物质的微观结构ppt课件

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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第一节第一节 物质的微观结构物质的微观结构一、探究物质结构之谜一、探究物质结构之谜二、奇妙的微观世界二、奇妙的微观世界三、物质结构的研究与高技术三、物质结构的研究与高技术1.历史回顾历史回顾2.近代物质结构研究的进展近代物质结构研究的进展一、探究物质结构之谜一、探究物质结构之谜（1）科学原子论的发展（2）现代原子结构的深入研究关于世界本源关于世界本源 中国：周代阴阳五行说；太极说中国：周代阴阳五行说；太极说印度：水、火、土、气构成世界的基本元素。印度：水、火、土、气构成世界的基本元素。古希腊：原子论古希腊：原子论 关于物质可分

2、与不可分关于物质可分与不可分 “一尺之棰，日取其半，万世不竭一尺之棰，日取其半，万世不竭”均属思辩与猜测均属思辩与猜测德谟克利特：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，而且

3、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。元元素素周周期期表表可以据此有计划、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模型卢瑟福 核

4、式模型玻尔 壳层模型原子构成示意图1.微观粒子的基本性质微观粒子的基本性质2.基本粒子的相互作用基本粒子的相互作用3.基本粒子的分类基本粒子的分类4.强子的内部结构强子的内部结构5.微观世界的基本规律微观世界的基本规律二、奇妙的微观世界二、奇妙的微观世界光子的质量为零。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

5、粒子与反粒子反粒子：1.微观粒子的基本性质微观粒子的基本性质2.基本粒子的相互作用基本粒子的相互作用相互作用相互作用相互作用相互作用类型类型类型类型强相互强相互强相互强相互作用作用作用作用电磁相互电磁相互电磁相互电磁相互作用作用作用作用弱相互弱相互弱相互弱相互作用作用作用作用引力相互引力相互引力相互引力相互作用作用作用作用相对强度相对强度相对强度相对强度1 11010-2-21010-13-131010-38-38作用范围作用范围作用范围作用范围（mm）1010-15-15无限远无限远无限远无限远1010-17-17无限远无限远无限远无限远传播子传播子传播子传播子胶子胶子胶子胶子光子光子光子光

6、子中间玻色中间玻色中间玻色中间玻色子子子子WW+，WW-，Z Z0 0引力子（尚未引力子（尚未引力子（尚未引力子（尚未找到）找到）找到）找到）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

7、，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。电电磁磁力力传传播播子子是是光光子子 ；弱弱力力传传播播子子是是中中间间玻玻色色子子W W、W W 和和Z Z0 0；强强力力传传播播子子是是胶胶子子，粒粒子子参参与与强强相相互互作作用用时时胶胶子子确确实实存存在在并并起起作作用用。迄迄今今还还没没发发现现自自由由状态下的胶子和引力子

8、。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、

9、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 quark modelmodel）(1)强子是由夸克和胶子组成的复合粒子。夸克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)夸夸克克间间存存在在非非常常强强的的吸吸引引力力，称称为为“色色”力力。每每种种夸夸克克都都有有3色色，即即“红红”、“蓝蓝”和和“绿

10、绿”。强强子子是是“无无色色”的的,所所以以每每个个强强子子由由3种种“颜颜色色”的的夸夸克克等等量量组成。组成。(3)夸夸克克间间的的相相互互作作用用通通过过交交换换胶胶子子来来实实现现；胶胶子子共共有有8种种。夸夸克克所所参参与与的的强强相相互互作作用用的的行行为为和和强强弱弱是是由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，

11、夸克和反夸克又可湮没为胶子。克又可湮没为胶子。(5)“夸夸克克禁禁闭闭”：夸夸克克间间的的色色作作用用当当距距离离减减小小时时，作作用用很很弱弱，是是近近乎乎自自由由的的，而而当当距距离离增增大大时时，作作用用增增强强，因因此此要要想想把把夸夸克克拉拉开开到到分分成成单单个个夸夸克克，能能量量大大到到足足以以产产生生新新的的夸夸克克，结结果果拉拉出出的的不不是是自自由由夸夸克克，而而是是强强子子。因因此此，强强子子是是有有内内部部结结构构的的复复合合粒粒子子的的说说法法是是正确的。正确的。5.微观世界的基本规律微观世界的基本规律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

12、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。三、物质结构的研究与高技术三、物质结构的研究与高技术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

13、结构研究的技术与辐射技术的应用高能粒子加速器：高能粒子加速器：高能粒子加速器：高能粒子加速器：根据质能方程，要获得大质量粒子，就根据质能方程，要获得大质量粒子，就根据质能方程，要获得大质量粒子，就根据质能方程，要获得大质量粒子，就需要有相应的很高的能量。粒子束流的能量越高，越有利于了需要有相应的很高的能量。粒子束流的能量越高，越有利于了需要有相应的很高的能量。粒子束流的能量越高，越有利于了需要有相应的很高的能量。粒子束流的能量越高，越有利于了解更深层的物质内部。使带电粒子在电场中获得能量而加速，解更深层的物质内部。使带电粒子在电场中获得能量而加速，解更深层的物质内部。使带电粒子在电场中获得能量

14、而加速，解更深层的物质内部。使带电粒子在电场中获得能量而加速，同时用磁场来决定其运动方向。同时用磁场来决定其运动方向。同时用磁场来决定其运动方向。同时用磁场来决定其运动方向。对撞机：对撞机：对撞机：对撞机：同时产生两种粒子，使其加速并沿反方向运动，同时产生两种粒子，使其加速并沿反方向运动，同时产生两种粒子，使其加速并沿反方向运动，同时产生两种粒子，使其加速并沿反方向运动，在特定位置上相撞，以获得较高的有效能。按加速粒子的名称，在特定位置上相撞，以获得较高的有效能。按加速粒子的名称，在特定位置上相撞，以获得较高的有效能。按加速粒子的名称，在特定位置上相撞，以获得较高的有效能。按加速粒子的名称，分

15、为分为分为分为正正正正-负电子对撞机负电子对撞机负电子对撞机负电子对撞机，质子，质子，质子，质子-反质子对撞机，质子反质子对撞机，质子反质子对撞机，质子反质子对撞机，质子-质子对撞机质子对撞机质子对撞机质子对撞机和电子和电子和电子和电子-质子对撞机。质子对撞机。质子对撞机。质子对撞机。粒子探测器：粒子探测器：粒子探测器：粒子探测器：对撞机产生的新粒子用粒子探测器观测。由粒对撞机产生的新粒子用粒子探测器观测。由粒对撞机产生的新粒子用粒子探测器观测。由粒对撞机产生的新粒子用粒子探测器观测。由粒子的速度及能量等得到粒子的质量，或根据不同粒子与物质相互子的速度及能量等得到粒子的质量，或根据不同粒子与物

16、质相互子的速度及能量等得到粒子的质量，或根据不同粒子与物质相互子的速度及能量等得到粒子的质量，或根据不同粒子与物质相互作用的特性来确定粒子的类别是探测器的真正意义所在。作用的特性来确定粒子的类别是探测器的真正意义所在。作用的特性来确定粒子的类别是探测器的真正意义所在。作用的特性来确定粒子的类别是探测器的真正意义所在。北北京京正正负负电电子子对对撞撞机机（），高高能能加加速速器器的的一一种种，是是研研究究核核物物理理、高高能能物物理理、认认识识微微观观世世界界的的一一个个重重要要手手段段。B BE EP PC C 象象一一支支硕硕大大的的羽羽毛毛球球拍拍，由由北北向向南南而而卧卧。球球拍拍的的“

17、把把”注注入入器器是是一一台台长长2 20 02 2m m 的的行行波波正正负负电电子子直直线线加加速速器器。球球拍拍的的“框框”储储存存环环。图图为为储储存存环环。储储存存环环是是一一台台跑跑道道型型的的环环形形加加速速器器，中中心心轨轨道道周周长长2 24 40 0.4 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，电子在储存环中作曲线

18、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元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，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？物质最小构成单元是什么？有没有真正的基本粒子？正的基本粒子？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