第六讲现代原子论与现代微观物质组成思想.ppt

现代原子论与现代微现代原子论与现代微 观物质组成理论的发展观物质组成理论的发展19世纪末到世纪末到20世纪初，奇异的辐射和小于原子的粒世纪初，奇异的辐射和小于原子的粒子的发现，使几千年来人类对于原子不可分和不可子的发现，使几千年来人类对于原子不可分和不可变物质观的设想和框架发生了根本的变革：变物质观的设想和框架发生了根本的变革：一、物质观变革的原因：一、物质观变革的原因：1.1897年人类第一次发现了小于原子的电子，年人类第一次发现了小于原子的电子，2.1908年年5月和月和8月，卢瑟福和月，卢瑟福和Perrin前后发现原子前后发现原子和分子，这是人类第一次发现了原子和分子，使和分子，这是人类第一次发现了原子和分子，使古代和近代关于原子和分子的设想得到证实古代和近代关于原子和分子的设想得到证实3. 1903年发现放射性元素原子的衰变和分裂了，从年发现放射性元素原子的衰变和分裂了，从原子内释放出能量，因而发现了新能源原子内释放出能量，因而发现了新能源——原子原子能4. 原子核和原子有核结构的发现，揭开了原子内的原子核和原子有核结构的发现，揭开了原子内的微观宇宙。

微观宇宙15. 量子论的提出使能量粒子化，采用了量化处理法量子论的提出使能量粒子化，采用了量化处理法波粒二象性的发现解决了波粒二象性的发现解决了300年来关于光和辐射是年来关于光和辐射是粒子还是波的漫长争论粒子还是波的漫长争论, 还发现基本粒子可以还发现基本粒子可以 波或波或粒子形态存在粒子形态存在6. 量子态、共振态、自旋、色和魔等作为微粒子存在量子态、共振态、自旋、色和魔等作为微粒子存在的特征出现了，这些是传统的物质所没有的的特征出现了，这些是传统的物质所没有的7. 基本粒子的质量用电子伏表示，大小用运动截面表基本粒子的质量用电子伏表示，大小用运动截面表示，度量方法有巨大变化示，度量方法有巨大变化 因此，由上述头六方面的发现可以得出，因此，由上述头六方面的发现可以得出，19世纪世纪末以来人类的物质观发生了几千年来的根本变化，末以来人类的物质观发生了几千年来的根本变化，经典的物质观框架被摧毁了，新的基础科学革命产经典的物质观框架被摧毁了，新的基础科学革命产生了8. 质能等当定律的发现，使质量和能量的关系得到了质能等当定律的发现，使质量和能量的关系得到了解，使粒子的质量可用电子伏的能量法量度，打破解，使粒子的质量可用电子伏的能量法量度，打破了过去其质量大小量度的框架。

了过去其质量大小量度的框架23一、阴极射线的发现与组成研究1. 1855年德国波恩大学年德国波恩大学Heinrich Geisler 和和Julius Plucker 发现阴极射线，发现阴极射线，•1875-1883年英国年英国William Crookes发现阴极发现阴极射线能让叶轮旋转，从而证明它的粒子性；射线能让叶轮旋转，从而证明它的粒子性；能在磁场中偏转，证明它是带电荷的粒子能在磁场中偏转，证明它是带电荷的粒子3. 1892年英国的年英国的Schuster实验证明，他是带负实验证明，他是带负电的粒子，其质量约与氢分子相当电的粒子，其质量约与氢分子相当4. 德国的德国的Lenard用带铝窗口的阴极射线管，引用带铝窗口的阴极射线管，引到空气中，认为它是以太到空气中，认为它是以太45.Rontgen用用Lenard管，发现它在空气中能管，发现它在空气中能使感光底板感光，能照出手骨图像，发现使感光底板感光，能照出手骨图像，发现X射线6.1897年英国年英国J.J.Thomson用他们的阴极射用他们的阴极射线管试验：在电场和磁场中调整径迹，使其线管试验：在电场和磁场中调整径迹，使其偏斜度相等，以及用热电转换法测量，发现偏斜度相等，以及用热电转换法测量，发现它的粒子质量它的粒子质量m/e= 4.35×10-7，，为氢原子的为氢原子的1/1000，带负电，从而发现电子，称为，带负电，从而发现电子，称为“corpuscle”(微粒微粒)，， 直至第一次大战结直至第一次大战结束时他才改称电子。

束时他才改称电子7.“电子电子”名称是都柏林大学名称是都柏林大学George Stoney在在1891年将离子带的电荷、光速、万有引力年将离子带的电荷、光速、万有引力常数称为三个普适常数，才提出的常数称为三个普适常数，才提出的5Crookes的阴极射线实验：发现阴极射线是由带电的粒子组成，成为“物质第四态——Prototyle”6他在1897年发表的《阴极射线》论文中说：（1）对于电力、快速原子的冲击、紫外线、和热作用而言，都能将带电粒子从原子中撕裂出来；（2）不论对哪种原子而言，所有的微粒都是同质量的、带同样的电荷，并是所有原子的成分；（3）这些微粒的质量小于氢原子的1/1000这导致他认为电子是原子的组成成分，用电子组成原子的布丁-面包模型说明原子的结构，从而开始了原子模型的探讨和一系列假说，用以说明放射性的来源和元素周期表7二、二、J.J.Thomson的物质电子结构理论的物质电子结构理论1897年剑桥大学年剑桥大学Cavendish Laboratory主任主任J.J.Thomson 用实验发现了电子，在发表的《阴极用实验发现了电子，在发表的《阴极射线》论文中宣布发现电子并提出物质电结构理论，射线》论文中宣布发现电子并提出物质电结构理论，1904年他正式提出物质由电子构成的原子模型：原子年他正式提出物质由电子构成的原子模型：原子由分子的由分子的1/1800大小的电子沿同心环分布在带正电的大小的电子沿同心环分布在带正电的原子内构成。

原子内构成 这个模型是在实验发现电子和用以解释化学这个模型是在实验发现电子和用以解释化学 元素周期表及放射性后提出的，得到国际元素周期表及放射性后提出的，得到国际 科学界的普遍关注科学界的普遍关注•电子发现的实验基础：用了电子发现的实验基础：用了A.Schuster和和F.Lenard的研究方法和阴极射线管加以改进，作出结果的研究方法和阴极射线管加以改进，作出结果•发现的思想基础：粒子说传统发现的思想基础：粒子说传统J.J.Thomson说：说：“德国科学家除去德国科学家除去Helmholtz之外，都把阴极射线看作之外，都把阴极射线看作波，英国人毫无例外认为他是带负电的原子，两种看波，英国人毫无例外认为他是带负电的原子，两种看法以很大精力斗争法以很大精力斗争……阴极射线是带负电的粒子，不阴极射线是带负电的粒子，不是原子和分子，而是电子，伴以波是原子和分子，而是电子，伴以波8 • 优点是：建立在电子发现的基础上，对优点是：建立在电子发现的基础上，对放射性和元素周期律能作出较合理的解释，放射性和元素周期律能作出较合理的解释，是第一个由实验基础的、敢于冲破经典原是第一个由实验基础的、敢于冲破经典原子论框架的原子模型。

子论框架的原子模型• 缺点是：无法说明正电原子空间的来源缺点是：无法说明正电原子空间的来源和本质，电子镶嵌在正电原子空间的说法和本质，电子镶嵌在正电原子空间的说法纯粹是逻辑推理和一厢情愿的假设，纯粹是逻辑推理和一厢情愿的假设，“被被认证认证”的的J.A.Crowther的实验曲线被证明的实验曲线被证明是部分编造的因而在正电原子核证实后，是部分编造的因而在正电原子核证实后，很快退出历史舞台很快退出历史舞台9三、原子自发分解的发现1.1896年法国的Perrin发现铀盐的放射性辐射2.1898年居里夫人发现钋、镭；3.1898年Rutherford发现α、β射线，预见γ 射线的存在，1902-1903年正式其存在并命名；1.1902年Rutherford发现土原子自发衰变成钍同位素2.1903 年Rutherford和Soddy发现钍、铀和阿等家族的原子自发衰变及其半衰期，发现原子能101903年发现放射性元素家族图谱和半衰期：年发现放射性元素家族图谱和半衰期：放射性衰变图谱：铀、锕、镭、钍组放射性衰变图谱：铀、锕、镭、钍组铀族：铀铀族：铀— 半衰期半衰期2.5×108年年 — 铀铀X……….铅同位素铅同位素钍族：钍钍族：钍—半衰期半衰期109— 钍钍X— 4天天— 钍射气钍射气 —钍钍 A— 钍钍 B……铅同位素铅同位素锕族：锕锕族：锕—锕射气锕射气—锕锕A…..铅同位素铅同位素镭族：镭镭族：镭—1000年年—镭射气镭射气—4天天—镭镭A…..铅同位铅同位素素证明所有放射性元素的原子能自发地分解和蜕证明所有放射性元素的原子能自发地分解和蜕变为其同位素和别的元素。

变为其同位素和别的元素11铀—锕—镭—钍：12四、四、Rutherford原子有核结构模型原子有核结构模型原子有核模型的提出：原子有核模型的提出：J.J.Thomson模型依赖的正电体原子空模型依赖的正电体原子空间假设，是由逻辑推理得出，是没有足够实验基础的设想间假设，是由逻辑推理得出，是没有足够实验基础的设想1.大角散射现象的发现：大角散射现象的发现： 1908年年Hans Geiger和和 Ernest Marsden 按照按照 Rutherford要求，用要求，用α 射线轰击金原子核实验时，射线轰击金原子核实验时， 意外发现反常的大角散射现象，意外发现反常的大角散射现象， 这个反常现象的发现，是发现原这个反常现象的发现，是发现原 子核的关键子核的关键132. J.J.Thomson用众多电子对其散射的综合来解释，并得到用众多电子对其散射的综合来解释，并得到其学生其学生J.A.Crowther的所谓实验证实，的所谓实验证实，Rutherford认为认为实验曲线的前部分是编造的，提出批评。

然后在实验曲线的前部分是编造的，提出批评然后在1911年年5月根据实验提出原子核的存在，原子由电子环绕正电月根据实验提出原子核的存在，原子由电子环绕正电原子核旋转组成原子核旋转组成3. Rutherford 原子有核结构模型：原子有核结构模型：1913年又称年又称Rutherford-Bohr 原子结构模型：原子由外围电子沿既定轨道绕带原子结构模型：原子由外围电子沿既定轨道绕带正电荷的原子核旋转构成他在经过许多实验验证后，正电荷的原子核旋转构成他在经过许多实验验证后，被普世公认被普世公认3. 以以α粒子轰击原子核、打破原子核，是卢瑟福治学的主要法，粒子轰击原子核、打破原子核，是卢瑟福治学的主要法，1917-1919年他用它打破氢原子核，打出和发现质子，用中子预言提出氢年他用它打破氢原子核，打出和发现质子，用中子预言提出氢的两种同位素的两种同位素1919-1930年在他领导下又用年在他领导下又用α粒子打破所有轻元素的原粒子打破所有轻元素的原子核5. 1930—1933年先后发现所有重元素原子核可以人工嬗变，年先后发现所有重元素原子核可以人工嬗变，成为其它元素，称为成为其它元素，称为“新炼金术新炼金术”（（new transmutation））.至此，古希腊和近代原子论的框架被彻底地打破了，开拓了至此，古希腊和近代原子论的框架被彻底地打破了，开拓了现代原子论。

现代原子论直至基本粒子和标准模型的证实直至基本粒子和标准模型的证实14 4. Rutherford-Bohr原子模型：原子模型：1913年这个模型年这个模型经过多种实验所证实，并有他的弟子经过多种实验所证实，并有他的弟子Niels Bohr用外围电子沿定态轨道旋转，只在沿轨道用外围电子沿定态轨道旋转，只在沿轨道跃迁时吸收和释放能量，予以说明，故得名跃迁时吸收和释放能量，予以说明，故得名五、电子和原子核发现的思想基础和影五、电子和原子核发现的思想基础和影响：响： 1. 卢瑟福说：卢瑟福说：“长期来两种竞争的理论在斗争，长期来两种竞争的理论在斗争，德国物理学派采取阴极射线是某种以太波，英德国物理学派采取阴极射线是某种以太波，英国的观点像国的观点像Crookes 宣称的，实际上是以高速宣称的，实际上是以高速抛出的某种带电的粒子抛出的某种带电的粒子” 2. 爱丁顿说过：爱丁顿说过：“自自1911年卢瑟福发现原子核以年卢瑟福发现原子核以来，人类的物质观经历了从德谟克利特以来来，人类的物质观经历了从德谟克利特以来2000多年的最大变化多年的最大变化”153. 加速器和对撞机：加速器和对撞机：1930-1932年研制加速器，打破所年研制加速器，打破所有重元素原子核，实现元素的人工嬗变。

有重元素原子核，实现元素的人工嬗变1970年代年代发明政府电子对撞机和政府之子对撞机，实现对撞粒发明政府电子对撞机和政府之子对撞机，实现对撞粒子能量加倍的高能加速器，为揭开和发现玻色子、胶子能量加倍的高能加速器，为揭开和发现玻色子、胶子、夸克和轻子提供极其有利的工具目前日内瓦的子、夸克和轻子提供极其有利的工具目前日内瓦的LHC 14万亿电子伏质子对撞机，正为揭示宇宙物质万亿电子伏质子对撞机，正为揭示宇宙物质的底蕴在试验的底蕴在试验 这一切都是以现代原子论思想为指导展开的这一切都是以现代原子论思想为指导展开的4. 关于物质的底蕴，自德布罗意波关于物质的底蕴，自德布罗意波——波粒二象性在波粒二象性在1923年提出和年提出和1925年证实后，得到公认年证实后，得到公认5. 关于爱因斯坦与关于爱因斯坦与N.Bohr在物质底蕴的争论问题，一在物质底蕴的争论问题，一直延续到爱因斯坦去世，争论倾向于哥本哈根学派直延续到爱因斯坦去世，争论倾向于哥本哈根学派约约1980年，南巴黎大学的科学家用年，南巴黎大学的科学家用Ca40原子发射的原子发射的双光子极化实验，有力支持正统的量子力学基本法则，双光子极化实验，有力支持正统的量子力学基本法则，对隐变量理论予以排斥。

对隐变量理论予以排斥16六、原子核结构模型六、原子核结构模型1911年年Rutherford提出原子有核模型，提出原子有核模型，1913年得到公认年得到公认1924年他根据元素有质量成倍的多种同位素却性质相同年他根据元素有质量成倍的多种同位素却性质相同的特点，提出核内存在中子的预言（的特点，提出核内存在中子的预言（1932年发现）年发现） •1927年他提出原子核由质子和中子年他提出原子核由质子和中子 组成原子核组成原子核 ●●•1932年年Heisenberg 和和ифанико提出原子核由质子、提出原子核由质子、中子和电子组成中子和电子组成17坂田模型坂田模型：•1956年“板田模型”：强子（重子与介子）应由质子、中子、超子及它们的反粒子组成，在解释重子的一些性质和预言新重子方面，遇到了困难当时此模型和1962年我国科学家提出的层子模型在中国得到很高的评价，认为是辩证唯物主义在微观物质组成理论上的重大突破， 但事后雷被历史所淹没。

181962年美国物理学家年美国物理学家Gelmann根据实验现象根据实验现象和群伦和群伦US（（3），提出强子由三个组成子组），提出强子由三个组成子组成，称之为三夸克模型，正式揭开了强子成，称之为三夸克模型，正式揭开了强子组成的理论和实验研究组成的理论和实验研究三种夸克预言在三种夸克预言在1970‘S得到实验的证实，并得到实验的证实，并先后扩展成四夸克、五夸克和六夸克先后扩展成四夸克、五夸克和六夸克七、七、Gelmann强子三夸克组成模型强子三夸克组成模型19八、强子结构标准模型八、强子结构标准模型1. 提出过程：提出过程： (1) 1967年年S.Weinberg 和和S.Glashow提出电提出电—弱相弱相互作用统一想法，预言第四种夸克互作用统一想法，预言第四种夸克,丁肇中和丁肇中和R.Richter发现了发现了J/ψ粒子，证实第四种夸克（粲夸粒子，证实第四种夸克（粲夸克）存在克）存在 (2) 1974年年S.Weinberg 和和A.Salam 在上述发现基在上述发现基础上提出电础上提出电-弱和强作用大统一的预言，同时提出弱和强作用大统一的预言，同时提出著名的强子组成著名的强子组成“标准模型标准模型”。

此模型预言：此模型预言： •引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相作用具有统一性；作用具有统一性；•据据SU (6) 群预言了六种夸克（上、下、奇、粲、顶、群预言了六种夸克（上、下、奇、粲、顶、底夸克，即底夸克，即u、、d、、s、、c、、b、、t夸克）存在；夸克）存在； •预言一切物质都由六种轻子和六种夸克组成预言一切物质都由六种轻子和六种夸克组成•预言引力作用、弱作用、电磁作用、强作用的统一预言引力作用、弱作用、电磁作用、强作用的统一性和他们传递的载体；性和他们传递的载体；•Higgs子标准模型的验证：子标准模型的验证：20此前的标准模型的验证历程：此前的标准模型的验证历程：1.1973年发现中性流，年发现中性流，2.1774年发现第四个夸克，年发现第四个夸克，3.1983年发现中性玻色子年发现中性玻色子W±和和Z0 ，证实了电，证实了电-弱弱作用的统一性和对第四种夸克预言作用的统一性和对第四种夸克预言4.1985年左右，年左右，CERN又发现了胶子又发现了胶子5.1994年，费米国家加速器实验室用年，费米国家加速器实验室用2×9800亿电亿电子伏子伏Tevatron正负质子对撞机，先后发现第五、正负质子对撞机，先后发现第五、六种夸克。

该室计划建设六种夸克该室计划建设4万亿万亿—17.5万亿电子万亿电子伏巨型质子与负质子的对撞机，以彻底验证标准伏巨型质子与负质子的对撞机，以彻底验证标准模型，但未得到美国国会批准而搁置模型，但未得到美国国会批准而搁置21已知微观物质基块和基本相互作用已知微观物质基块和基本相互作用 粒子粒子No 轻子轻子 夸克夸克 1 电子电子上夸克上夸克 u 2 电子电子 中微子中微子下夸克下夸克 d 3 介子介子奇夸克奇夸克 s 4 介子介子 中微子中微子粲夸克粲夸克 c 5 τ子子 底夸克底夸克 b 6 τ子子 中微子中微子顶夸克顶夸克 t 指标指标作用力作用力强度结构强度结构系数系数数量级数量级传递传递子子引力相引力相互作用互作用g2 / 4πh10-39引力引力子子弱相互弱相互作用作用ce2 / 4πh10-3中性中性波色波色子子电磁相电磁相互作用互作用Cgω24hc10-2光子光子强相互强相互作用作用HΜ2V/4πh才才101胶子胶子22 世界最大的正负质子对撞机世界最大的正负质子对撞机 对撞能量对撞能量14万亿电子伏万亿电子伏 日内瓦：日内瓦：27km 隧道长隧道长23九、CERN超强质子对撞机实验世界多国联合投资超过世界多国联合投资超过30亿美元在亿美元在Alps山山27km隧道，建设隧道，建设2×70000亿电子伏的质子对撞机。

亿电子伏的质子对撞机于今年于今年9月月10日开始试验任务：日开始试验任务：1.验证验证Higgs子存在，子存在，2.验证强作用与弱验证强作用与弱-电作用的统一，电作用的统一，3.全面验证标准模型的正确性，全面验证标准模型的正确性，4.为宇宙大爆炸理论提供根有力的证明为宇宙大爆炸理论提供根有力的证明标准模型如果基本全面证实，由于它关系到宇宙万物和相互作用标准模型如果基本全面证实，由于它关系到宇宙万物和相互作用的底蕴，对现代基础科学四大主要成就微观物质组成、相对的底蕴，对现代基础科学四大主要成就微观物质组成、相对论、量子力学予以综合，间接涵盖了量子化学（分子轨道理论、量子力学予以综合，间接涵盖了量子化学（分子轨道理论）和分子生物学成就，因而具有综合和标志现代基础科学论）和分子生物学成就，因而具有综合和标志现代基础科学主要成就的重大作用，可以被认为能是现代基础科学的标志主要成就的重大作用，可以被认为能是现代基础科学的标志性理论体系，它的证实将意味着现代科学革命的告一段落性理论体系，它的证实将意味着现代科学革命的告一段落24Hawkin与Higgs关于Higgs子的争论：2526　希格斯玻色子是希格斯玻色子是1964年由英国物理学家爱丁堡大年由英国物理学家爱丁堡大学教授学教授Peter Higgs所提出的一种理论：存在所提出的一种理论：存在Higgs粒子粒子(素称素称“上帝的粒子上帝的粒子‘)。

它被视为物它被视为物质的质量之源以及电子和夸克等形成质量的基础质的质量之源以及电子和夸克等形成质量的基础希格斯玻色子是现代物理学最为关注的研究课题希格斯玻色子是现代物理学最为关注的研究课题希格斯提出，其他粒子在希格斯玻色子构成的希格斯提出，其他粒子在希格斯玻色子构成的“海洋海洋”中游弋，受其作用产生惯性，由此产生了中游弋，受其作用产生惯性，由此产生了质量然而，在上世纪质量然而，在上世纪80年代粒子物理学标准模年代粒子物理学标准模型所预言的型所预言的62种基本粒子中，只有希格斯玻色子种基本粒子中，只有希格斯玻色子至今未至今未“显形显形” ，等待，等待LHC实验证实实验证实注：注：1983念念Bell Labs三位科学家（三位科学家（Stomer、崔琦、崔琦等）发现电子由带分数电荷的准粒子组成，获得等）发现电子由带分数电荷的准粒子组成，获得诺奖，从而提出电子为电单位的看法是错误的诺奖，从而提出电子为电单位的看法是错误的 27•霍金称没有霍金称没有“上帝粒子上帝粒子” 　　欧洲科学家对　　欧洲科学家对LHC的实验满怀希望，霍金却浇的实验满怀希望，霍金却浇冷水，指若实验找不到冷水，指若实验找不到“上帝粒子上帝粒子”反而会反而会“更更令人兴奋令人兴奋”，理由是，理由是“显示某些东西出错，我们显示某些东西出错，我们需要重新思考需要重新思考”。

霍金甚至曾押注霍金甚至曾押注100美元，打赌美元，打赌“上帝粒子上帝粒子”不存在 •希格斯反批霍金理论希格斯反批霍金理论 　　希格斯对霍金的言论大为发火，更批评霍金的　　希格斯对霍金的言论大为发火，更批评霍金的学术理论学术理论“不够好不够好”他说，霍金以万有引力作他说，霍金以万有引力作基础研究出的粒子物理学理论，基础研究出的粒子物理学理论，“不会有理论上不会有理论上粒子物理学家认为那是正确的理论粒子物理学家认为那是正确的理论”，因为，因为“你你需要在理论上考虑更多因素，不仅万有引力我需要在理论上考虑更多因素，不仅万有引力我不认为霍金有那样做的能力不认为霍金有那样做的能力”其它科学家欲息其它科学家欲息事宁人，指希格斯对霍金的看法断章取义事宁人，指希格斯对霍金的看法断章取义 28Higgs批评说：我读过他的另一篇文章，我想批评说：我读过他的另一篇文章，我想这篇文章是他作出这样的猜测的基础而这篇文章是他作出这样的猜测的基础而且坦率地说，我认为他的方法不够好我且坦率地说，我认为他的方法不够好我的理解是他把粒子物理学的各种理论以重的理解是他把粒子物理学的各种理论以重力为基础叠加在一起力为基础叠加在一起……没有一位理论粒没有一位理论粒子物理学家会认为这是一种正确理论。

子物理学家会认为这是一种正确理论 29。