《近代物理学》第一章课件

《近代物理学》授课班级：应用物理09本物理教育09专Modernphysics近代物理学经典物理学经典物理学：力学、热学、电磁学、光学。近代物理学：相对论、量子力学。本书主要用量子力学的基本概念和图像分析物质微观结构各层次的实验现象，以及在此基础上形成的理论分析和处理的方法。微观物理学2.近代物理学的基本内容：分子、原子、原子核及粒子物理。1.物质结构的层次按其基元存在的空间尺度来分可分为：宇观宏观微观

本章主要讨论物质结构的微观层次物质机构的微观层次第一层次：分子第二层次：原子第三层次：原子核第四层次：强子更深层次：夸克和轻子宏观原子团簇0.1nm-1nm纳米微粒1nm-100nm介观系统10-6m-10-7m1.物质微观结构链及个层次的空间尺度2.物质微观结构链各层次起支配作用的相互作用2.1粒子间的相互作用引力相互作用电磁相互作用弱相互作用：粒子衰变过程10-19m强相互作用：核子之间夸克之间（色相互作用）

10-15m强子轻子原子分子层次通常忽略2.2物质微观结构链各层次起支配作用的相互作用3.物质微观结构链各层次基元间的结合能1.分子内原子间的结合能：几个eV2.原子内外层电子和内层电子的结合能：eV~keV3.原子核内核子的平均结合能：MeV4.核子夸克间的平均结合能：

无穷大，到目前为止没有发现自由的夸克。1.国际单位制中的基本量、基本单位长度（m，米）质量（kg，千克）时间（s，秒）电流（A，安培）热力学温度（K，开尔文）物质的量（mol，摩尔）发光强度（cd，坎德拉）2.导出量、导出单位3.国际单位制中用以表示十进制的词头及符号4.各微观层次常用单位：1.基本物理常量：是在目前的理论中不能用更基本的常量表示出来的量，它们的数值必须用实验来测定。基本原子常量（不包括G）*1.c出现在相对论中，是时空关系的基本常量*2.h出现在量子物理中，是描述物质微观世界的基本常量*3.e原子分子层次，电子相互作用占支配地位，基本电荷e是表征电磁相互作用的特征常量*4.G引力相互作用在宇观层次的天体物理中占支配地位，G是表征引力相互作用的特征常量*5.memp

在量子物理中，质量的起源仍是一个探讨中的问题，所以粒子的质量是重要的基本常量*6.NA和kB是联系微观和宏观的两个基本常量2.常用组合常量1.人类对原子的认识历史

a.德谟克利特等公元前5世纪，希腊哲学家德谟克利特等人认为：万物是由大量的不可分割的微粒构成的，这种微粒即原子。

b.道尔顿原子模型19世纪初，英国科学家道尔顿提出近代原子学说，他认为原子是微小的不可分割的实心球体

汤姆生原子模型：原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多电子，中和了电荷，从而形成了中性原子。原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球体内，电子像面包里的葡萄干镶嵌其中。c.原子并不是构成物质的最小微粒——汤姆生发现了电子(1897年)d.卢瑟福和他的助手做了著名α粒子散射实验。根据实验，卢瑟福在1911年提出原子有核模型。卢瑟福原子模型（又称行星原子模型）：原子是由居于原子中心的带正电的原子核和核外带负电的电子构成。原子核的质量几乎等于原子的全部质量，电子在原子核外空间绕核做高速运动。卢瑟福α粒子散射实验示意图英国科学家卢瑟福E.Rutherford1871~1937玻尔借助诞生不久的量子理论改进了卢瑟福的模型。d.玻尔原子模型（又称轨道模型）：当原子只有一个电子时，电子沿特定球形轨道运转；当原子有多个电子时，它们将分布在多个球壳中绕核运动。不同的电子运转轨道是具有一定级差的稳定轨道。e.现代科学家们在实验中发现，电子在原子核周围有的区域出现的次数多，有的区域出现的次数少，就像“云雾”笼罩在原子核周围。因而提出了“电子云模型”：电子云密度大的地方，表明电子在核外单位体积内出现的机会多，反之，出现的机会少。电子云现代物质结构学说2.粒子物理学的发展-----原子核还能分割吗？

1896年，法国物理化学家贝克勒尔在铀矿石中发现了放射现象。射线：高能光子流射线：高速运动的电子流射线：带两个正电荷的氦核放射性元素发出的射线包含三种射线：a放射现象的发现

b.质子的发现

1919年，卢瑟福用粒子作为高速“炮弹”来轰击氮原子核，首先实现了原子核的人工破裂。DS用粒子轰击氮原子核，能释放氢核，用硼、氟、钠、铝、磷等做实验，也能打出氢核。卢瑟福得出结论：每个原子核都由氢核构成。氢核定义为“质子”。1920年，卢瑟福提出中子假说。

1930年，德国物理学家玻特和贝克发现利用粒子轰击铍元素时，产生了一种穿透力极强而且不受电场或磁场影响的射线。

1932年，查德威克从实验上发现了质量与质子相近的中性粒子，并命名为“中子”。c.中子的发现PO粒子Be不可见粒子氢原子或其它原子质子或其它原子核1935年查德威克因发现中子而荣获诺贝尔物理学奖。d.原子核结构

1932年，前苏联伊凡年科与海森伯提出原子核由质子和中子组成的理论。质子(p)和中子(n)统称为核子(N)。核力是把质子和中子纠合在一起，构成一个个稳定的原子核(也包括不稳定的原子核)的强大的束缚力。

20世纪60年代，人们认识到组成物理世界的原子并不是微观世界的最小单元，它们由更深层次的粒子组成。

“基本粒子”是一个动态概念，随着人们对物理结构认识的发展，其所指具体对象不断向更深层次转移。原子模型原子核、电子核子模型质子、中子、电子1932—1950发现一大批新粒子如:子、介子、奇异粒子等，增加减少强子由更小的组元—夸克组成1995年预言的六种夸克都被证实385降为2e.人类对基本粒子的认识过程f.这些是基本粒子的最后数目，还是还有更多的粒子将被发现而使情况再次复杂呢？目前公认的最成熟的理论是：标准模型理论无法回答!!!标准模型理论：1964年美国盖尔曼提出，1969年斯坦福直线加速器中心电子——核子撞击实验首次验证，同年获诺贝尔物理奖。标准模型中：基本粒子分为以下几类规范粒子轻子夸克希格斯粒子物质通过四种基本相互作用结合在一起强相互作用弱相互作用万有引力作用电磁相互作用光子(20世纪20年代)—传递电磁相互作用中间玻色子(3种)（20世纪70-80年代）

——传递弱作用胶子(8种)(已有实验基础)——传递强作用引力子(尚未发现)——传递引力作用①规范粒子：场粒子，传递相互作用的媒介共13种。规范粒子名称符号静质量（MeV）电荷（e）自旋寿命（s）传递的相互作用光子中间玻色子胶子引力子??00000011121引力电磁弱强②轻子:不参与强相互作用的基本粒子,共3代12种电子µ子名称符号静质量（MeV）电荷（e）自旋寿命(s)代电子中微子µ子中微子子子中微子一二三0.51106*1776.9000-1-1-1③夸克:组成参与强相互作用的强子

3代、6味、每味3色，共36种名称符号静质量（MeV）电荷（e）自旋代一二三上夸克粲夸克奇异夸克顶夸克底夸克下夸克udcstb~300~300~500~1500~180000~50001964年盖尔曼：1974年丁肇中：1977年莱德曼：1995年费米实验室：夸克的特点：具有分数电荷

色禁闭（见不到自由夸克）强子(重子、介子)的夸克模型基本粒子规范粒子13种轻子12种夸克36种玻色子(引力子(?))费米子希格斯粒子(?)62种自旋为零名称符号符号组成组成名称质子中子反质子正介子正K介子J/介子pnJ/g.基本粒子与基本作用力基本粒子靠相互作用结合在一起，粒子间相互作用靠交换媒介粒子实现，物质世界千变万化的现象归根到底通过四种基本力起作用。种类引力弱力电磁力强力作用对象所有粒子大多数粒子带电粒子强子作用距离(cm)<<相对强度cm处传递作用的基本粒子引力子？中间玻色子光子胶子1这些表面上看起来不同的力是否只不过是一个普遍力的不同表现形式呢？相互作用的统一理论四种相互作用之间存在什么联系，它们是否可以从更深刻的角度统一起来，一