEam /vvv/tanvv 2e Ebm v 2tanevmEb v2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光18 J. J. 汤姆逊，1856年12月18日生于英国，1884年任卡文迪许实验室教授，这个实验室在他的领导下，成了全世界引人注目的物理实验中心，世界各地的科学家常来这里开展研究工作，其中有八位后来获得诺贝尔奖，如卢瑟福、威尔逊、巴克拉）、G. P. 汤 姆逊等，如后表所 示，这八位获奖者 是他直接培养过的， 卡文迪许实验室获 得诺贝尔奖的共有 25人次。 2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光19 电子的发

11、现再一次否定了原子不可分的观念，电子是第一个被发现的微观粒子，电子的发现对原子组成的了解起了极为重要的作用。 J. J. 汤姆逊由于发现电子而于1906年荣获诺贝尔物理学奖，J. J. 汤姆逊被誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。 电子的发现在科学技术上诱发了电子时代的来临，1904年，A.弗莱明发明了二极电子管，1906年，L.德弗莱斯特(L.de Forest)发明了三极管。真空管的发明，使电力通讯、控制和自动化生产很快发展。晶体管集成电路的发明，使人类进入微电子科技时代。 2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光203、放射性的发现 在X射线发现不久，贝克勒尔对一种称

12、为硫酸双氧铀钾的荧光物质进行了研究，他把这种铀化合物放在用黑纸包起来的照相底片上，然后放在太阳光下曝晒几小时，把底片取出来进行冲洗，他发现了“荧光物质在底片上的黑色轮廓”，他又在荧光物质和纸之间放一块玻璃，继续进行试验，也得到了同样的结果。这就是最早发现的放射性现象，铀是贝克勒尔发现的第一个放射性元素。2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光21 法国科学泰斗彭加勒在阅读伦琴发现X射线的实验报告后，脑子里浮现出一种想法：既然X射线发生在荧光现象特别强烈的地方，那么，一切强烈的荧光物质都可能发射X 射线。 贝克勒尔是在这种情况下去做实验的，但是，他不迷信权威，通过实验他发现彭加勒关于荧光物

13、质产生X射线的理论是错误的。 自然现象纷纭复杂，假象和真象交织，现象合本质对立，原因合结果互变，要探索它的规律，怎能一点也不犯错误？贝克勒尔的初衷也是证实彭加勒的设想，后来却否定了它。因此，从错误的理论出发，通过实验，揭示错误，走向真理也是科学研究的一种正常模式。2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光22 放射性发现公布后不久，玛丽居里很快投入了这一新的研究领域，她发现沥青铀矿中的放射性比已测得的铀的放射性强得多。她大胆假定沥青铀矿中存在一种比铀放射性强得多的未知元素。为了寻找这个未知元素，她的丈夫皮埃尔居里通过繁重的劳动，从大量的沥青矿渣中去提取那个未知元素，最后发现了两种新的放射性

14、元素，一种取名为“钋”（Polorium），以纪念自己的祖国波兰，另一种取名为“镭”。2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光23 居里夫妇继续奋斗了近四年，在简陋的工棚里，在原始的条件下，历尽千辛万苦，终于在1902年3月，从数以吨计的沥青铀矿残渣中提炼出0.12克氯化镭，并测得了镭的原子量为225（现公认为226），其放射性比铀强200万倍。1903年，居里夫妇和贝克勒尔共享了诺贝尔物理奖。 1910年完成了她的名著论放射性，由于她的杰出贡献，1911年又荣获了诺贝尔化学奖。居里夫人成了第一个两次获诺贝尔奖殊荣的人物，2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光24a 射线、 射线

15、和 射线发现： 放射性发现后不久，英国剑桥大学卡文迪许实验室的研究生卢瑟福也投入了对放射性的研究，在科学家的共同努力下，没几年就发现了天然放射性核素能够自发地放出各种射线，从而衰变为另一种核素，衰变方式很多，放出的射线也有多种，主要的有a 射线是带两个正电荷的氦核（ ）； 射线是带负电荷的高速电子流； 射线是从原子核内放出来的电磁波，它实际上是一束能量极高的光子流，它的波长比X射线还要短，穿透本领比X射线更强。 e42H2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光25放射性应用： 利用放射性钴源（60Co）的 射线辐照，可以进行食品（如肉类、水果等）保鲜、辐照消毒（如对医疗器械、流通货币等）

16、以及辐照育种等。尤其在医药上利用它来杀伤人体内的肿瘤细胞，这是目前治疗肿瘤的一种常用方法。在发达国家中放射性药物使用已相当普及。在发展中国家中，我国的核医药水平名列前茅。国内已有1000多家医院开展了放射性药物的诊治工作。 2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光26三大发现，使物理学发生了深刻的变化： 电子比最轻的原子氢原子还要轻1836倍； 电磁波除有无线电波、红外线、可见光、紫外线，还有波长更短的X射线； 一个原子在化学变化中释放出来的能量只有几个电子伏特eV，而天然放射性现象中一个原子放出的能量竟可达到几百万电子伏特MeV； 化学变化不会引起原子性质的根本变化，然而原子经过放射

17、a 或 射线后却完全变了。J 101.6eV 1-19eV10 Mev162022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光27 4.1.2 4.1.2 永不静止的光子永不静止的光子电磁场理论禁止电磁波为静止波形。电磁场理论禁止电磁波为静止波形。光子静止质量为零（理论上认为：光子静止质量为零（理论上认为： 只有引力子质量才可能为零）只有引力子质量才可能为零） ， 在真空中以光速在真空中以光速c 运动。运动。电子、质子等所有其他粒子静止电子、质子等所有其他粒子静止 质量都不为零，它们的速度不可能质量都不为零，它们的速度不可能 达到光速。达到光速。根据相对论根据相对论等物理理论等物理理论和现有实验和现

18、有实验电磁波（包含光波）可以等效看成光子。电磁波（包含光波）可以等效看成光子。2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光28卢瑟福卢瑟福质子的发现人质子的发现人将氢原子核命名为质子。将氢原子核命名为质子。1911年年 提出原子核式模型。提出原子核式模型。1899年年 铀放射线中有铀放射线中有a a射线（穿透性弱）；射线（穿透性弱）；1903年年 a a射线是氦元素正离子；射线是氦元素正离子；1908年年 a a射线对金箔散射射线对金箔散射大角度散射；大角度散射；原子原子r 10-10m 4.1.3 揭开原子核的内幕揭开原子核的内幕卢瑟福卢瑟福核核r010-15m一、发现质子一、发现质子20

19、22-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光291.原子核的电量原子核的电量Q=Ze (e为电子电量）为电子电量） 。2.原子核的质量原子核的质量 M Amp (mp为为质子质量）。质子质量）。实验发现：实验发现：A Z相差很多相差很多卢瑟福猜测：也许一个电子更加紧密地与质子相结合。卢瑟福猜测：也许一个电子更加紧密地与质子相结合。*量子理论不允许电子在量子理论不允许电子在r =10-14m的空间之内存在！的空间之内存在！ （在（在4.2.4节证实节证实)1932年中子年中子被卢瑟福的被卢瑟福的学生学生查查德威克发现！德威克发现！二、发现中子二、发现中子如果原子核仅仅是由质子组成，应有如果原子核仅

20、仅是由质子组成，应有AZ2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光30 4.1.4 囚禁中的夸克囚禁中的夸克 ee du强子的结构强子的结构强子强子重子重子介子介子质子；中子质子；中子加上反粒子共加上反粒子共200多种，太复杂多种，太复杂!一定由更基本的粒一定由更基本的粒子组成！子组成！夸克夸克 sc bt32 e3e 轻子轻子e 0夸克真的存在吗？夸克真的存在吗？尽管从未探测到自由尽管从未探测到自由状态的夸克，状态的夸克，1974年年科学家已经确信。科学家已经确信。2022-2-21大连理工大学 余 虹 姜东光31 4.1.5 四种基本自然力四种基本自然力种类种类相互作用粒子相互作用粒子 强度强度(N) 力程力程传递粒子传递粒子万有引力万有引力 所有粒子所