现代自然科学

现代自然科学研究自然界物质形态、结构、性质和运动规律的科学01粒子世界的新发现从凝聚态物理到天体物理结构化学与高分子化学基本粒子四大演化目录03050204基本信息现代自然科学，是研究自然界物质形态、结构、性质和运动规律的科学。包括数学、物理、化学、天文学、地球科学、生命科学等。它不仅是巨大的生产力，推动经济的发展，而且对人类思想文明的进步起着巨大的推动作用，成为提高人类认识世界能力的源泉、建立科学世界观的重要基础、加强道德建设的重要条件，培养人们勇于为科学真理献身的精神。粒子世界的新发现原子核α粒子散射实验宇宙射线宇宙射线的发现粒子世界的新发现第一代粒子的发现第二代粒子的发现第三代粒子的发现粒子之间相互作用力的探索粒子世界的新发现原子核原子核（英语：Atomicnucleus）是原子的核心部分，位于原子的中央，占有原子的大部分质量。原子核由质子和中子组成。当周围有和其中质子等量的电子围绕时，构成的是原子。原子核极其渺小。α粒子散射实验实验用准直的α射线轰击厚度为微米的金箔，发现绝大多数的α粒子都照直穿过薄金箔，偏转很小，但有少数α粒子发生角度比汤姆孙模型所预言的大得多的偏转，大约有1/8000的α粒子偏转角大于90°，甚至观察到偏转角等于150°的散射，称大角散射，更无法用汤姆生模型说明。汤姆生模型汤姆生模型认为，原子的正电荷均匀地分布在整个原子球体中（球直径的数量级是10的-10次方米），带负电的电子则散布在正电荷内。这些电子分布在对称的位置上，有如葡萄干均匀地分布在蛋糕中似的。故人们把它称为“葡萄干蛋糕”模型。当这些电子静止在平衡位置时，电子就会振动而使原子发光。1911年卢瑟福提出原子的有核模型(又称原子的核式结构模型），与正电荷的质量集中在中心形成原子核，电子绕着核在核外运动，由此导出α粒子散射公式，说明了α粒子的大角散射。卢瑟福的散射公式后来被盖革和马斯登改进了的实验系统地验证。根据大角散射的数据可得出原子核的半径上限为10-14米，此实验开创了原子结构研究的先河。这个实验推翻了J.J.汤姆森在1903年提出的原子的葡萄干圆面包模型，认为原子的正电荷和质量在一起均匀连续分布于原子范围，电子镶嵌在其中，可以在其平衡位置作微小振动，为建立现代原子核理论打下了基础。宇宙射线（1）什么是宇宙射线人们向微观世界进军中，除了运用天然放射线和通过加速器所产生的快速粒子，还发现一个天然的“实验室”，就是宇宙射线。宇宙射线亦称为宇宙线，是来自外太空的带电高能次原子粒子。它们可能会产生二次粒子穿透地球的大气层和表面。大约89%的宇宙线是单纯的质子或氢原子核，10%是氦原子核或α粒子，还有1%是重元素。这些原子核构成宇宙线的99%。孤独的电子(像是β粒子，虽然来源仍不清楚)，构成其余1%的绝大部分；γ射线和超高能中微子只占极小的一部分。（2）宇宙射线的发现过程1912年，德国科学家韦克多·汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中，发现电离室内的电流随海拔升高而变大，从而认定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，于是有人为之取名为“宇宙射线”。宇宙射线的发现（1）正电子（2）正负电子对与光子的相互转化（3）介子的发现1）参与核力作用的π介子2）与原子核几乎不发生作用(只参与弱作用)的μ介子第一代粒子的发现到1947年，人们一共认识到14种基本粒子，如果按照质量递增的次序来排列，就是光子、轻子(包括上正负电子、正负μ子和预言中的微子和反中微子)、3种π介子、重子(包括中子、质子和预言巾的反中子、反质子)。第二代粒子的发现在1947年，基本粒子研究十出现了理论上无法解释的事情，这就是在宇宙线中找到了大约为电子质量1000倍的K介子和大约为电子质虽2200倍的超子。这些粒子有着奇异的特性，即都产生得快，而衰变得慢，故称奇异粒子。使已认识的基本粒子达到30种。这批奇异粒子被称为第二代基本粒子。第三代粒子的发现从20世纪60年代起，物理学家们又发现了一大批寿命极短的共振态的粒子，使基本粒子的总数达到400余种。共振态粒子又被叫做第三代基本粒子基本粒子的大量发现和对它们的系统分类又使人们认识到，基本粒子也不是物质结构的最终实体，也有内部结构。1956年，日本物理学家坂田昌一(公元1911—1970)从物质无限可分的思想出发，认为所有参与强相互作用的粒子(强子)都是由质子、中子、超子这三种基础粒子构成的。坂田模型解释了一些事实，又与某些实验明显抵触。1964年，美国物理学家盖尔曼(公元1929—)在建立了强子的周期表后提出了夸克模型,认为带分数电荷的3种夸克(及其反夸克)组成了基本粒子。1965年至1966年，我国物理学家在基本粒子研究中提出了新的见解，他们认为对称性的产生和破坏都只能是强子内部有某种结构的反映，并在分析了前人的研究成果的基础上提出了层子模型。各国物理学家正在对夸克模型和层子模型进行深入的研究，但至今还没有找到“自由夸克”的存在，也没有发现夸克或层子能够单独存在的证据。一些人认为，夸克或层子将永远被幽禁在强子中。

粒子之间相互作用力的探索粒子的新发现促使人们开始了粒子之间相互作用方式的探讨。粒子之间的相互作用的基本形式有四种，即四种基本力。四种基本力的主要特征见下表：四种基本力的主要特征现代自然科学早在20世纪40年代就有人在探讨弱相互作用和电磁相互作用的统一。1961年美国的格拉肖发表了第一篇有实际进展的论文，奠定了弱—电位—理论的基础。1967年美国的温伯格(公元1933一)和巴基斯坦的萨拉姆(公元1926一)分别提出了弱电相互作用统一模型理论。这一理论已得到一系列实验的支持。在这个理论的启发下，人们又在探讨强、弱、电三种相互作用的理论，即大统一理论，这种探索还在继续。基本粒子强子轻子传播子费米子玻色子62种基本粒子010302040506基本粒子强子强子就是所有参与强力作用的粒子的总称。它们由夸克组成，已发现的夸克有六种，它们是：顶夸克、上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克和底夸克。其中理论预言顶夸克的存在，2007年1月30日发现于美国费米实验室。现有粒子中绝大部分是强子，质子、中子、π介子等都属于强子。(另外还发现反物质，有著名的反夸克，现已被发现且正在研究其利用方法，由此我们推测，甚至可能存在反地球，反宇宙)奇怪的是夸克中有些竟然比质子还重，这一问题还有待研究。轻子轻子就是只参与弱力、电磁力和引力作用，而不参与强相互作用的粒子的总称。轻子共有六种，包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子。电子、μ子和τ子是带电的，所有的中微子都不带电，且所有的中微子都存在反粒子；τ子是1975年发现的重要粒子，不参与强作用，属于轻子，但是它的质量很重，是电子的3600倍，质子的1.8倍，因此又叫重轻子。传播子传播子也属于基本粒子。传递强作用的胶子共有8种，1979年在三喷注现象中被间接发现，它们可以组成胶子球，由于色禁闭现象，至今无法直接观测到。光子传递电磁相互作用，而传递弱作用的W+，W-和Z0，胶子则传递强相互作用。重矢量玻色子是1983年发现的，非常重，是质子的80一90倍。费米子基本费米子分为2类：夸克和轻子夸克实验显示共存在6种夸克（quark），和他们各自的反粒子。这6种夸克又可分为3“代”。他们是第一代：u（上夸克）d（下夸克）第二代：s（奇异夸克）c（粲夸克）第三代：b（底夸克）t（顶夸克）另外值得指出的是，他们之所以未能被早期的科学家发现，原因是夸克决不会单独存在（顶夸克例外，但是顶夸克太重了而衰变又太快，早期的实验无法制造）。他们总是成对的构成介子，或者3个一起构成质子和中子这一类的重子。这种现象称为夸克禁闭理论。这就是为什么早期科学家误以为介子和重子是基本粒子。玻色子玻色子（英语：boson）是依随玻色-爱因斯坦统计，自旋为整数的粒子。规范玻色子是一类在粒子之间起媒介作用、传递相互作用的粒子。之所以它们称为“规范玻色子”，是因为它们与基本粒子的理论杨-米尔斯规范场理论有很密切的关系。自然界一共存在四种相互作用，因此也可以把规范玻色子分成四类。引力相互作用：引力子（graviton）电磁相互作用：光子（photon）弱相互作用（使原子衰变的相互作用）：W及Z玻色子，共有3种。强相互作用（夸克之间的相互作用）：胶子（gluon）玻色子62种基本粒子一、轻子（12种）轻子主要参与弱作用，带电轻子也参与电磁作用，不参与强作用。01、电子02、正电子（电子的反粒子）03、μ子04、反μ子05、τ子06、反τ子07、电子中微子08、反电子中微子09、μ子中微子10、反μ子中微子从凝聚态物理到天体物理完整的物理学体系凝聚态物理的新进展天体物理人类地球观的变化史天体物理的进展12345从凝聚态物理到天体物理完整的物理学体系夸克——基本粒子——原子核和原子——分子——凝聚态(固体和流体)——地球和其他天体——星系和整个宇宙凝聚态物理的新进展首先是与超高压、高真空、超高温、极低温、强磁场等特殊条件的获得有关。1905年，美国的布里奇曼(公元1882—1961)发明了1万大气压的超高压装置，他还利用这种装置进行了高压下岩石物性的实验研究。高压物理学成为高压工程(如人造金刚石)的理论基础。人造金刚石19世纪电照明的应用，特别是电子管的发明推进了真空技术的发展。电子管二级管1910年至1915年，德国的盖达(公元1878—1945)先后发明了油封转动的分子泵和汞扩散型真空泵，从而能造成10+一10—’托(1托等于133．3224帕)的真空，高真空的获得是研究固体表面性质、激光、材料加工等的必不可少的条件。极低温状态下的物性研究是固体物理学的重要分支。人们较早就知道，气体液化时的吸热反应会导致低温出现。1881年荷兰的范德瓦尔斯（公元1837-1923）就开展了低温下气态和液态相互关系的研究。1906年至1913年，德国人能斯脱（公元1864-1941）低温研究提出了热力学第三定律，证明了绝对零度是不可能达到的。天体物理太阳系(2张)就非生命现象的领域来看，凡空间尺度大于10ˉ6~10ˉ4厘米的均属于宏观对象，这不仅包括空气中的尘埃、地面上的物体，还要包括山川湖海、地质构造体系，乃至行星、恒星以及行星系(如太阳系)。在略大一些尺度的宏观范围里，19世纪的地质学已对地层的分类、构造和起源进行了初步的研究，但那时的对象主要还限于地球表面的局部地域。19世纪和更早些的天文学也主要是研究太阳系和少数恒星的运动轨迹、大小、质量，对更多的天体和星际物质的光度、温度、磁性、密度、结构、化学组成、能量来源等则缺乏了解。地球物理、天体物理还处于形成过程中。人类地球观的变化史1）19世纪人们普遍接受地球是由炽热物体逐渐冷缩而形成的观点，在发现地壳岩石中的放射现象后，逐渐形成了地球具有内部热动力的看法。然而，19世纪的科学家虽然认识到地球有它演化的历史，但又认为地球上的陆地、海洋在生成之后基本上没有大的变化，陆地是固定的，大洋也是永存的。2）大陆漂移说20世纪，地质学上的一些新发现打破了这种地球观。1921年，德国科学家魏格纳（公元1880-1930）根据大西洋两岸海岸线形状相似、生物和古生物有亲缘关系以及地质地理现象的连续性，提出了大陆漂移的设想。他认为，在地质历史上的古生代，全球只有一块巨大的陆地——联合古陆，周围是一片大洋。中生代以来，联大陆漂移说合古陆开始分裂、漂移，逐渐形成为现在的几个大陆和一些岛屿，大洋被隔开形成几个大洋和若干个小海。3)地幔对流说1928年英国人霍姆斯（公元1890-1965）提出了地幔对流说，认为地幔物质存在着非常缓慢的热对流，牵引大陆向某个方向水平运动，对漂移机制最新做出了解释。天体物理的进展天体演化学是20世纪天文学研究最重要的领域，提出了恒星从超密物质或稀薄的弥漫物质生成并逐渐演化的假说。对宇宙和宇宙演化的研究为许多天体物理学所，提出了膨胀宇宙模型。20世纪40年代末，美籍科学家迦莫夫（公元1904-1968）把基本粒子研究同宇宙膨胀论起来，提出了大爆炸宇宙说，认为人类的宇宙起源于极高密度的“原始火球”的大爆炸，而后经过百亿年以上的演化成为今日的世界。在60年代，由于30K微波背景辐射等的发现，大爆炸假说被多数天文学家所接受。（1）宇宙的演化1）宇宙演化的极早期，基本粒子形成阶段。从宇宙演化时间的0秒到10-36秒，宇宙急剧膨胀，产生了夸克粒子。10_6秒前，强子生成，10_2秒前轻子产生。在这个阶段中，由于中子衰变成质子放出电子和中微子，电子和正电子相遇而湮灭为两个光子，因而光子辐射占了优势。2)辐射阶段和核合成阶段。从1秒开始持续到104年。起初宇宙以辐射为主，实物只占次要地位。3分钟时，温度下降到109K，开始进行核反应，中子与质子合成氘核，进而合成氦核，实物逐渐占优势。3）实物阶段。104年后，温度下降到10’K，形成稳定的原子，宇宙中辐射退居次要地位，实物占据主要地位，实物间的万有引力开始起主要作用。之后，宇宙中稀疏的气态物体开始形成原始星云，进而形成星系团，再从星系团分化出星系(如银河系)。四大演化宇宙演化恒星演化地球演化生物演化四大演化宇宙演化（1）光辐射宇宙诞生初期是由均匀且各向同性的高密高温高压物质构成的，并在极早期发生了非常快速的膨胀和冷却。大约在膨胀进行到10^-37秒时，产生了一种相变使宇宙发生暴涨，在此期间宇宙的膨胀是呈指数增长的。当暴涨结束后，构成宇宙的物质包括夸克－胶子等离子体以及其他所有基本粒子。（2）粒子形成时标-10^-43秒宇宙从量子背景出现。时标-10^-35秒同一场分解为强力、电弱力和引力。时标-10^-5秒10万亿开，质子和中子形成。时标0.0001秒，温度达几十万亿开，大于强子和轻子的阈温，光子碰撞产生正反强子和正反轻子，同时其中也有湮灭成光子。在达到平衡状态时，粒子总数大致与光子总数相等，未经湮灭的强子破碎为“夸克”，此时夸克处于没有任何相护作用的“渐进自由状态”。宇宙中的粒子品种有：正反夸克，正反电子，正反中微子。最后，有十亿分之一的正粒子存留下来。时标0.01秒温度1000亿开，小于强子阈温大于轻子阈温。恒星演化（1）原子核聚变宇宙最开始，没有物质只有能量，大爆炸后物质由能量转换而来（质能转换E=mc2），当代粒子物理学告诉我们，在足够高的温度下（称为“阈温”），物质粒子可以由光子的碰撞产生出来。随着第一批恒星的形成，原子在恒星的内部发生了核聚变反应，进而出现了氦，碳、氧、镁，铁等元素原子核。核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。（值得注意的是，不同质量的恒星能引发的核聚变程度不同，太阳主要为氢—氦聚变，重一点的会引发碳—氧—镁聚变，再重的会引发下一轮聚变。总的顺序简略依次为：氢—氦—碳—氧—镁—硅—铁。但无论恒星多重，最终的聚变结果只能是铁，恒星内部不能产生比铁更重的原子核！）凡是元素周期表上有的（除人造元素外），都是在恒星大炼炉里形成的，铁以后的原子核，只能在超爆中产生。地球演化（1）天文时期距今约46亿年前，在地球的内部重力收缩和放射性衰变发热等的作用下，地球内部的物质也发生了变化，一些物质出现了局部熔融的现象。（2）地质时期岩石圈：在重力作用下，本来处在地球外部的较重的物质开始慢慢下沉，液态的铁等重元素沉到了地球中心，形成地核。同时，地球内部较轻的物质上升，逐渐形成了地壳、地幔、地核等圈层。气圈：紧接着就是地球大气层的形成。在地球形成初期，原始大气全部跑到了宇宙空间。后来，地球上的温度上升，地球内部的物质重新组合，地球内部气体也上升到地面，形成地球大气层。这层大气在绿色植物出现之后又得到了进一步的发展。在绿色植物光合作用的影响下，它逐渐发展成为现代的大气层。水圈：地球形成之初，大量的小天体，以每秒10千米的速度，不停地撞击地球，使得地球刚刚形成的地壳一次又一次地破裂，构造活动、火山喷发频繁发生，大量的火山喷气进入地球上空，形成次生大气。大气中充满CO2，呈现出黄色的“天空”，而没有氧气。随着地球温度的逐渐下降，地球上空的大气凝结成水滴，在重力作用下，形成了降雨。这地球上的第一次降雨，无休止地下了几千年、几万年、甚至几百万年，原先地球表面的坑洼沟谷成为江河湖海，但那时的水是灼热地球表面近于沸腾的水。生物演化（1）有机小分子大气在闪电、紫外线、冲击波、射线等能源下，形成一系列有机小分子化合物，有氨基酸、核苷酸等（这已被美国科学家米勒设计的模拟雷鸣闪电的火花放电装置使无机物合成有机物这个实验得到证实）。（2）有机大分子有机小分子化合物或直接落入原始海洋，或经由湖泊、河流汇集到原始海洋，在海洋中层长期积累、相互作用，在适当条件下，进一步缩合成结构原始、功能不专一的蛋白质、核酸等生物大分子，这些生物大分子在原始海洋中积累，浓度不断增加，凝聚成小滴状，形成多分子体系。（3）生物大分子在一定的进化概率和适宜的环境条件下，再经过长期不断进化，大约在35亿年前终于形成了具有新陈代谢和自我繁殖能力的原始生命体。此为生命演化的第一阶段，即非细胞生命阶段，实现了从非生命到生命转变的过程。（4）原始生物从距今30亿年左右到5.7亿年这段时间，地球进入前古生代时期。结构化学与高分子化学什么是结构化学人类提出原子价概念到认识化学键的历史过程有机合成化学和高分子化学的建立从细胞水平向分子水平深入的生物学研究结构化学与高分子化学什么是结构化学结构化学是在原子-分子水平上研究物质分子构型与组成的相互关系以及结构和各种运动的相互影响的化学分支学科。它又是阐述物质的微观结构与其宏观性能的相互关系的基础学科。结构化学不但与其他化学学科密切，而且与生物科学、地质科学、材料科学和医药学等各学科的研究相互关联、相互配合、相互促进。对于化学来说，原子结构研究的结果首先使元素周期律获得了新的解释。门捷列夫周期律开始揭示了元素之间的内在，但是元素的性质为什么会随原子量的增加而呈周期性的变化，这种内在的根据并不清楚。当揭示了原子的内部结构和有了x射线、o射线作为探测手段之后，情况就不同了。1913年，英国人莫斯莱(公元1887—1915)用不同元素作为产生X射线的靶子，发现它们所产生的特征X射线的波长不同。他把各元素按所产生的特征X射线的波长排列，又发现其排列次序与元素在周期表中的次序是一致的。他把这个次序叫原子序数。1920年，英国的查德威克(公元1891—1974)进一步做了不同元素的。散射实验，测定各元素的核电荷，证明原子序数在数量上正好等于核电荷数。也就是说，元素周期性的根据并不基于表观上的原子量，而是基于原子内部的构造即原子核所带的电荷多少。到1925年，由于量子力学的产生和泡利不相容原理的提出，使元素周期律获得了更科学的解释。人们认识到：核外电子按一定壳层分布，最里面的电子壳层只能容纳2个电子，然后依一定规律分布，电子层越多，最外层电子离核越远，核对它的吸引力越小，故它容易失去电子；外层电子越少，越是容易失去电子；最外层电子越多，则越容易夺得电子，达到8个电子时为饱和状态；外层电子数相同的元素的化学性质相近，外层电子增多，元素的金属性随之减弱。人类提出原子价概念到认识化学键的历史过程19世纪已有了原子价的概念，但是当时的原子价概念还是较为直观的描述，对原子之间究竟是怎样以一定的原子价而发生作用，并且相互结合在一起并不真正了解。(1)电子发现之后，人们才认识到原子结合时的正价数是一个原子在结合时失去的电子数；而负价数则是一个原子得到的电子数，这是人们对原子价概念的进一步了解。(2)1916年，德国化学家柯塞尔(公元1888—1956)在玻尔的原子结构模型的影响下又发展了原子价理论。他认为，原子因失去电子或夺得电子而达到与惰性元素相近的电子结构，就形成了稳定的离子，这些稳定离子中一部分因失去电子而显正电性；另一部分又因夺得电子而显负电性，这些分别带正负电性的离子之间又因库仑引力而相互结合。柯塞尔把这种因库仑引力而形成的正负离子间的价键，称之为电价键。(3)1916年，美国化学家路易斯(公元1875—1946)又提出了共价键理论。(4)崭新的化学键概念，“电子云”。(5)价键理论，另一种叫分子轨道理论。(6)与价键理论平行发展的就是用分子轨道法来进行分子键力的研究。有机合成化学和高分子化学的建立由于化学工业的发展，人类已不仅能从天然产物、农产品、煤、煤焦油中提取有机物质，在20世纪里又能用电石、石油等为原料制造出各种有机化合物。而且，还能利用简单的有机分子人工制成多种合成染料、合成纤维、合成药物、合成橡胶、合成塑料、