微观世界

GE 全数字PET-CT
GE 生产的 SPECT
PET 图像
中微子
科学家发现原子核β衰变（放出一个 电子）的时候，会带走一些能量，仔 细算算，损失的能量比电子带走的能 量多，有部分能量丢失了。难道能量 不守恒？ 1931年，奥地利物 理学家泡利说偷走 能量的是一种没有 静止质量的尚未认 识的粒子，大物理 学家费米给这个粒 子命名为中微子。
第四章 物质的基本结构
物质世界的空间尺度
宇 宙 学 、 粒 接子 物 理 奇 妙 衔
跨 越 了 42 个 数 量 级
宇宙中物体的质量量级
跨跃了约80个数量级
问题
1、物质无限可分吗？什么是基本粒子？ 2、当今科学已经知道物质存在有哪些层次？
3、基本粒子分哪几类？各有多少种？
4、有多少种对称，各种对称与物理量守恒有什 么关系？ 5、有多少种力，各有什么特点？统一理论进展 如何？
（4）粒子的自旋。
根据自旋情形不同分为：
费米子----自旋为h/2π的半整数倍。 玻色子----自旋为h/2π的整数倍。
（5）粒子具有对称性。
有一粒子，必有一反粒子。 1928年，狄拉克从理论上预言反粒子的存在 1932年，发现正电子；1995年发现反原子。
标准模型理论
这是目前公认的最成熟的基本粒子理 论。1964年由美国盖尔曼提出，1969年斯 坦福直线加速器中心电子——核子撞击实 验首次验证，同年获诺贝尔物理奖。理论 要点如下：
有四种：
胶子、中间玻色子、光子、引力子。
强力 弱力 电磁力 引力
基本 粒子 分为 四类
种类
规范粒子 轻子 夸克 希格斯粒子 作用对象 所有粒子 大多数粒子 带电粒子 强子
四种 基本 相互 作用
强相互作用 弱相互作用 电磁相互作用 万有引力作用
相对强度 1013cm处
1038
作用距离 (cm)
传递作用的 基本粒子 引力子？ 中间玻色子 光子 ( )
6、研究微观粒子的工具有哪些？
人类对物质结构的认识
古代中国“五行说”：金、木、水、火、土 古希腊“四根说”：火、水、土、气 哲学家加入了以太,炼丹士加入了水银、硫磺、盐。
古希腊德谟克利特：“原子论” 1661年英国波意耳(Boyle )提出元素的概念
1789年 拉瓦锡（Lavoisier） 汇编了35个已知元素 一览表 1800年英国化学家道尔顿：原子是元素的最小单元 1869年俄国的门捷列夫(Mendeleov)发现元素周期律
古希腊的原子模型: 最小的碎片 德谟克利特“思想实验”：
1 1 1 1 2 4 8
不可再分
德谟克利特的证据： 在远处能够闻到面包的香味 1800年道尔顿明确的证据： 某些物质化合生别种物质时，总是按重量的简单比 值组合。如H2O, mH:mO=1:8
原 子 论
几十年后，植物学家布朗、1905年爱因斯坦确立了 物质的原子论。
物质的基本结构
微观世界是指
10
7 m（分子直径）以下的物质世界。
微观世界的研究可分为三个量子层次：
分子、原子层次 微观世界 原子核层次 基本粒子层次
什么是基本粒子
内部没有结构，无法将其再分 —— 想像 成点粒子 场 实物
物质存在的 基本形式： 实物和场
分子
原子 原子核
质子 夸克
中子
电子
光子
M
F R D

S
+
粒子散射
玻尔原子壳层模型
1913年， 丹麦物理学家 玻尔在卢瑟福 所提出的核模 型的基础上， 结合原子光谱 的经验规律， 提出原子壳层 模型。 原子有不连续的能级，当能级发生跃迁时，原子就 发射出一定频率的光的假说。
电子云
原子的 量子模型
原子结构：由原子核和电子组成。
原子核再分割——放射现象
费因曼(美1918～1988) 光子是一 种在带电 粒子间传 播电磁力 的媒介粒 子。
Fra Baidu bibliotek
安德森 赵忠尧
反 物 质
狄拉克的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——正电子是 1932年，安德森利用放在强磁 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 发现了其他粒子的反粒子。
质量、寿命、电荷、 自旋、同位旋、重 子数 ……
粒子的物理性质：
（1）粒子很小。 必须用大型粒子探测器来观测。 （2）粒子的质量都很小。
例如：电子的静止质量为 m=9.11×10-31Kg 质子的静止质量为 m=1.67×10-27Kg
（3）粒子的寿命。
粒子的寿命不同，有长寿粒子，如：电子、质子、中子，质子寿命最 长，大于1033年。但绝大多数寿命远远小于十万分之一秒。
1896年，法国物理化学家贝克勒尔在铀矿石中发 现了放射现象，此后，居里夫妇又发现了其他放射性 元素：钍、钋、镭。
放射性元素发出的射线包
含三种射线：
射线：带两个正电荷的氦核 射线：高速运动的电子流
射线：高能光子流
原子量始终是氢原子量的整数倍。
质 子 的 发 现
1919年，卢瑟福用粒子作为高速“炮弹”来轰击氮 原子核，首先实现了原子核的人工破裂。
原子核结构
1932年，前苏联伊凡年科与海森伯 提出原子核由质子和中子组成的理论。 质子(p)和中子(n)统称为核子(N)。 质子数和中子数一定的原子核组成一种核素。 同位素：Z相同，N不同的原子。 核力是把质子和中子纠合在一 起，构成一个个稳定的原子核 (也包括不稳定的原子核)的强大 的束缚力。
原子核模型
由夸克组成，如：核子（质子、中子）、超子、π介子、k介子、r粒子等。 夸克共3代、6味、每味3色，共 3 6 种。
（2）轻子类----是指不直接参与强相互作用，只参与弱相互作用、 电磁作用和引力作用的粒子。
共有六种：电子、电中微子；u子、u中微子；τ 子、τ 中微子。
及这六种轻子的反粒子
（3）传播子----是传播粒子间相互作用的能够独立存在的粒子。
美国莱因斯 (1918～1998) 1953 年在实验中首次发 现了中微子，1995 年获诺贝尔奖。
(1) 太阳上质子聚变和其他轻核反应 要产生大量中微子；但地球上测出其 值远小于理论值，且周期变化，为什 么？存在着振荡中微子吗？
中微子 之谜
(2) “暗物质”主要是中微 子吗？
(3) 中微子质量为零吗？ (4) 中微子有磁矩吗？ (5) 是否存在中微子星？ ……
20世纪90年代推出了更新、更强的放射性核素 （γ射线）显像（RNI）。核医学影像设备ECT 包括PET、SPECT等设备。PET也称正电子成 像设备，单光子发射型计算机主要的优势是超 强的医学影像的识别与诊断的能力，尤其是利 用注入体内的增强显影剂或示踪剂，在体内循 环可以动态地、靶向目标清晰地显示被检部位 正 电 形态。 子 成 像 设 备
（3）卢瑟福的核式模型
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.汤姆孙的研究生。1908年 卢瑟福荣获诺贝尔化学奖，同年在曼切斯 特大学任教，继续指导他的学生盖革等进 行粒子散射的实验研究。 1911年卢瑟福 行星模型。 卢瑟福不仅是一位伟大的科学家，而 且是一位受学者尊敬的导师，在他的学生 中有十几位获得了现代科学界最高荣誉 ――诺贝尔奖，其中包括玻尔、查德威克、 哈恩等。
规范粒子性质
②轻子
轻子:不参与强相互作用的基本粒子,共3代12种
轻子必定以粒子——反粒子对的形式产生或湮灭。总的轻子数(轻 子数减去反轻子数)在我们已知的一切过程中保持不变。
③ 夸克:
夸克:组成参与强相互作用的强子。3代、6味、每味3色 ，共36种。
丁肇中
里希特
1974年丁肇中 和里希特分别发现了大质量的电中 性介子，从而证明了桀夸克的存在，于1976 年获 诺贝尔奖。
实物：具有静止质量、不可入性，以空间间断形式 存在。 7 10 m) ---- 服从因果律 宏观客体 (>
实物
微观客体 (< 107 m) ---- 服从统计规律 介观客体 ----一定条件下出现量子效应
场: 无静止质量, 不具有不可入性，以连续形式存 在，具有可叠 加性，不能作为参考系。 实物周围存在相关的场，场传递实物间的相互 作用，场和实物可以相互转化。 现代物理认为场是更基本的，粒子只是场处于激发态 的表现。
胶子 ( g )
引力 弱力 电磁力 强力

<
1016
1013

<
1013
102
1
① 规范粒子：
规范粒子：场粒子，传递相互作用的 媒介。共13种。 光子———————传递电磁相互作用 中间玻色子(3种) ——传递弱作用 胶子 (8种) —————传递强作用 引力子(尚未发现) ——传递引力作用
约里奥－居里 伊伦.约里奥－居里 (1900～1958) (1897～1956) 法国物理化学家 法国物理化学家
查德威克(1891～1974) 英国物理学家 1932年发现中子，于 1935年获诺贝尔奖。
PO Be 不可见粒子
氢原子或其 它原子
粒子 查德威克发现中子实验 质子或其 它原子核 1935年查德威克因发现中子而荣获诺贝尔物理 学奖。
(1) 汤姆孙“葡萄干 1903年，J.J.汤姆孙提出原子结 面包”模型
构模型：原子里面带正电的部分均 匀地分布在整个原子球体中，而带 负电的电子镶嵌在带正电的球体之 中。
经典原子模型
-
-
- -
1897年， 汤姆孙 发现了电子，指出 “阴极射线”就是高 速电子流。
(2) 长冈“土星型”模型
物理学家长冈半太郎 认为正负电子不可能 相互渗透，提出了电 子均匀地分布在一个 环上，环中心是一个 具有大质量的带正电 的球，被他称为“土 星型模型”结构。
D
S
用粒子轰击氮原子核，能释放氢核，用硼、氟、钠、铝、 磷等做实验，也能打出氢核。
4 2
He N O H
14 7 17 8 1 1
卢瑟福得出结论：每个原子核都由氢核构成。
氢核定义为“质子”。
中子的发现
1920年，卢瑟福根据测不准原理推出电子在原子核内 速度将大于光速，所以核内不可能有电子，于是预言核内 有中子。 1930年，德国物理学家玻特和贝克发现利用粒子轰 击铍元素时，产生了一种穿透力极强而且不受电场或磁 场影响的射线。 1932年，伊莲娜和弗里德里克·约里奥发现，这些新 射线能将运动速度极快的氢核从煤油中释放出来，断言这 种射线是射线。 1932年，卢瑟福的学生查德威克重做了上面的实验， 断定这种射线不可能是γ射线 ，是质量与质子相近的中性 粒子，并命名为“中子”。
原子核将由Z个质子(电荷数为Z）和N个中子组成，
原子核的质量数是A＝Z＋N，即原子核由A个核子（质子
和中子的通称）所组成，任何一种原子核可表示为：
A Z
元素
U …… 等等。实验上发现有电荷相 H 同但质量不同的原子核，称为同位素。
如：
1 1
238 92
2 1 3 H（氘）和 1 H （氢），1 H（氚）三种同位 例如：氢有 1
盖尔曼
微观粒子三大家族：强子、轻子、传播子 四大作用力：强力、电磁力、弱力、引力 1990年8月，25届高能物理国际会议指出: “标 准模型理论成功地经受住了所有实验的检验。超出 标准模型的实验结果一个也没有得到。”
基本粒子按相互作用性质，可分为强子、轻子和传播子三大类。 （1）强子类----是指能直接参与强相互作用的粒子。
粒子的基本特征
微观粒子具有与宏观物体不同的基本特征。 （1）波粒二象性。 （2）不确定关系。 对微观粒子不可能同时确定它的所有活动信息。 （3）不相容原理。 在微观粒子组成的系统中，不可能有2个粒子处于 完全相同的状态中。 （4）量子化。 微观粒子的能量状态是不连续的
基本粒子的特征量
各种粒子分别有各自的内在属性，这些属性不随粒子 产生和粒子运动状态而变化。一切内在属性的总和是判别 和区分粒子种类的依据。 各种粒子的千差万别反映在粒子运动和相互作用性质的不同， 通过反映粒子特征的许多物理量表现出来：
素；铀有
235 92
U ，238 92 U ……等等同位素。
汤川秀树
π介子的发现
鲍威尔
1935年日本物理学家汤川秀树1935年 英国鲍威尔 从宇宙 提出了传递核力的介子理论，并预言 射线中发现 π介子， 了π介子的存在，于1949年诺贝尔获奖。于1950年获诺贝尔奖。
非直接、即时相互作用
在量子论中，能量和动 量是量子化的，两个粒 子不再是通过电磁场的 连续的能量和动量流， 而是以交换光子的形式 相互作用。波纹线代表 光子。由于测不准原理， 光子路径的方向是不确 定的，发射和吸收光子 发生在不确定的时间间 隔△t内。