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1、第1章 物质的基本性质,1.1 物质的结构及形态,1.2 实物的基本性质,1.3 场与物质的相互作用,1.4 物质的能量,本章内容：,1.1 物质的结构及形态,一、物质世界的结构层次,亚原子 10-1810-17 m,空间尺度：,哈勃半径 10 26 m,10-4,灰尘线度,10-10,原子线度,10-15,原子核线度,103,无线电波波长,10-17,基本粒子线度,6106,地球半径,1.51011,日地距离,7.61022,银河系半径,1026（单位：m）,已观测到的宇宙范围极限,微观系统,介观系统,宏观系统,宇观系统,依照物质的运动规律做了系统性划分,渺观系统,原子尺度数量级的客体，用量

2、子力学处理,接近人体尺度附近几个数量级的物体，用经典力学处理,把由十几个到数百个原子组成的团簇及同量级的物体,物理学以及物理学与其他学科交叉的边缘学科在物质世界中许多层次都有研究。,固体物理学,固体,等离子体物理学,等离子体,高分子化学,10-9,分子,分子物理学,10-10,原子,化学物理、化学,10-14,原子核,相关专业学科,空间尺度数量级(单位：m),层次名称,原子、原子核、粒子物理学,液体动力学,气体动力学,介观物理学,凝聚态物理学,地球、生物物理学,天体物理学,天文学,宇宙学,10-610-8,介观物质,气体,液体,10610-3,凝聚态物质,10-15以下,基本粒子,107105

3、,地上物体,1012107,星球,1020,星系,1026(已知部分),宇宙半径,最小的细胞,原子,原子核,基本粒子,DNA长度,星系团,银河系,最近恒星的距离,太阳系,太阳,山,哈勃半径,超星系团,人,蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次,二、物质存在的时标,时间尺度：,基本粒子寿命 10-25 s,宇宙年龄 1018 s,10-2,市电周期,10-4,高速摄影曝光时间,10-14,光波周期,103,中子寿命,10-25,Z0粒子,105,地球自转周期,107,地球公转周期,1017,地球年龄,1018（单位：s）,宇宙年龄,一次大爆炸 瞬间温度 约为1028K,各处的 温度约 为101

4、0K,宇宙温度 从109K降 到106K,温度降到 几千K,在(1.02.0)1010年前,轻元素的早期合成阶段,物质密度极大，宇宙的结构简单，只有质子、中子、电子、光子和中微子等,1s后,3min,现代的标准宇宙模型,40万年,出现原子和分子，气云，直至今天的宇宙,“婴儿宇宙”照片公开 宇宙年龄实为137亿年,2003年2月12日，美国宇航局公布了探测器拍到的宇宙“婴儿期照片”，为宇宙大爆炸理论提供了新的依据。根据这张照片，科学家还精确地测量出了宇宙的实际年龄是137亿年。,三、物质存在的基本形式,2、物质存在的形式,1、物质与物体,物质：可独立存在的客体。 物体：物质的表现形式。,实物,场

5、,电场 磁场 引力场,抽象化的概念与具体化的概念。 例：铝 铝壶,物质的基本属性：,质量,能量,实物：,由大量原子、分子所组成的宏观实体，也包括原子、分子、离子和静止质量不为零的基本粒子，如电子、质子、中子等。,场：,传递物体间相互作用的媒质。,实物占有一定的体积，以空间间断的形式存在。场没有确定的体积，以连续形式存在于空间中，且具有叠加性。如电场、磁场、引力场等。,实物与场,Relation,(1) 场是实物相互作用的媒介,(2) 场与实物之间可相互转化,(3) 场和实物具有波粒二象性,例：,电磁作用，引力作用,正负电子碰撞湮灭产生电磁波,光电效应，电子衍射,(1) 分布方式不同,(2) 运

6、动属性不同,Distinguish,实物：占有一定体积,不可占有同一空间,可被加速,场：无确定体积，可叠加,不能加速,分子间的相互作用主要是电磁力。,1.2 实物的基本性质,一、分子间的作用力,该力有时能使分子获得非常大的瞬时加速度，但获得的瞬时速度一般不会很大。,例：,其他气体分子的平均速度更小，而液体分子、固体分子比气体分子的平均速度要小得多。,在标准状态下，氢气中的 H2 分子的瞬时加速度有时会相当大，但平均速度：,分子的经典模型是电中性的小球，但其中运动着的电荷的活动性使分子能产生电磁相互作用力。有分子间斥力和分子间引力之分。,分子间斥力和分子间引力都随着分子间距离的增大而迅速减小。,

7、当分子间距离 r r0 时，分子间作用力表现为斥力，且随距离的减小急剧增大。,f,O,斥力,引力,r0,10-9,r (m),分子间的力与分子间距的关系,r0 （约为2.510-10 m ）为两个分子碰撞时分子中心之间的距离，即为分子的有效直径。,当分子间距离 r 10-9 m（称为分子作用距离）时，分子间作用力可忽略不计。,二、物质的基本形态,固态,液态,气态,等离子态,物态：,物质聚集状态的简称，当大量的微观粒子在一定的温度及压强下聚集成一种稳定的状态时，称为一种物态。,(1) 固体,晶体中的粒子排列非常规则；结晶固体包括原子态的、分子态的、离子态的、或宏观分子态的晶体。象金属、硫黄结晶、

8、氯化钠、金刚石等。,晶体：,非晶体：,非晶体中粒子的排列完全没有规则；象玻璃、沥青、橡胶等。,准晶体：,固体有一定的形状和体积，分为晶体、非晶体和准晶体。,具有粒子长程准周期排列；如急骤冷却形成的微米量级铝猛合金 。,(2) 液体和气体,液体和气体都称为流体。,气体分子间的平均距离要比分子力作用范围大的得多，因此除碰撞外，气体分子间没有相互作用。在接连两次碰撞之间，分子是沿着直线运动的。,宏观上看，液体有一定的体积，不易压缩，但没有固定的形状。,指物质在高温或场的作用下电离后形成的由等量正负离子组成的一种聚合态。,等离子态：,(3) 等离子体,等离子体由电子、离子和中性粒子组成，是电和热的良导

9、体，比热非常大。并具有以下两个特点：, 集体效应起主要作用。, 整体呈现准电中性；,电弧,例：,太阳,霓虹灯,白矮星,气态星云,等离子态,19世纪30年代，法拉第观察过气体的辉光放电现象。,1876年，英国物理学家克鲁克斯研究了真空管中的放电现象，第一次指出了物质第四态的存在。,1928年，朗缪尔在一篇题为“电离气体中的振荡”一文中，给电离态的这种物质等离子体。其经典含义是指具有等量异性电荷的电离了的气体。,在地球上，等离子是非常少见，但在茫茫的宇宙中几乎99%的物质都是等离子体。,不要认为气体被电离后肯定就是等离子体，只有电离产生的电子和正离子数目达到足够大并且在宏观上依然保持电中性时才可称

10、得上等离子体。,等离子体在物理性质上和高温气体有着显著区别，等离子体因为具有大量的电子和正离子而成为良好的导体，宏观电磁场对它有明显的影响，高温气体是绝缘体，它对电磁场几乎没有什么反应。,等离子体会产生一系列以集体效应为特征的物理效应，在等离子内部会产生电子的集体振荡，磁场在等离子体内部不会产生变化，磁感应线似乎被“冻结”起来，由此会对外界磁场产生磁压效应等。,随着对等离子体特性的认识和研究的不断深入，等离子体技术在各领域内已经获得了一系列重要的应用。利用等离子体的磁约束效应可实现人工控制条件下的核聚变反应，利用等离子体的热温效应可以实现具有精细颗粒表面的等离子体喷涂。,五、暗物质,根据星体发

11、光的光度学理论得到的宇宙的总质量比动力学理论的结果要小12个数量级，由此人们推测宇宙中还存在所谓的“暗物质”。,但其存在及其形态目前还不清楚。,六、生物大分子,生物大分子归属于软凝聚态物质。,1953年，物理学家威尔金斯与生物学专家合作，得到了DNA结晶的X射线衍射图。,同年，物理学家克里克和遗传学家沃森提出了DNA双螺旋结构模型。,1.3 场与物质的相互作用,一、场的基本性质,场与物质的相互作用一般表现为不同形式的相互作用力，如：引力场中的引力、电磁场中的电磁相互作用力。,（1）场是传递物质间相互作用的媒质,可叠加性：相同性质的场在空间某一点可相互叠加。,（2）场具有独立性和可叠加性,独立性

12、：空间某一点可以有各种不同的场同时存在，它们保持各自独立存在的特征；,（3）描述场存在及其大小有不同的特征指标,速度梯度,速度场,场强、磁感应强度,电场、磁场,万有引力,引力场,（4）势是描述场与物质相互作用的重要物理量,与场发生相互作用的宏观实物或微观粒子，与场相互作用力是保守力（这种力做功只与路径的起点和终点的位置有关，而与路径无关）。如静电场、重力场等都是保守场。引入“势”的概念。,保守场：,非保守场：,不具备上述特征的场即为非保守场，如稳恒磁场。,二、物质相互作用形式,将自然界物质间的相互作用归结为以下四种：,(1) 电磁相互作用,(2) 引力相互作用,(3) 强相互作用,(4) 弱相

13、互作用,例：,电荷,电流,重 力,核 力,粒子衰变,光子 光子,引力子 引力子,介子 介子,玻色子 玻色子,Note:,？,电磁力和引力为长程力，强相互作用和弱相互作用为短程力。,强子，轻子,光，胶子，重子,一切物体,强子，e，r,作用对象,约90GeV,假定为0,未知,0,媒介粒子质量,中间玻色子W，Z0,胶子g1g8,引子,光子r,媒介粒子,10-10 s,10-23 s,10-1610-20 s,典型衰变时间,10-13,1,10-38,10-2,相对强度,10-16m,10-15m,长程,长程,作用距离,弱相互作用,强相互作用,引力相互作用,电磁相互作用,相互作用类型,相关链接：自然界

14、中的基本粒子,基本粒子的特征,质量、电荷、自旋、寿命 ,（1）人们从宇宙射线和加速器实验中发现了700多种粒子，其中绝大多数是强子：,强子：,重子：,介子、介子、介子、介子、介子、 介子等（寿命约10-7 s）,核子：,超子：,自然界中的基本粒子,表中出现了粒子物理学中的一些概念，我们给出简单的分类：,介子：,中子、质子（它们是最轻、最稳定的重子）,、（质量比核子大，寿命约 10-10 s ）,4、将夸克束缚在一起的力是强相互作用，传递强相互作用的 粒子是胶子；,注：,1、重子是费米子（自旋为半整数）；介子是波色子（自旋为整数）；,2、介子是最轻的介子，约为质子重量的 1/7 ，而较重的介子则

15、达到质子重量 的10倍以上；,3、构成强子的基本粒子是夸克，夸克共有6 种；,（2）自然界中除了强子外，还有 6 种轻子：,电子e、子、子、电子中微子、 中微子、 中微子,注：,3、质量较大的轻子可能衰变成电子，较重的夸克有衰变成较轻的夸克的趋势。 这两种情况下都有弱相互作用的参与。传递弱相互作用的粒子是中间矢量波 色子（W+ 、W 和 Z0 ），它们的质量约为质子的100倍，会通过其他粒子衰 变为电子和中微子。,1、子重量为电子的 206 倍，子重量为电子的 3500 倍，它们都带负电，不够 稳定，最终会衰减成电子；,2、中微子没有质量（或许有极小的质量），在反应中伴随其它轻子出现（因此定

16、义了三种中微子）；,1.4 物质的能量,一、能量守恒定律,能量守恒定律是物质在运动和相互作用的过程中遵循一个普遍的原理。即：,能量可在不同的系统之间交换，不同形式的能量是可以相互转化的，但能量的总量保持不变。,二、实物的质量与能量,爱因斯坦在研究物质的能量时得出结论：,一定的质量对应一定的能量,(1) 相对论质量,经典理论：,由爱因斯坦的相对论可知，,m0是静止质量,令,运动中实物（质点）的质量为,(2) 质能关系,如果实物在合外力 的作用下从静止开始作加速运动，根据动能定理，经过时间 t 后，动能 Ek 等于 所做的功：,由牛顿运动第二定律：,(质量 m 为动质量，不能提到微分号外),所以：

17、,即,经典力学中动能的表达式：,在什么情况下，以上两式相当,?,如果 v c ，则：,上式可作近似为：,则：,可见，从一定意义上讲质量和能量是等效的。,对 作泰勒级数展开：,(3) 质量与能量等效原理,在一定条件下，将任何一种能量 E 传递给某物质，就使质量增加 m ，两者的数值关系为：,得爱因斯坦质能关系式：,说明,质量本身就是能量的一种形式；或者说质量和能量是实物形态的两种不同的表现。,或,静止能量：,静止的物体由于它的静止质量而具有能量 m0c2,考虑一个封闭系统，则能量守恒定律（按照爱因期坦的推广）可写成：,能量守恒定律和质量守恒原理在爱因斯坦的质能方程中得到了统一。,三、势能和势能曲

18、线,(1) 保守力的势能,保守力：,做功与路径无关,非保守力：,做功与路径有关,万有引力,静电力,摩擦力,磁场力,保守力做功与路径无关，根据功能原理，可定义一个仅由系统位置决定的能量势能，其变化量可用保守力做功的多少来量度。,势能的定义：,零势能点：,无穷远点 有限远点,保守力做功只与路径的起点和终点的位置有关，与路径无关，所以保守力做功必定是空间位置的函数。,在某一确定的保守力场中，任取了一个标准点“a”，设有一个位置函数U (x、y、z ) （称为势能函数），在 1、2 两点有U (x1，y1，z1) = U (1) ，U ( x2，y2，z2) = U (2)，则：,1,2,a,从位置 1 到位置 2 此保守力做功为：,保守力场中， b 点代替 a 点作为标准点,在此标准点下，空间各点势能变为U ，则 U 与 U 的关系为,b,x,U (b) 是以 a 点为标准点时 b 点的势能。,说明,势能标准点（即零势能点）可以任意选取的。,(2) 势能曲线,U(r),O,势能曲线图,d,r,(r d ),两个氧原子组成的分子，其正