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从宇宙到夸克作者余虹2/3/20231大连理工大学余虹第四章微观世界探幽2/3/20232大连理工大学余虹2/3/20233大连理工大学余虹姜东光+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2/3/20234大连理工大学余虹姜东光道尔顿（原子）汤姆逊（电子）卢瑟福（质子）查德威克（中子）盖尔曼（夸克）2/3/20235大连理工大学余虹姜东光物质原子电子原子核质子、中子夸克家族电荷质量（GeV）电子子子轻子－1e~104~0.106~1.780e<108

<104<0.035夸克2/3u~0.01c~1.5t>89-1/3d~0.01s~0.15b~5.5大质量粒子寿命极短。我们的宇宙由电子家族组成。

4.1作客粒子家族2/3/20236大连理工大学余虹姜东光微观世界的发现之旅4.1.0X射线的发现4.1.1电子的发现4.1.2永不静止的光子4.1.3揭开原子核的内幕一、发现质子二、发现中子4.1.4囚禁中的夸克2/3/20237大连理工大学余虹姜东光1895年德国物理学家伦琴发现X射线，1896年，法国物理学家贝克勒尔发现放射性，1897年英国物理学家汤姆逊，发现了电子，

19世纪微观世界的三大发现一、19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！

这三大发现揭开了原子存在内部结构，三大发现揭开了研究微观世界的序幕。英国科学家道尔顿是科学原子论的创始人，1807年他依据一系列实验，提出“气体、液体和固体都是由该物质的不可分割的原子组成的”，“同种元素的原子，其大小、质量及各种性质都相同”，2/3/20238大连理工大学余虹姜东光4.1.0、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色的荧光。2/3/20239大连理工大学余虹姜东光

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。伦琴夫人手的X片2/3/202310大连理工大学余虹姜东光

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，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。2/3/202311大连理工大学余虹姜东光

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。

2/3/202312大连理工大学余虹姜东光在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射线的专业杂志——《Ｘ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10–10–2Å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。2/3/202313大连理工大学余虹姜东光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，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电子的发现一、发现电子原子不是最小的粒子！原子核也不是最小的粒子！2/3/202314大连理工大学余虹姜东光实验表征发展二、发现电子实验三部曲阴极射线是什么？让射线从横向电场中通过，没发现偏转。——阴极射线是电磁波！赫兹1891年赫兹发现了阴极射线能够穿透金属薄片。此后勒纳德为阴极射线管开了一个0.000265厘米厚铝箔的窗口,把阴极引出来。实际是真空度不高、场强不够大造成的。2/3/202315大连理工大学余虹姜东光重复赫兹电场偏转实验——得知电子运动速度200km/s——需要加大电场强度。发现管内存在大量气体形成电屏蔽，不能建立电场。于是利用最先进真空技术烘烤射线管，获得了高真空。JJ汤姆逊1897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。1906年，获得诺贝尔物理奖。汤姆逊的原子模型测到了偏转，确定这种带电粒子的荷质比。2/3/202316大连理工大学余虹姜东光三、电子的荷质比电子进入电场之前沿水平方向运动，速度与电场垂直电子出电场时具有沿电场方向速度分量2/3/202317大连理工大学余虹姜东光

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。2/3/202318大连理工大学余虹姜东光电子的发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.deForest)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。2/3/202319大连理工大学余虹姜东光3、放射性的发现

在X射线发现不久，贝克勒尔对一种称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。2/3/202320大连理工大学余虹姜东光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。2/3/202321大连理工大学余虹姜东光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”。2/3/202322大连理工大学余虹姜东光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，2/3/202323大连理工大学余虹姜东光射线、射线和射线发现：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。2/3/202324大连理工大学余虹姜东光放射性应用：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）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。2/3/202325大连理工大学余虹姜东光三大发现，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，然而原子经过放射或射线后却完全变了。2/3/202326大连理工大学余虹姜东光

4.1.2永不静止的光子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：只有引力子质量才可能为零），在真空中以光速c运动。电子、质子等所有其他粒子静止质量都不为零，它们的速度不可能达到光速。根据相对论等物理理论和现有实验电磁波（包含光波）可以等效看成光子。2/3/202327大连理工大学余虹姜东光卢瑟福——质子的发现人——将氢原子核命名为质子。1911年提出原子核式模型。1899年铀放射线中有射线（穿透性弱）；1903年射线是氦元素正离子；1908年射线对金箔散射—大角度散射；原子r~10-10m4.1.3揭开原子核的内幕卢瑟福核r0～10-15m一、发现质子2/3/202328大连理工大学余虹姜东光1.原子核的电量Q=Ze(e为电子电量）。2.原子核的质量MAmp(mp为质子质量）。实验发现：A>

Z——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。*量子理论不允许电子在r=10-14m的空间之内存在！

——（在4.2.4节证实)1932年中子被卢瑟福的学生——查德威克发现！二、发现中子如果原子核仅仅是由质子组成，应有A＝Z2/3/202329大连理工大学余虹姜东光4.1.4囚禁中的夸克强子的结构强子重子介子——质子；中子加上反粒子共200多种，太复杂!一定由更基本的粒子组成！夸克轻子0夸克真的存在吗？尽管从未探测到自由状态的夸克，1974年科学家已经确信。2/3/202330大连理工大学余虹姜东光4.1.5四种基本自然力种类相互作用粒子强度(N)力程传递粒子万有引力所有粒子10-34无限远电磁力带电粒子102无限远光子强力夸克10410-15m胶子弱力夸克、轻子10-2<10-17mW

WZ0引力子注：表中强度指两个紧靠着的质子之间的作用力。2/3/202331大连理工大学余虹姜东光引力强力的特点++高速靠近才能克服电斥力——高温引发氢聚变。1000万oC！氢聚变用裂变“炸弹”引发聚变。斥力无力00.412/3/202332大连理工大学余虹姜东光我们熟悉了足球与海浪的运动——经典的粒子与波。当我们深入研究微观世界时，却发现微观粒子既不像球，又不像波。人们甚至发现，用日常或经典物理的语言都不能很好描述微观粒子引入陌生的概率幅（波函数）来描写微观粒子。4.2震撼世界的量子科学2/3/202333大连理工大学余虹姜东光4.2.1温度与颜色一、热与颜色经典电磁理论：带电粒子加速运动辐射电磁波。温度高振动快辐射能量多～物体辐射紫外线能量趋于无限？不符合实验事实！2/3/202334大连理工大学余虹姜东光光的量子性经典物理无法解释的实验现象一、黑体辐射的规律二、光电效应寻找以太的零结果？热辐射的紫外灾难物理世界上空的两朵乌云2/3/202335大连理工大学余虹姜东光现实背后的机遇当时许多著名的物理学家都认为物理学的基本规律都已被发现，今后的任务只是把物理学的基本规律应用到各种具体问题上，并用来说明各种新的实验事实而已。开耳文在一篇于1900年发表的瞻望二十世纪物理学发展的文章中也说：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只需要做一些零星的修补工作就行了”。2/3/202336大连理工大学余虹姜东光不过他接着又指出：“但是在物理晴朗天空的远处，还有两朵小小令人不安的乌云”。一个是热辐射现象中的紫外灾难，另一个是否定绝对时空观的迈克尔逊—莫雷实验。事实上还有第三朵小小的乌云，这就是放射性现象的发现，它有力地表明了原子不是构成物质的基本单元，原子也是可以分割的。2/3/202337大连理工大学余虹姜东光绝对黑体一个开有小孔的空腔，对射入其中的光几乎可以全部吸收等效于绝对黑体即可以得到测量空腔开口处的辐射本领2/3/202338大连理工大学余虹姜东光光谱仪测量黑体辐射的实验装置2/3/202339大连理工大学余虹姜东光黑体辐射的定律1、Stefan-Boltzmann定律（1879年、1884年）辐射的总能量，即曲线下的面积与T4成正比Stefan-Boltzmann常数2/3/202340大连理工大学余虹姜东光2、Wien位移定律（1893年）曲线的极大值满足用于测量温度2/3/202341大连理工大学余虹姜东光oλ(μm)123568947MBλ维恩瑞利--金斯实验值紫外灾难2/3/202342大连理工大学余虹姜东光能量不连续，只能是h的整数倍。二、普朗克的量子假说1900年12月14日，在德国物理学会上演讲——这一天定为量子力学的诞生日。1900年，普朗克提出能量子hh=6.6310-34J·s——普朗克常数他比喻：能量如商店里卖啤酒，只能一瓶一瓶卖出。他对自己的理论忐忑不安，1910年，提出发射能量不连续，吸收连续－啤酒卖出去后就成了流体。1914年，发射也连续只有相互碰撞时才不连续。普朗克把物理带到量子论大门口，却没进去。2/3/202343大连理工大学余虹姜东光三、量子理论玻尔：原子子处于确定状态时不辐射，只有在不同的能量状态之间跃迁时才发光。爱因斯坦：具有确定频率的单色光，是由具有确定能量的光子组成。德布罗意：一个具有确定能量E、动量P的粒子，在某些测量条件下显示出沿动量方向传播的单色平面波的行为，满足玻恩：物质波是一种概率波，波函数的平方值代表粒子出现的概率密度。2/3/202344大连理工大学余虹姜东光一、经典粒子与经典波经典粒子的特点：定域性、排他性。经典波的特点：广延性、可叠加性。让开！这是我的地方。各种不同频率的电磁波在空间同时传播。4.2.2电子的波动性2/3/202345大连理工大学余虹姜东光二、微观粒子与德布罗意波德布罗意（1924年）：一个具有确定能量E、动量P的粒子，在某些测量条件下显示出沿动量方向传播的单色平面波的行为，其频率、波长满足他明确指出：可以用电子波贯穿晶片进行验证。2/3/202346大连理工大学余虹姜东光三、实验验证镍晶U/V/nm540.1671500.1001040.012相当于X

射线01、戴维孙和革末（1927年）2/3/202347大连理工大学余虹姜东光

电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图像多晶铝泊2.GP汤姆逊（1927）——JJ汤姆逊的儿子3.约恩逊（1961）2/3/202348大连理工大学余虹姜东光1.玻尔的理论对原子内电子的两种描述4.2.3原子中电子的行踪原子能够，而且只能够稳定地存在于能量为一系列离散值E1、E2……的相关状态（定态）。原子能量的变化与辐射（吸收）光子的频率的关系电子的行踪必须满足原子的条件。2/3/202349大连理工大学余虹姜东光Pr2.波函数——描述微观粒子的行踪波函数的平方——电子出现的概率密度(电子云）3.量子数——描述电子的状态能量角动量大小角动量方向自旋=1,2,3,……=0,1,2,…,(n-1)=0,1,2,…,l=1/2,-1/2例:n=2l=0l=1m=0m=-1m=0m=1ms=1/2ms=-1/2m=1/2ms=-1/2ms=1/2ms=-1/2ms=1/2ms=-1/22/3/202350大连理工大学余虹姜东光P1PP2一、电子双缝干涉概率概率幅：P1=|1

|2P2=|2|2经典理论量子理论P=P1+P2=|1

|2+|2|2P=|1

+2|2

=|1

|2+|2|2+1*

2+1

2*概率的概念并没有改变，改变的是计算概率的方法。波、电子枪4.2.4波函数2/3/202351大连理工大学余虹姜东光经典理论：自然过程连续，测量仪器对客体的干扰可无限地连续减小。量子理论：仪器对客体的干扰不能连续减小，作用量子h

的存在规定了干扰的下限与性质。1.测量理论2.不确定关系