第七章 深入微观世界和追求物质世界的统一性

留基伯认为世间万物都是由不可分割的物质 留基伯认为世间万物都是由不可分割的物质 即原子组成的。宇宙间的原子数是无穷无尽 的，它们的大小、形状、重量等都各自不同， 不能毁灭，也不能被创造出来。所有的原子 都在一个无限的虚空中永远的运动着。 德谟克利特进一步发展了留基伯的观点。他 德谟克利特进一步发展了留基伯的观点。他 认为物质世界就是原子和虚空，虚空是原子 运动的基础，原子被迫去充满和否定虚空， 所以虚空就是原子得以储存、运动和作用场 所，是与原子无关的独立的存在着的。
阿夫加德罗常数
NA＝6．02205xl023／摩尔 NA＝ 02205xl023／ 表示1摩尔的任何物质所含的分子数。 表示1摩尔的任何物质所含的分子数。
揭示原子世界的面纱
19世纪末，发生了对物理学产生深远影响的 19世纪末，发生了对物理学产生深远影响的 “三大发现”。 1895年 1895年 德国 伦琴 阴极射线 1896年 1896年 法国 贝勒尔 天然放射线 1897年 1897年 英国 汤姆逊 电子
原子核，质子，中子 轻子 1964年，盖尔曼提出“夸克”模型 1964年，盖尔曼提出“夸克”模型 夸克自旋为1/2，电荷为质子单位电荷的2/3， 夸克自旋为1/2，电荷为质子单位电荷的2/3， 1/3 美国科学家格拉斯曾建议，把比夸克更深层 次的粒子称为“毛粒子”
微观粒子的基本规律
重子数守恒 轻子数守恒 奇异数守恒 同位旋守恒 宇称守恒 宇称守恒和对称性
古代对物质本质问题的探索
五行学说最早出现在战国末年的《尚书》 五行学说最早出现在战国末年的《尚书》中， 原文是：“五行：一日水、二日火，三日木， 四日金，五日土。 中国的五行学说是具有实物意义的，但有时 又表现为物质的基本性质。
在公元前7世纪到6 在公元前7世纪到6世纪间，古印度哲学家卡 皮拉也提出和我国五行相似的五大：地、水、 火、风、气。
要保证物质系统在时间平移而不受影响，则 要保证物质系统在时间平移而不受影响，则 要求物体系必须处于孤立状态中，这时候总 物体能量守恒。 物体能量守恒。 要保证物质系统在空间任意平移而不受影响， 要保证物质系统在空间任意平移而不受影响， 则要求物体系必须处于无外场空间，无外力 则要求物体系必须处于无外场空间，无外力 作用中，这时候物体动量守恒。 作用中，这时候物体动量守恒。 要保证物质系统在空间旋转一个角度而不受 要保证物质系统在空间旋转一个角度而不受 影响，则要求物体系必须处于不能产生力矩 影响，则要求物体系必须处于不能产生力矩 的外场，这时候物体角动量守恒。 的外场，这时候物体角动量守恒。
1897年，物理学家汤姆逊设发现了电子 1897年，物理学家汤姆逊设发现了电子。他 电子。他 证实了阴极射线是由带负电荷的粒子组成的， 并推算出其质量和电荷比值。得出来源于各 种不同物质的阴极射线粒子都是一样的，而 且是比原子小得多的粒子，其质量只是氢离 子的千分之一。
汤姆逊
1919年，卢瑟福用镭发射的α 1919年，卢瑟福用镭发射的α粒子作“炮 弹”，用“闪烁法”观察被轰击的粒子的情 况。观察到氮原子核俘获一个α 况。观察到氮原子核俘获一个α粒子后放出一 个氢核，同时变成了氧17原子核。继而又从 个氢核，同时变成了氧17原子核。继而又从 硼、氟、钠、铝等原子中都打出了氢核。于 是卢瑟福认为氢核是原子的组成部分，他把 它命名为“质子 它命名为“质子”，意为“第一本作用力 三大守恒定律
作业
试综述认识微观世界进程中的主要人物及其 成就。 比较四种基本作用力。 简述三大守恒定律。
The End!
卢瑟福
卢瑟福 原子核或结构：质子，电子，中子 狄拉克 粒子和反粒子 自然界中一切物质的相互作用，都可以归纳 为四种基本相互作用，即引力，弱力，电磁 力，强力相互作用。
相对论量子力学预言，电子、质子、中子、 中微子都有质量和它们相同的反粒子。第一 个反粒子——正电子 1932年，安德森利用 个反粒子——正电子是1932年，安德森利用 正电子是 放在强磁场中的云室记录宇宙线粒子时发现 的，50年代中期以后陆续发现了其他粒子的 的，50年代中期以后陆续发现了其他粒子的 反粒子。
古希腊的原子论
古希腊的原子论者，他们更喜欢并企图从更 深的层次上来探索物质的构造。其中米利都 的留基伯（Leucippcus Miletus）和他的继 的留基伯（Leucippcus of Miletus）和他的继 承者阿布底拉的德谟克利特（ 承者阿布底拉的德谟克利特（Democritus of Abdera）是最著名的两个。 Abdera）是最著名的两个。
原子论的思辨学说 化学元素定义 氧化学说 科学的原子论 阿夫加德罗常数
化学元素定义
波义耳，化学元素定义：元素应当是某些不 由任何其他物质所构成的，原始的，简单的 物质，并且是用化学方法再分解的可察觉的 实物。
拉瓦锡：氧化学说 拉瓦锡： 拉瓦锡关于燃烧的氧化学说终于使人们认清 了燃烧的本质，并从此取代了燃素学说，统 一地解释了许多化学反应的实验事实，为化 学发展奠定了重要的基础。 拉瓦锡的氧化学说是对燃素说的否定，他关 于水的组成、空气的组成等一系列实验成果 是对亚里士多德四元素说的批判，为了与新 的理论相适应，1785年，拉瓦锡和他的同行 的理论相适应，1785年，拉瓦锡和他的同行 戴莫维、贝托雷、佛克罗伊合作编写了《化 戴莫维、贝托雷、佛克罗伊合作编写了《 学命名法》 学命名法》。
生于公元前6世纪20年代、死于5世纪40年代、被尊 生于公元前6世纪20年代、死于5世纪40年代、被尊 为希腊七贤之一的泰勒斯认为水是万物之母。 公元前5 公元前5世纪中叶活动的思想家安拉克西米尼认为 组成万物的是气。 生于公元前5世纪30年代，死于4世纪70年代的辩证 生于公元前5世纪30年代，死于4世纪70年代的辩证 法奠基人之一赫拉克利特认为万物由火而生。 公元前4 公元前4世纪的医生、哲学家安培杜克列综合了他 以前哲学家们的见解，在他们所提出的水 以前哲学家们的见解，在他们所提出的水、气和火 之外，又加上土 之外，又加上土，成为组成一切物质的四元素。
道尔顿：科学的原子论 道尔顿： 1803年，英国物理学家、化学家约翰· 1803年，英国物理学家、化学家约翰·道尔顿 (1766-1844)提出：化学元素是由非常微小的， (1766-1844)提出：化学元素是由非常微小的， 不可再分的微粒－原子所组成。 他的原子论为许多经验性的化学定律提供了 清晰的理论解释，使人们认识到隐藏在纷纭 复杂的化学现象背后的统一本质。 道尔顿的原子论是继拉瓦锡的氧化学说之后 理论化学的又一次重大进步，此后，化学及 其相关学科得到了蓬勃发展。
物质的存在形式即时间和空间的均匀性和各 向同性，在于物理规律在各种变换下所具有 的不变性，它再次证明了物质及其运动是与 时间，空间密不可分。
3现代科学对世界统一性的追求
问题的提出
爱因斯坦，统一的描述更多现象，引力场的 统一问题。
当代关于统一场理论的不解努力
20世纪40年代，大量粒子的“二象性” 20世纪40年代，大量粒子的“二象性” 1954年，杨振宁和米尔斯提出崭新的“统一 1954年，杨振宁和米尔斯提出崭新的“统一 场理论”。 四种基本作用统一是粒子物理学发展的一个 方向。
亚历士多德否定了德谟克利特的观点 亚历士多德否定了德谟克利特的观点 原因：原子运动的动力何在？ 两种观点的对立导致了科学的”场”的概念 和理论的建立，而场和实物粒子构成了物质 和理论的建立，而场和实物粒子构成了物质 存在的两种基本形式。
近代科学视野中的原子
原子论的复兴 牛顿 波义耳 拉瓦锡 道尔顿 阿佛加德罗
1932年，物理学家查德威克发现了其质量同 1932年，物理学家查德威克发现了其质量同 质子相当的中性粒子，这正是1920年卢瑟福 质子相当的中性粒子，这正是1920年卢瑟福 猜想原子核内可能存在的一种中性的粒子， 即中子。 中子。
2物质的微观层次结构及其规律
微观粒子的基本性质 微观粒子的基本规律
基本粒子按照其质量、寿命、自旋以及参与 的相互作用等性质，可分为轻子、强子（重 子、介子），以及相互作用的传递子等。这 些基本粒子所组成的基本粒子的世界中存在 着四种相互作用，即引力相互作用、电磁相 互作用、强相互作用和弱相互作用。引力作 用在微观世界中太弱因此可以不考虑。
四种相互作用--世界所有千变万化现象，都是费米 四种相互作用--世界所有千变万化现象，都是费米 子通过玻色子在四种相互作用下惹的祸。 引力相互作用--媒介粒子 媒介粒子： 强度： ① 引力相互作用--媒介粒子：引力子 / 强度：最 作用距离： 弱 / 作用距离：长 电磁相互作用--媒介粒子 媒介粒子： 强度： ② 电磁相互作用--媒介粒子：光子 / 强度：强 / 作用距离：长 作用距离： 强相互作用----媒介粒子 媒介粒子： 强度： ③ 强相互作用----媒介粒子：胶子和介子 / 强度： 作用距离： 最强 / 作用距离：短 弱相互作用----媒介粒子 媒介粒子： 强度： ④ 弱相互作用----媒介粒子：中间玻色子 / 强度： 较弱 / 作用距离：短 作用距离：
微观世界
10-10m- 10-15m
云室，高 能粒子 粒子物理学 加速器等实 验手段 原子核物理学 原子物理学
相对论与 量子力学 的建立
目录
穷究物质结构之谜 物质的微观层次结构及其规律 现代科学对世界统一性的追求
1穷究物质结构之谜
1. 古代对物质本质问题的探索 2. 近代科学视野中的原子 3. 揭示原子世界的面纱
1956年，李政道，杨振宁，宇称不守恒（弱 1956年，李政道，杨振宁，宇称不守恒（弱 相互作用下）。 1957年，吴健雄所做的 1957年，吴健雄所做的60C衰变实验证实其观 点。
相对于时间平移不变性，必然导致能量守恒 相对于时间平移不变性，必然导致能量守恒 定律。 相对于空间平移不变性，必然导致动量守恒 相对于空间平移不变性，必然导致动量守恒 定律。 相对于空间旋转不变性，必然导致角动量守 相对于空间旋转不变性，必然导致角动量守 恒定律。