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1、第二章现代自然科学的几个基本问题第一节第一节第二节第二节第三节第三节（1）科学原子论的发展（2）现代原子结构的深入研究德谟克利特：物质是由不可分、不可入的永恒的原子构成；原子在无限的虚空中的各个方向上运动，其相互结合、分离以及排列的次序、位置和原子性质的多样性，构成了纷繁复杂的世界。元素概念与化学的确立 1661年波义尔提出科学的元素概念原子-分子论 1803年道尔顿原子论认为原子是最小的粒子 1811年阿佛加德罗提出分子假说 化学元素周期律 1869年门捷列夫发现周期律 实现了原子论从思辩性的自然哲学向科学的转化 “原子是最小的粒子”元素是某些不由人和其他物质所构成的、原始的、简单的物质，而
2、且是化学方法不能再分解的实物。“原子是参加化学反应的最小粒子，分子是能独立存在的最小粒子。”发现了大量元素，同时揭示了物质世界的根本性规律，奠定了现代化学的基础。元素周期律。 元素周期表元素周期表可以据此有计划、有目的的去探寻新元素；可以矫正以前测得的原子量 ；使人类在认识物质世界的思维方面有了新飞跃。 原子模型的演进原子模型的演进 ，汤姆逊阴极射线实验，发现电子，打破原子不可再分，葡萄干面包模型。 ，卢瑟福粒子散射实验，确立原子核式结构模型，证实原子由电子和原子核组成。 ，玻尔原子壳层模型 年，质子和中子的发现年，质子和中子的发现 对原子结构及基本粒子的深入研究现代电子云模型汤姆逊葡萄干蛋糕
3、模型卢瑟福 核式模型玻尔 壳层模型原子构成示意图光子的质量为零。每种粒子都具有一定的质量。粒子在衰变前的平均存在时间。电子、质子、中微子等稳定，其他都会或长或短衰变成其他粒子。除不带电的中性粒子外。质子电荷的整数倍。每个粒子都有自旋运动。用粒子半径表示。原子为，质子半径为。粒子都是配对的。如电子和正电子，质量自旋相等，而电荷和磁矩相反。质量质量：寿命寿命：电荷电荷：自旋自旋：大小大小：粒子与粒子与反粒子反粒子： 1. 强子：直接参与强相互作用的粒子称为强子强子：直接参与强相互作用的粒子称为强子。分。分介子和重子介子和重子两类。介子是自旋量子数为零或正整数的两类。介子是自旋量子数为零或正整数的强
4、子；重子是自旋量子数为零或半整数的强子。强子；重子是自旋量子数为零或半整数的强子。 强子中强子中只有质子和反质子是稳定粒子只有质子和反质子是稳定粒子，其余在自，其余在自由状态下都要衰变。少数通过电磁相互作用衰变，由状态下都要衰变。少数通过电磁相互作用衰变，有些通过弱相互作用衰变，绝大多数通过强相互作有些通过弱相互作用衰变，绝大多数通过强相互作用衰变的。用衰变的。中子在自由状态是不稳定的，但是在原中子在自由状态是不稳定的，但是在原子核内它却能稳定地存在着。子核内它却能稳定地存在着。 3 3、基本粒子的分类、基本粒子的分类 3. 传播子：传播子：传递相互作用的媒介粒子。传递相互作用的媒介粒子。 电
5、磁力传播子是光子电磁力传播子是光子 ；弱力传播子是中间玻色；弱力传播子是中间玻色子子W W 、W W 和和Z Z0 0；强力传播子是胶子，粒子参与强相互强力传播子是胶子，粒子参与强相互作用时胶子确实存在并起作用。迄今还没发现自由作用时胶子确实存在并起作用。迄今还没发现自由状态下的胶子和引力子。状态下的胶子和引力子。 2. 轻子：轻子：不参与强相互作用、自旋量子数都是半不参与强相互作用、自旋量子数都是半整数的粒子。整数的粒子。 3种带电轻子：种带电轻子：电子电子e、 子和子和 子；子；3种中性轻子：种中性轻子：电子中微子电子中微子 e 、 子子中微子中微子 和和 子子中中微子微子 ，静质量可能都
6、是零。以上，静质量可能都是零。以上6种轻子连同种轻子连同它它们的反粒子们的反粒子，共计，共计12种轻子。种轻子。 基基 本本 粒粒 子子 的的 分分 类类1.强子：强子：2.轻子：轻子：3.传播子：传播子：重子：重子：介子介子质子质子中子中子电子电子 电子中微子电子中微子子、子、子中微子子中微子 子、子、子中微子子中微子 胶子胶子 （传递强力）（传递强力） 光子光子 （传递电磁力）（传递电磁力） 中间玻色子中间玻色子 （传递弱力）（传递弱力） 4 4、强子内部的结构（夸克模型、强子内部的结构（夸克模型quark modelquark model） (1) 强子是由夸克和胶子组成的复合粒子。夸克
7、分强子是由夸克和胶子组成的复合粒子。夸克分成成6种，即上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底种，即上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底(美美)夸克和顶夸克和顶(真真)夸克。夸克。 (2) 夸克间存在非常强的吸引力，称为夸克间存在非常强的吸引力，称为“色色”力。每力。每种夸克都有种夸克都有3色，即色，即“红红”、“蓝蓝”和和“绿绿”。强子是。强子是“无色无色”的的,所以每个强子由所以每个强子由3种种“颜色颜色”的夸克等量组的夸克等量组成。成。 (3) 夸克间的相互作用通过夸克间的相互作用通过交换胶子交换胶子来实现；胶子来实现；胶子共有共有8种。夸克所参与的强相互作用的行为和强弱是由种。夸克所参与的
8、强相互作用的行为和强弱是由夸克所带电荷的大小决定的。夸克所带电荷的大小决定的。 (4) 在强子中，重子由在强子中，重子由3个夸克组成，介子由个夸克组成，介子由1个夸个夸克和克和1个反夸克组成。强子内部除了夸克和反夸克还个反夸克组成。强子内部除了夸克和反夸克还存在胶子。胶子可转化为夸克和反夸克，夸克和反夸存在胶子。胶子可转化为夸克和反夸克，夸克和反夸克又可湮没为胶子。克又可湮没为胶子。 (5) “夸克禁闭夸克禁闭”：夸克间的色作用当距离减小时，：夸克间的色作用当距离减小时，作用很弱，是近乎自由的，而当距离增大时，作用增作用很弱，是近乎自由的，而当距离增大时，作用增强，因此要想把夸克拉开到分成单个
9、夸克，能量大到强，因此要想把夸克拉开到分成单个夸克，能量大到足以产生新的夸克，结果拉出的不是自由夸克，而是足以产生新的夸克，结果拉出的不是自由夸克，而是强子。因此，强子是有内部结构的复合粒子的说法是强子。因此，强子是有内部结构的复合粒子的说法是正确的。正确的。空间平移对称动量守恒 空间旋转对称角动量守恒空间镜像对称宇称守恒时间平移对称能量守恒电磁规范对称电荷守恒在微观世界里，粒子的产生和消亡都是非常普遍也是时时处处都在发生的。如：电子遇上正电子，同时消亡转化为光子；而高能光子在原子核的库仑场中又可以转化为一对电子和正电子。当质子遇上反质子，同时消亡转化为介子等。对称与守恒定律守恒定律具有普遍意
10、义的根源在于时间、空间等物质存在形式的各向同性性及均匀性，对称性只是其中的一部分。1.物质结构的研究和其他学科2.物质结构的研究和高技术3.物质结构研究所面临的挑战粒子物理学粒子物理学宇宙学宇宙学核物理学核物理学原子物理原子物理宇宙线物理宇宙线物理研究物质结构的得力工具物质结构研究的技术与辐射技术的应用北京正负电子对撞机（），高能加速北京正负电子对撞机（），高能加速器的一种，是研究核物理、高能物理、认识微器的一种，是研究核物理、高能物理、认识微观世界的一个重要手段。观世界的一个重要手段。BEPC BEPC 象一支硕大的羽象一支硕大的羽毛球拍，由北向南而卧。球拍的毛球拍，由北向南而卧。球拍的“把
11、把” 注入注入器是一台长器是一台长202m 202m 的行波正负电子直线加速器。的行波正负电子直线加速器。球拍的球拍的“框框” 储存环。图为储存环。储存环储存环。图为储存环。储存环是一台跑道型的环形加速器，中心轨道周长是一台跑道型的环形加速器，中心轨道周长240.4240.4米。米。世界上第一台对撞机意大利1962AdA1999美国重离子对撞机在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机LHC隧道27公里。国际直线对撞机（ILC）构想，隧道40公里。辐射技术的应用1.1.同步辐射技术同步辐射技术: :2.核辐射技术：核辐射技术：在加速器中，电子在储存环中作曲线运动时沿切线方向在加速器中，电子在储存环中作
12、曲线运动时沿切线方向向前发出的电磁波。向前发出的电磁波。是一门以原子核物理学和核化学为基础，以反应堆、加是一门以原子核物理学和核化学为基础，以反应堆、加速器和核辐射探测技术为工具的综合性强、应用面广的速器和核辐射探测技术为工具的综合性强、应用面广的现代科学技术。现代科学技术。核分析技术核分析技术核成像技术核成像技术放射性药物放射性药物辐照加工技术辐照加工技术核辐射检测技术核辐射检测技术核能技术核能技术 随着人们认识到物质最小构成单随着人们认识到物质最小构成单元不再是分子、原子，而是轻子和夸克，元不再是分子、原子，而是轻子和夸克，人们不禁要问，轻子和夸克能否还可分？人们不禁要问，轻子和夸克能否还可分？物质最小构成单元是什么？有没有真正物质最小构成单元是什么？有没有真正的基本粒子？的基本粒子？ 关于夸克，六种夸克，加上他们的反粒子。而关于夸克，六种夸克，加上他们的反粒子。而每种夸克又都有三每种夸克又都有三“色色”，这样总共有，这样总共有3636种夸克，种夸克，甚至有人认为更多，为什么这么多？夸克真的存在甚至有人认为更多，为什么这么多？夸克真的存在吗？夸克的内部结构又是怎样的？吗？夸克的内部结构又是怎样的？3.物质结构研究所面临的挑战