近代物理学第二课物质的微观结构概要
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第二课：物质的微观结构
本章内容： 1.物质的微观结构层次 2.物质微观结构各层次的基本特征 3.单位和物理常量 4.历史回顾
1.物质的微观结构层次
物理学研究对象
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
1.物质的微观结构层次
第一层次：分子
物质保持其化学性质的基本单元，物质的化学性质和物理性质主
物质的本体是什么？
阴阳？五行？元素？原子？
4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史
物质是不是无限可分的？！ 甲方：
1.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。 2.惠施：至大无外，谓之大一；至小无内，谓之小一 3.墨翟：体之无序而最前者也。
1826年夏天，著名的植物学家罗伯特·布朗正在探讨花粉 在植物受精过程中的功能。
布朗从一朵硕大的鲜花中，小心翼翼地取下花粉。为了 不让花粉吹散，他把花粉浸泡在水中，然后放到显微镜下观 察。显微镜下花粉分裂出的微粒中，有些是圆筒形的。布朗 觉得这些圆筒形的微粒可能与植物受精有关，便注视着它们 ，以便弄清受精的秘密。
2.物质微观结构各层次的基本特征
物质微观结构链及个层次的空间尺度
分子
10-4~10-9m
原子
10-10m
质子
原子核 中子
10-14m 10-15m
e m t ne nm nt u d s c t b
＜10-19m
2.物质微观结构各层次的基本特征
物质微观结构链及个层次的相互作用类型
粒 引力相互作用
1eV=1.60×10-19J
3.单位和物理常量
纵观宇宙之大（约1026m），夸克和轻子之小（＜10-19m），数 量级相差1045倍之多。为了表示方便，可选用相应的10进制倍数 度量单位。
1 nm=10-9 m
1 keV=103 eV
1 fm=10-15 m 原子核中每个核子的平均 结合能为MeV量级。核物 理中，100MeV下为低能， 100MeV-3GeV为中能， 3GeV以上为高能。
通常忽略
子 间
弱相互作用：粒子衰变过程 10-19m
轻 子
的 电磁相互作用 原子分子层次
强
相 互 强相互作用：核子之间
子
作
夸克之间 （色相互作用）
用
Baidu Nhomakorabea
10-15m
作用强度之比：10-39:10-5:10-2:1
2.物质微观结构各层次的基本特征
物质微观结构链及个层次的相互作用类型
2.物质微观结构各层次的基本特征
乙方：
1.亚里士多德、阿那萨古拉：物质可以无限可分。 2.公孙龙：一尺之锤，日取其半，万世不竭。
4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史
1.原子的认知 直到公元19世纪，原子才由化学键和物理学家重新 给以较为精确的表述。并得到了越来越多的证明。19世 纪初，法国的普鲁斯托和英国的道尔顿相继发现了元素 形成化合物遵循的一些定量定律，如化合物分子的定比 定律，倍比定律。 1807年，道尔顿提出近代原子学说，指出如果一种 元素是由相同质量的微粒-原子组成，原子是不可分割的 最小单元，化合物是由各组成元素的原子按恒定的比例 所构成的分子组成，则上述定律可以得到合理的解释。
4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史
1802年，盖吕萨克发现气体化合时，各气 体的体积成简比。
阿伏伽德罗：在同一温度、同一压强下， 体积相同的任何气体所含的分子数都相等。
对于以上定律，原子论均可以解释，因而 获得了越来越多的支持。并且被逐步应用到 压强、温度、比热能概念的解释中。
4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史
物质宏观和微观两个大层次之间并不是界限分明的。
原子团簇 0.1nm-1nm
微
表面效应、量子尺寸效
应、小尺寸效应、幻数
观
结构等。
纳米微粒 1nm-100nm
宏
观
可采用宏观手段测量，
介观系统
10-6m-10-7m
但结果反映的是载流子 的量子力学特性。
2.物质微观结构各层次的基本特征
如何描述物质微观结构各层次的基本特征？ 空间尺度 相互作用类型 结合能
3.单位和物理常量
3.2 物理常量
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。其中，前七个为基本原子 常量（不包括G）
3.单位和物理常量
*1. c 出现在相对论中，是时空关系的基本常量。物理现象处于 相对论高速范围的标志是粒子的速度v与光速c相比拟。 *2. h 出现在量子物理中，是描述物质微观世界的基本常量。物 理现象处于微观范围的标志是h不可忽略。 *3. e 在原子分子层次，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。
3.单位和物理常量
*5. me mp 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，对于原子分子和原子核层 次，电子质量和质子质量的比值决定原子性质的主要特征。
m p 1836 me *6. NA和kB是联系微观和宏观的两个基本常量。
4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史
3.单位和物理常量
3.1单位
国际单位制中的七个基本单位： 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）
其他物理量根据其定义或者物理方程表示，称为导出量，他们的 单位称为导出单位。如：SI中能量和功的单位为J，或采用SI允 许的电子伏（eV）为单位。
物
要由分子结构决定，分子由若干个原子通过化学键结合而成。
质
第二层次：原子
机
化学元素的最小单元，采用化学方法不可分割。
构
第三层次：原子核
的
微
质子和中子
观
第四层次：强子
层
强相互作用离子的统称，各种介子和重子。强子由夸克组成
次
更深层次：夸克和轻子
夸克和轻子都是费米子，前者参与强相互作用，后者不参与。
1.物质的微观结构层次
物质微观结构链各层次起支配作用的相互作用
2.物质微观结构各层次的基本特征
物质微观结构链各层次基元间的结合能
空间尺度越小，相互作用越强。这是由于不确定关系决定的。 1.分子内原子间的结合能：几个eV
2.原子内外层电子和内层电子的结合能：eV~keV 3.原子核内核子的平均结合能：MeV
4.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。
本章内容： 1.物质的微观结构层次 2.物质微观结构各层次的基本特征 3.单位和物理常量 4.历史回顾
1.物质的微观结构层次
物理学研究对象
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
1.物质的微观结构层次
第一层次：分子
物质保持其化学性质的基本单元，物质的化学性质和物理性质主
物质的本体是什么？
阴阳？五行？元素？原子？
4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史
物质是不是无限可分的？！ 甲方：
1.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。 2.惠施：至大无外，谓之大一；至小无内，谓之小一 3.墨翟：体之无序而最前者也。
1826年夏天，著名的植物学家罗伯特·布朗正在探讨花粉 在植物受精过程中的功能。
布朗从一朵硕大的鲜花中，小心翼翼地取下花粉。为了 不让花粉吹散，他把花粉浸泡在水中，然后放到显微镜下观 察。显微镜下花粉分裂出的微粒中，有些是圆筒形的。布朗 觉得这些圆筒形的微粒可能与植物受精有关，便注视着它们 ，以便弄清受精的秘密。
2.物质微观结构各层次的基本特征
物质微观结构链及个层次的空间尺度
分子
10-4~10-9m
原子
10-10m
质子
原子核 中子
10-14m 10-15m
e m t ne nm nt u d s c t b
＜10-19m
2.物质微观结构各层次的基本特征
物质微观结构链及个层次的相互作用类型
粒 引力相互作用
1eV=1.60×10-19J
3.单位和物理常量
纵观宇宙之大（约1026m），夸克和轻子之小（＜10-19m），数 量级相差1045倍之多。为了表示方便，可选用相应的10进制倍数 度量单位。
1 nm=10-9 m
1 keV=103 eV
1 fm=10-15 m 原子核中每个核子的平均 结合能为MeV量级。核物 理中，100MeV下为低能， 100MeV-3GeV为中能， 3GeV以上为高能。
通常忽略
子 间
弱相互作用：粒子衰变过程 10-19m
轻 子
的 电磁相互作用 原子分子层次
强
相 互 强相互作用：核子之间
子
作
夸克之间 （色相互作用）
用
Baidu Nhomakorabea
10-15m
作用强度之比：10-39:10-5:10-2:1
2.物质微观结构各层次的基本特征
物质微观结构链及个层次的相互作用类型
2.物质微观结构各层次的基本特征
乙方：
1.亚里士多德、阿那萨古拉：物质可以无限可分。 2.公孙龙：一尺之锤，日取其半，万世不竭。
4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史
1.原子的认知 直到公元19世纪，原子才由化学键和物理学家重新 给以较为精确的表述。并得到了越来越多的证明。19世 纪初，法国的普鲁斯托和英国的道尔顿相继发现了元素 形成化合物遵循的一些定量定律，如化合物分子的定比 定律，倍比定律。 1807年，道尔顿提出近代原子学说，指出如果一种 元素是由相同质量的微粒-原子组成，原子是不可分割的 最小单元，化合物是由各组成元素的原子按恒定的比例 所构成的分子组成，则上述定律可以得到合理的解释。
4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史
1802年，盖吕萨克发现气体化合时，各气 体的体积成简比。
阿伏伽德罗：在同一温度、同一压强下， 体积相同的任何气体所含的分子数都相等。
对于以上定律，原子论均可以解释，因而 获得了越来越多的支持。并且被逐步应用到 压强、温度、比热能概念的解释中。
4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史
物质宏观和微观两个大层次之间并不是界限分明的。
原子团簇 0.1nm-1nm
微
表面效应、量子尺寸效
应、小尺寸效应、幻数
观
结构等。
纳米微粒 1nm-100nm
宏
观
可采用宏观手段测量，
介观系统
10-6m-10-7m
但结果反映的是载流子 的量子力学特性。
2.物质微观结构各层次的基本特征
如何描述物质微观结构各层次的基本特征？ 空间尺度 相互作用类型 结合能
3.单位和物理常量
3.2 物理常量
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。其中，前七个为基本原子 常量（不包括G）
3.单位和物理常量
*1. c 出现在相对论中，是时空关系的基本常量。物理现象处于 相对论高速范围的标志是粒子的速度v与光速c相比拟。 *2. h 出现在量子物理中，是描述物质微观世界的基本常量。物 理现象处于微观范围的标志是h不可忽略。 *3. e 在原子分子层次，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。
3.单位和物理常量
*5. me mp 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，对于原子分子和原子核层 次，电子质量和质子质量的比值决定原子性质的主要特征。
m p 1836 me *6. NA和kB是联系微观和宏观的两个基本常量。
4.历史回顾-人类对物质微观结构的认识历史
3.单位和物理常量
3.1单位
国际单位制中的七个基本单位： 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）
其他物理量根据其定义或者物理方程表示，称为导出量，他们的 单位称为导出单位。如：SI中能量和功的单位为J，或采用SI允 许的电子伏（eV）为单位。
物
要由分子结构决定，分子由若干个原子通过化学键结合而成。
质
第二层次：原子
机
化学元素的最小单元，采用化学方法不可分割。
构
第三层次：原子核
的
微
质子和中子
观
第四层次：强子
层
强相互作用离子的统称，各种介子和重子。强子由夸克组成
次
更深层次：夸克和轻子
夸克和轻子都是费米子，前者参与强相互作用，后者不参与。
1.物质的微观结构层次
物质微观结构链各层次起支配作用的相互作用
2.物质微观结构各层次的基本特征
物质微观结构链各层次基元间的结合能
空间尺度越小，相互作用越强。这是由于不确定关系决定的。 1.分子内原子间的结合能：几个eV
2.原子内外层电子和内层电子的结合能：eV~keV 3.原子核内核子的平均结合能：MeV
4.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。