粒子物理的历史发展省公共课一等奖全国赛课获奖课件

王宁，广西师范大学,粒子物理历史发展

国家对探索微观世界关注

古代物质世界观

19世纪物质元素：元素周期表

20世纪初：近代基本粒子

20世纪60年代：当代基本粒子王宁，广西师范大学第1页王宁，广西师范大学,

1984年10月，在位于北京玉泉路边中国科学院高能物理研究所院内，邓小平同志亲自挥锨铲土为北京正负电子对撞机奠基。FromProf.H.Q.Jiang

国家对探索微观世界关注

第2页王宁，广西师范大学,

1988年10月，北京正负电子对撞机建成，邓小平等中央领导再次来到高能物理研究所，邓小平发表了至今仍影响中国科技发展主要讲话。

“说起我们这个正负电子对撞机，我先讲个故事。有一位欧洲朋友，是位科学家，向我提了一个问题：你们当前经济并不发达，为何要搞这个东西？我就回答他，这是从久远发展利益着眼，不能只看眼前。”

“过去也好，今天也好，未来也好，中国必须发展自己高科技，在世界高科技领域占有一席之地。假如六十年代以来中国没有原子弹、氢弹，没有发射卫星，中国就不能叫有主要影响大国，就没有现在这么国际地位。这些东西反应一个民族能力，也是一个民族、一个国家兴旺发达标志。”

第3页王宁，广西师范大学,兰州重离子加速器冷却储存环“九五”期间，国家又同意了另一个研究物质微观规律重大科学工程项目-兰州重离子加速器冷却储存环工程（HIRFL-CSR），它是兰州重离子加速器(HIRFL)扩建工程，工程总投资2.935亿元，建设周期五年。国家非常重视对物质微观世界研究。

第4页王宁，广西师范大学,“十一五”期间，我国将投资60多亿元开启建设12项大科学装置

在建项目

１．北京正负电子对撞机二期工程，由高能物理研究所承建；

２．大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜)，由国家天文台承建；

３．东半球空间环境地基综合监测子午链，由空间科学与应用研究中心承建；

４．上海同时辐射光源(ＳＳＲＦ)，由上海应用物理研究所承建；

５．武汉国家生物安全试验室(Ｐ４)，由武汉病毒研究所承建；

６．兰州重离子加速器冷却储存环工程，由近代物理研究所承建；

７．中国西南野生生物种质资源库，由昆明植物研究所承建；

８．全超导托卡马克核聚变试验装置，由合肥物质科学研究院承建。

将建项目：

１．强磁场试验装置—稳态部分，由合肥物质科学研究院承建；

２．航空遥感系统，由电子学研究所承建；

３．５００米口径球面射电望远镜(ＦＡＳＴ)，由国家天文台承建；

４．海洋科学综合考查船，由海洋研究所承建；

５．蛋白质科学研究设施，由上海生命科学研究院承建；

６．散裂中子源，由高能物理研究所承建。第5页王宁，广西师范大学,——访中国科学院常务副院长白春礼院士

大科学装置一个主要特点是投资巨大、耗时较长，在发达国家都感到吃力情况下，中国为何要开展这些工程？

当前全球竞争日趋激烈，加强创新能力建设成为世界各国提升国际竞争力主要国策。我国确立了建设创新型国家发展战略，而大科学装置在创新能力提升中占据主要地位。人类探索自然世界必须借助科学仪器。伴随科学技术发展，人类对物质结构认识是从一开始看到身边各种物质逐步深入到细胞、分子、原子和原子核深层次，这些原子内部结构与运动信息只有借助大科学装置才能取得，而这些信息是众多学科前沿研究基础。

当前，世界各国都认识到大科学装置在国家创新能力中主要地位，许多国家尤其是发达国家在已经建设众多大科学装置基础上，纷纷制订雄心勃勃大科学装置发展规划并加大对大科学装置投入规模。

我国要在未来科技竞争中取得优势，必须建造大科学装置提升原始创新能力，提升我国基础科学和前沿高技术领域创新能力，在部分科技前沿领域在国际上占据一席之地。From/第6页王宁，广西师范大学,

物质世界是由什么组成？

物质世界是怎样组成？

认识物质结构伎俩有哪些？物质微观世界对人类影响？

漫游物质微观世界,探索微观奥秘对人类社会影响第7页王宁，广西师范大学,

古代物质世界气一元论－>阴阳学说－>五行学说五行学说是中国古代一种朴素唯物主义哲学思想；一方面认为世界万物是由金木水火土五种基本物质所构成；其次又认为任何事物都不是孤立、静止，而是在不停相生、相克运动之中维持着协调平衡在欧洲，古希腊人认为大地是由水、火、土和空气等元素组成；公元前5世纪后半期，德谟克利特（Democritus）认为万物是由不可分割称为原子粒子组成。原子：古希腊语不可分割。注意区分粒子（particle）和离子（ion）第8页王宁，广西师范大学,

元素周期表与核素图19世纪初，道尔顿（J.Dalton）提出每一个元素都代表一个特定原子，不一样元素原子，其性质首先是重量不一样。1869年，俄国人门捷列夫分析当初63种元素化学性质，排列出元素周期表，而且预言了当初还未发觉各种元素及其化学性质。超重元素合成是当前核物理界研究热点。107-112GSI(命名到111)113－116,118Dubna113RIKEN19世纪末，原子论大多熟悉，但还未普遍；英国倾向于原子论；德国受经验哲学家马赫影响（玻尔兹曼用原子假说解释热现象，遭同事非难，而于19自杀）第9页王宁，广西师范大学,19世纪末、20世纪初，人们发觉了一系列新现象：阴极射线、光电效应、放射性、X射线等等，对原子结构认识渐渐进入微观层次。1897年，J.J.Thomson测定阴极射线荷质比发觉电子；19，M.Planck研究热辐射理论，提出光量子化理论；1095年，A.Einstein经过光电效应试验发觉光子；19，R.A.Millikan经过油滴试验测定电子电荷数值，证实电荷量子化；19，L.Rutherford粒子轰击靶核存在大角度散射，提出原子核概念；19，L.Rutherford粒子轰击14N靶，发觉了质子；（原子核中有质子）1932年，J.Chadwick在人工核反应中发觉中子；（原子核中有中子）1931年，W.Pauli依据原子核β衰变（n－>p+e+v），提出中微子假设；1932年，C.D.Anderson利用云室研究宇宙射线发觉了正电子，证实了狄拉克理论……

20世纪早期：近代基本粒子第10页王宁，广西师范大学,

阴极射线有5位科学家在研究阴极射线相关工作中取得了诺贝尔奖克鲁克斯管示意图。A是低压电源，提供阴极C加热能量。B是高压电源，为覆磷阳极P提供电压。M是蒙片，其电位与阴极相同，其图像显示在屏幕上磷不发光部位1858年德国物理学家普吕克尔(J.Plucker)在利用放电现象时发觉了阴极射线第11页王宁，广西师范大学,参见/kejiyuandi/真空技术

稀薄气体放电现象。德国玻璃工人会制造一个能发出绿光管子，悬挂在客厅里做装饰品。

威廉·克鲁克斯(William.Crookes，英国)，玻璃管内空气越稀薄，越轻易产生自激放电现象。不过，当玻璃管内空气稀薄到一定程度时，管内光线反而渐渐消失，而在阴极对面玻璃管壁上出现了绿色荧光。这种阴极发射出来射线，肉眼看不见，但能在玻璃管壁上产生辉光或荧光。第12页王宁，广西师范大学,1879年，他证实阴极射线不但能传递能量,还能传递动量.物理学讨论会上演示磁场对射线偏转，他认为,阴极射线是由带负电“分子流”组成.这些分子是真空管内残余气体分子,它们撞到阴极上,带上了负电荷,于是就受到阴极排斥,沿着与阴极表面垂直方向飞走.这种光线到底是什么？舒斯特，1890年依据阴极射线磁偏转和放电管电极之间电势差来预计这一带电粒子荷质比e/m,在5×106-1010库仑/千克之间.由此得出结论,阴极射线是由带电原子组成.参看郁忠强编著《从原子到夸克》

第13页王宁，广西师范大学,勒纳德--将阴极射线引出放电管外,作出了“勒纳德窗”重大发觉

德国物理学家Plücker和Goldstein都认为阴极射线是类似于紫外线以太波.赫兹也认为这种光线是一个电磁波。从1883年起赫兹（H.Hertz）对阴极射线进行了一系列试验，发觉阴极射线是连续射出，而且观察到阴极射线在电场中不偏转。1891年，他更深入发觉，阴极射线能够穿透金属薄片（金箔、银箔、铝箔），（因为当初人们已知任何物质粒子都不可能穿过金属薄片）。所以认为阴极射线不是粒子流。第14页王宁，广西师范大学,以克鲁克斯为代表英国学派带电微粒说以赫兹为代表德国学派波动说阴极射线终究是什么？是带电粒子流还是电磁波？第15页王宁，广西师范大学,为了证实波动说正确,Goldstein做了一个准确光谱试验,他特制了一根L形放电管，电极A、B轮番充当阴极,用光谱仪观察谱线.假如阴极射线是分子流,它发出光应产生多普勒效应,光频率应与分子流运动方向相关,用光谱仪观察到从A端和B端发出射线频率应该不一样.可是,试验证实,不论是哪一端发出阴极射线,其频率都是相同.波动学说一个新证据第16页王宁，广西师范大学,1895年,法国物理学家佩兰(J.B.PerrIn,1870-1942)做了著名法拉第筒试验。他在阳极B中安装了一个法拉第筒F,用以接收从阴极C发出射线电荷,再由静电计检验电荷正负.试验结果是静电计带负电.他用磁场先将阴极射线偏向一方,使它无法进入小孔H.这时,静电计指针恢复到零,从而证实负电荷正是阴极射线携带.佩兰经过试验认为阴极射线是带负电粒子流.但他试验无法做出判决性结论,因为它无法证实静电计所带电荷一定是阴极射线传入(也可能其它负电粒子和阴极射线是同时从阴极发出).微粒学说一个新证据第17页王宁，广西师范大学,3.1测阴极射线携带电荷

汤姆生将佩兰试验作了一项重大改进.他把与静电计相连接收器(法拉第筒)安装在真空管侧面.平时没有电荷进入接收器,用磁场使射线偏转,当磁场到达某一值时,接收器接收到电荷猛增,说明电荷确实来自阴极射线.为了判断终究哪种观点正确，很多人继续研究阴极射线。汤姆生（J.J.Thomson）对阴极射线研究

J.J.Thomson第18页王宁，广西师范大学,3.2用静电场使射线偏转

汤姆生重复了赫兹用静电场使阴极射线发生偏转试验.开始并没有观察到任何连续而稳定偏转。但细心汤姆逊发觉在金属板上外加电压瞬间阴极射线出现短暂偏转，然后很快地回到管壁标尺中点。汤姆逊抓住这瞬间异常，分析出现这种现象可能原因。假如克鲁克斯试验是正确话，阴极射线在电场中也应该偏转。为了排除管中气体影响，汤姆逊利用了当初最先进真空技术，将放电管内空气一直抽到只剩下极小量空气时，终于排除了电离气体屏蔽作用，使阴极射线在电场中发生了稳定电偏转。

第19页王宁，广西师范大学,3.3测阴极射线荷质比汤姆生从上述试验结果中完全得出了阴极射线是带负电粒子流结论.不过,这些粒子是分子、原子,还是更小物质微粒呢?第20页王宁，广西师范大学,第一步:让阴极射线过一条狭缝进入阳极内金属筒(法拉第筒),利用静电计测量一定时间内金属筒取得电量Q.若进入筒内微粒数为N,每个微粒所带电量为e,则Q=Ne.第二步:插入热电偶,经过一样时间后读出温升.若进入筒内微粒动能W因碰撞全部转变成热能,则W可由温升计算出,其值为:W=N·mv2/2.式中m、v分别为微粒质量和速度第三步:加上磁场使射线偏转.若R为微粒运动轨道曲率半径,H为磁感应强度,则Hev=mv2/R.由以上三式可计算出e/m=2W/H2R2Q.e/m=(1.7~2.5)×1011c/kg.以后他又采取用静电场和磁场使阴极射线偏转方法,测得e/m=(0.7~0.9)×1011c/kg,其值约为当初电解中氢离子荷质比1000倍.

第21页王宁，广西师范大学,1、电子发觉:汤姆逊认为更主要是应该设法测出阴极射线中那些原子质量。

1897年，汤姆逊巧妙地将电场和磁场结合起来，首先测出了阴极射线速度，并深入测量出了阴极射线中带负电“原子”所携带电荷量和它质量比值，称为“荷质比”。证实该射线其实是带电粒子束，人们称其为“电子”。J.J.Thomson电子质量仅仅是氢原子质量大约1/1700，而且不论什么起源得到电子，都含有相同性质。汤姆逊由此得出了明确结论：原子并不是物质可分性最终极限，从原子中能够深入分出电子。这一开创性工作使其获19诺贝尔物理学奖第22页王宁，广西师范大学,德国维尔茨堡大学校长、物理学家伦琴（W.K.Rontgen，1845-1923）2、X射线发觉伦琴试验室第一张X光片1895年11月8日，伦琴也研究阴极射线穿透现象，为了预防紫外线和可见光影响，并不使管内可见光线漏出管外，伦琴用黑硬纸板把放电管严密地套封起来，在接通电源后，他意外地发觉不远处一块涂有钡铂氰化物屏上发出了荧光。经过几天废寝忘食研究，他确定了荧光屏发光是因为射线管中发出某种射线所致。因为当初对于这种射线本质和属性还了解得极少，所以他称它为X射线，表示未知意思。第23页王宁，广西师范大学,X射线是由高速电子撞击物体时产生，从本质上它和可见光一样，是一个电磁波，波长约：0.001~0.01(nm)

伦琴荣获19诺贝尔物理奖，成为诺贝尔物理奖第一个获奖者。X射线发觉不但解开了物理学革命序幕，也为医疗保健带来新希望。在1879年—1888年，伦琴在吉森大学进行了多方面选题理论和试验研究，包含电磁学、光学、晶体物理学。这使他对各种专门问题都含有广博知识，对他以后发觉也会有很大作用。K+-A第24页王宁，广西师范大学,1896年，法国物理学家贝克勒尔（Becquerel,1852-1908）在对一个荧光物质（硫酸钾铀）进行研究时发觉了天然放射线，贝克勒尔射线。3、放射性发觉

第25页王宁，广西师范大学,玛丽·居里（M.S.Curie，1867-1934）居里夫人从1897年开始直至1934年逝世38年科学生涯中，她以惊人毅力、顽强意志、高度智慧全心投入放射性研究，发觉了放射性元素“镭”和“钋”。19完成了她名著《论放射性》，因为她出色贡献：19，居里夫妇和贝克勒尔共享了诺贝尔物理奖。19又荣获了诺贝尔化学奖第26页王宁，广西师范大学,天然放射性核素能够自发地放出各种射线,从而衰变为另一个核素。α射线：带两个正电荷氦核

粒子流；β射线：带负电荷高速电子流；γ射线：从原子核内放出来电磁波，它实际上是一束能量极高光子流，它波长比X射线还要短，穿透本事比X射线更强。αβγ＋－第27页王宁，广西师范大学,1895-1897三大发觉，使物理学发生了深刻改变：

电子发觉否定了原子是最小物质结构单元说法

过去认为除可见光外电磁波只有没有线电波、红外线和紫外线，现在却有了波长更短X射线和γ射线。

过去认为原子是不可变，自从发觉放射性后，认识到原子是可变。三大发觉打开了微观世界窗户，把物理学从十九世纪经典物理学阶段推进到二十世纪当代物理学阶段。第28页王宁，广西师范大学,1、汤姆逊葡萄干面包模型------19，汤姆孙提出原子结构模型：原子里面带正电部分均匀地分布在整个原子球体中，而带负电电子镶嵌在带正电球体之中。带正电球体与带负电电子二者电量相等，故原子不显电性。原子结构模型发展第29页王宁，广西师范大学,2、卢瑟福核式模型卢瑟福1871年8月13日出生在新西兰，1894年大学毕业，1895年到英国剑桥大学学习，成为J.J.汤姆逊硕士。19卢瑟福荣获诺贝尔化学奖，同年在曼切斯特大学任教，继续指导他学生进行粒子散射试验研究。第30页王宁，广西师范大学,关键性发觉--卢瑟福试验19英国科学家卢瑟福发觉粒子穿过物质薄层被散射时，存在着大角度散射事例．说明原子中正电荷是集中在一个很小区域(直径10-12cm)之中。第31页王宁，广西师范大学,+-

粒子散射1/8000被反射，大部分透过

粒子束射向金箔：第32页王宁，广西师范大学,文科物理原子由原子核和核外电子组成，原子核带正电荷，占据整个原子极小一部分空间，而电子带负电，绕着原子核转动，如同行星绕太阳转动一样。原子核式模型：19卢瑟福提出原子“有核结构模型”第33页王宁，广西师范大学,原子核是否有结构？

因为它看起來很小、坚固而又密集，所以科学家最初认为原子核就是基本元素。19卢瑟福使用放射性元素射线轰击靶核方法，第一次取得了原子核人工裂变，在氮核中打出最简单原子核——氢核(即质子)．这说明原子核还是复合系统．

一个流行看法：原子核是由质子和电子组成！第34页王宁，广西师范大学,核物剪发展转折点-1932

在1929年,美国物理学家米利肯写道:

全部原子都是由一定数量带正电和带负电电子组成。全部化学力都是因为正、负电子之间吸引引发。全部弹力都是因为电子之间吸引和排斥。一句话，从本质上看，物质本身是电性。

1932年查德威克(J．Chadwick)在人工核裂变试验中发觉了中子，中子质量与质子相同，但不带电．第35页王宁，广西师范大学,

物理学研究方法

物理学是一门理论与试验高度结合准确科学，其研究方法能够概括为：修改理论提出命题推测答案理论预言试验检验应用物理上直觉、想象力、洞察力也经常产生重大突破和发觉第36页王宁，广西师范大学,卢瑟福用alpha粒子轰击靶核发觉大角度偏转，建立原子核概念。E.Rutherford卢瑟福更重视对年轻人培养。在他学生中有12位取得了诺贝尔奖，其中包含玻尔、查德威克(1932年查德威克发觉了中子)等。

英国剑桥大学卡文迪什（Cavendish）试验室

第37页王宁，广西师范大学,一个深夜，担任英国剑桥大学卡文迪许试验室主任卢瑟福，披着外衣来检验试验室，发觉一位学生还在做试验。卢瑟福就问他：“你早晨干什么了？”学生回答：“在做试验。”卢瑟福又问：“那你下午做什么了？”学生回答：“做试验。”卢瑟福提升嗓门问：“那你晚上又做什么呢？”学生挺直了胸脯回答：“我还在做试验。”卢瑟福对他说：“你整天做试验，还有什么时间用于思索呢？”E.Rutherford第38页王宁，广西师范大学,103kilo千106mega兆109giga吉1012tera太10－3milli毫10－6micro微10－9nano纳10－12pico皮10－15femto飞原子尺度～1埃＝10－10m核子（质子、中子）半径～1fm=10－15m原子核半径＝1.16A1/3fm第39页王宁，广西师范大学,原子与原子核尺度安联体育场（德国，慕尼黑）第40页王宁，广西师范大学,第41页王宁，广西师范大学,1m10-2010-1510-1010-5101510510101025

1020W++粒子介观宏观宇观天体物理粒子物理两大尖端紧密衔接山太阳系地球星系团星系原子原子核DNA人微观第42页王宁，广西师范大学,粒子物剪发展中，我国部分科学家贡献1930年，赵忠尧教授在美国CIT试验室发觉硬射线经过重物质时产生反常吸收和特殊辐射（这实际是正负电子正确产生和湮灭现象），他同事Anderson为搞清楚这种现象，利用云室观察到了正电子。（正电子发觉前导）1935年，日本汤川秀树（H.Yukawa）假设核子之间经过交换介子来产生核力（强相互作用），而且预言该介子质量在200多倍电子质量。1937年发觉介子（206倍电子质量）后，人们误认为它就是汤川所预言粒子，后才有些人提出介子不是汤川粒子(真正传递强相互作用是273倍电子质量介子)。1948年中国物理学家张文裕教授直接观察宇宙射线中介子与物质相互作用试验结果，提出u+p->n+v弱作用微观过程，确证μ介子不参加强相互作用。赵忠尧教授张文裕教授第43页王宁，广西师范大学,1960年，中国核物理学家，”两弹一星元勋”王淦昌教授领导研究小组在401所发觉反西格玛负超子（∑－）。1965年前后，中国理论物理学家们提出了“层子模型”，属于强子结构新领域开创性工作。1988年中国建立了一台2x2.2/2.8GeV北京正负电子对撞机，开展了辽阔应用研究工作。王淦昌教授

束流输运线电子直线加速器第44页王宁，广西师范大学,

当代基本粒子1964年美国物理学家盖尔曼（M.Gell-Mann）和茨威格（G.Zweig）提出了夸克模型：1).强子由三种夸克组成（u,d,s）2).介子由一个夸克和一个反夸克组成3).一个重子由三个夸克组成。到20世纪60年代人们陆