大學(xué)物理-物質(zhì)世界的結(jié)構(gòu)層次-1

一、物質(zhì)世界的空間尺度——宇宙的42個(gè)臺(tái)階宇宙學(xué)、粒子物理的奇異連接其次章物質(zhì)世界的結(jié)構(gòu)層次1高校物理脹觀:

1040m

~1016億光年實(shí)物物質(zhì)微觀：<10-7m,原子、分子、基本粒子，波粒二象性，聽從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。量子力學(xué)描述。宏觀：>10-7m，各種凝合態(tài)，顯示粒子性，聽從因果規(guī)律。牛頓力學(xué)描述。渺觀：10-35m介觀：性質(zhì)上介于微觀與宏觀宇觀:

天體物理2高校物理二、宇宙中物體的質(zhì)量量級(jí)——跨躍了約80個(gè)數(shù)量級(jí)科學(xué)的基本原理之一：萬物都是由難以視察到的微小粒子組成的。自然界的奧秘何在？3高校物理三、物質(zhì)世界的時(shí)間尺度大爆炸宇宙年齡：130~200億年星系形成：50億年地球年齡:地球4高校物理大氣形成:熱電離層對流層中間層平流層外大氣層臭氧層生命的誕生：約40億年脊椎動(dòng)物：約6億年人類出現(xiàn)年5高校物理生物的進(jìn)化6高校物理地球公轉(zhuǎn)月球公轉(zhuǎn)地球自轉(zhuǎn)中子壽命百米跑10s市電周期介子壽命中間玻色子壽命共計(jì)跨越了42個(gè)數(shù)量級(jí)7高校物理第一節(jié)基本粒子及其相互作用要點(diǎn)：三大家族、四種相互作用基本粒子特征：質(zhì)量、電荷、自旋、壽命……基本粒子：人類迄今為止尚未發(fā)覺其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“點(diǎn)”粒子，是一個(gè)不斷向更深層次轉(zhuǎn)移的動(dòng)態(tài)概念。標(biāo)準(zhǔn)模型：1964年美國蓋爾曼提出，1969年斯坦福直線加速器中心電子——核子撞擊試驗(yàn)首次驗(yàn)證，獲當(dāng)年諾貝爾物理獎(jiǎng)。8高校物理光子（20世紀(jì)20年代）——傳遞電磁相互作用中間玻色子(3種)（20世紀(jì)70~80年代）

——傳遞弱作用膠子(8種)（已有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)）

——傳遞強(qiáng)作用引力子（尚未發(fā)現(xiàn)）——傳遞引力作用1.規(guī)范粒子：場粒子，傳遞相互作用的媒介,共13種。一、基本粒子分類分類：三大家族9高校物理

規(guī)范粒子名稱符號(hào)靜質(zhì)量MeV電荷e自旋壽命s傳遞的相互作用光子中間玻色子膠子引力子??00000011121引力電磁弱強(qiáng)玻色子10高校物理2.輕子：不參與強(qiáng)相互作用的基本粒子,共3代12種。電子μ子名稱符號(hào)靜質(zhì)量MeV電荷e自旋壽命s代電子中微子μ子中微子子子中微子一二三0.51106*1776.9000-1-1-1費(fèi)米子

*：北京正負(fù)電子對撞機(jī)測量結(jié)果輕子必定以粒子——反粒子對的形式產(chǎn)生或湮滅。總的輕子數(shù)(輕子數(shù)減去反輕子數(shù))在已知的一切過程中保持不變。

11高校物理反粒子的發(fā)覺1930年狄拉克預(yù)言其存在；1932年安得森在宇宙射線試驗(yàn)中發(fā)覺正電子。鉛板粒子從何方穿入？粒子帶何種電荷？由徑跡算出荷質(zhì)比與電子相同1999年6月3日，美國肯尼迪航天中心“發(fā)覺者”號(hào)航天飛機(jī)搭載中國科學(xué)家參與研制的阿爾法磁譜儀(AMS)升空，找尋宇宙空間的暗物質(zhì)和反物質(zhì)(反碳核和反氦核)。12高校物理中微子之謎1930年泡利為解釋衰變中能量不守恒，提出假設(shè)：1933年費(fèi)米建立弱作用理論。1942年王淦昌提出間接驗(yàn)證方案，由美國艾倫完成。1956年美國雷尼斯完成探測中微子實(shí)驗(yàn)，獲1995年諾貝爾物理獎(jiǎng)。1999年日本科學(xué)家宣布測量到中微子質(zhì)量不為零。尚存許多未解之謎，應(yīng)用前景廣闊（地球斷層掃描，中微子通信，探測星球內(nèi)部信息……）13高校物理3.夸克:組成參與強(qiáng)相互作用的強(qiáng)子，3代、6味、每味3色，共36種。名稱符號(hào)靜質(zhì)量MeV電荷e自旋代一二三上夸克粲夸克奇異夸克頂夸克底夸克下夸克udcstb≈300≈300≈500≈1500≈180000≈5000費(fèi)米子14高校物理1964年蓋爾曼：1974年丁肇中：1977年萊德曼：1995年費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室：特點(diǎn)：分?jǐn)?shù)電荷1977年超導(dǎo)鈮球試驗(yàn)漸近自由紅外奴役色禁閉（找不到自由夸克）15高校物理基本粒子規(guī)范粒子13種輕子12種夸克36種玻色子(引力子？)費(fèi)米子希格斯粒子（?）62種強(qiáng)子(核子、介子)的夸克模型名稱符號(hào)符號(hào)組成組成名稱質(zhì)子中子反質(zhì)子正介子正K介子J/介子pnJ/16高校物理物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次實(shí)物分子原子原子核質(zhì)子夸克電子（輕子）規(guī)范粒子場中子物質(zhì)存在的基本形式——實(shí)物和場17高校物理18高校物理2)與實(shí)物的多樣性一樣，場的存在形式也是多樣的；如電磁場，引力場，核場等。3)場也與實(shí)物一樣具有質(zhì)量、能量、動(dòng)量和角動(dòng)量；4)與實(shí)物一樣，在場內(nèi)進(jìn)行的物理過程也遵循質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒和角動(dòng)量守恒等規(guī)律；5)與實(shí)物一樣，場也不能創(chuàng)生、不難殲滅，只能由一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式?！皥觥迸c實(shí)物的比較共同點(diǎn)：1)都是客觀存在的,不以人的意志為轉(zhuǎn)移;是可知的，能夠?yàn)槿藗兊囊庾R(shí)所反映。19高校物理聯(lián)系--實(shí)物四周存在相關(guān)的場，場傳遞實(shí)物間的相互作用，場和實(shí)物可以相互轉(zhuǎn)化?，F(xiàn)代物理認(rèn)為，場是更基本的，粒子只是場處于激發(fā)態(tài)的表現(xiàn)。區(qū)分：1)實(shí)物質(zhì)量密度大(≈1000kg/m3),場質(zhì)量密度很小(≈10-23kg/m3)，無靜止質(zhì)量；2)實(shí)物不能達(dá)到光速，場則以光速傳播；3)實(shí)物受力產(chǎn)生加速度，場則不能被加速；4)實(shí)物具有不行入性，以空間間斷形式存在，可以作參考系；場具有可入性，以連續(xù)形式存在，具有可疊加性，不能作為參考系。20高校物理粒子和場的相互關(guān)系1)每種粒子都有相對應(yīng)的場。2)某種場能量最低的狀態(tài)稱為該場的基態(tài)，不顯示干脆的物理效應(yīng)。3)場處于激發(fā)態(tài)時(shí)，表現(xiàn)為相應(yīng)的粒子。4)當(dāng)全部的場都處于基態(tài)時(shí)，表現(xiàn)為物理上的真空。5)無論是處于基態(tài)的場，還是處于激發(fā)態(tài)的場，都與其他的場相互作用。21高校物理種類引力弱力電磁力強(qiáng)力作用對象所有粒子大多數(shù)粒子帶電粒子強(qiáng)子作用距離cm<<相對強(qiáng)度(cm處)傳遞作用的基本粒子引力子？中間玻色子光子膠子1迄今為止，人類了解得最多的是電磁力，了解得最早但最少的是引力。二、基本相互作用1.四種基本相互作用22高校物理物理理論的發(fā)展趨向統(tǒng)一天體引力地球引力牛頓愛因斯坦經(jīng)典力學(xué)相對論力學(xué)電磁光弱力麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)強(qiáng)力格拉肖薩拉姆溫泊格規(guī)范場弱電統(tǒng)一理論設(shè)想的大統(tǒng)一理論設(shè)想的超對稱大統(tǒng)一理論2.相互作用的統(tǒng)一理論由質(zhì)子衰變實(shí)驗(yàn)預(yù)言，設(shè)想強(qiáng)、弱電統(tǒng)一，其實(shí)是想統(tǒng)一夸克、輕子間的關(guān)系，希望將它們統(tǒng)一成一個(gè)家族。即把玻色子和費(fèi)米子統(tǒng)一成相互關(guān)聯(lián)的粒子，提出亞夸克模型。23高校物理其次節(jié)物態(tài)及相變一、物質(zhì)聚集態(tài)宏觀客體都是由為數(shù)眾多的微觀粒子聚集而成，大量粒子在一定溫度、壓力等外界條件下聚集而成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)狀態(tài)叫做物質(zhì)的聚集態(tài)，簡稱物態(tài)。氣態(tài)，液態(tài)，液晶＊，固態(tài)，晶體＊，等離子態(tài)，“超”態(tài)，反物質(zhì)態(tài)。探討物質(zhì)結(jié)構(gòu)：微觀層次——粒子物理宏觀層次——凝合態(tài)物理pT24高校物理物態(tài)條件結(jié)構(gòu)性質(zhì)對稱性氣態(tài)液態(tài)固態(tài)熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能>>分子相互作用勢能熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能≈分子相互作用勢能熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能<<分子間相互作用勢能完全無序“近程有序”（暫時(shí)、局部）非晶體：短程有序晶體：長程有序無外場時(shí)自動(dòng)趨向穩(wěn)定、均勻的平衡態(tài)，無一定形狀、體積流動(dòng)性，有一定體積，無一定形狀各向同性晶面角守恒各向異性有確定熔點(diǎn)最高降低再降低25高校物理26高校物理固態(tài)可分為晶態(tài)和非晶態(tài)晶態(tài)——晶態(tài)的固體稱為晶體，組成晶體的粒子在三維空間呈周期性、規(guī)則排列的長程有序狀態(tài)。如金屬、石英等。石英晶體的晶面角守恒ab:ca:bc:abcaaaabbbbcccc27高校物理非晶體：晶格被破壞的固體；被“凍結(jié)”的無序結(jié)構(gòu)——“過冷”液體。(a)石英晶體(b)石英玻璃非晶態(tài)——又稱為玻璃態(tài)，其粒子的排列呈近程有序、長程無序的狀態(tài)。如玻璃、塑料、瑪瑙等。等離子態(tài)：正離子和電子組成的狀態(tài)。“超”態(tài)：超導(dǎo)、超流、金屬氫態(tài)、中子態(tài)等。反物質(zhì)：理論依其對稱性推想自然界必定存在反粒子組成的反物質(zhì)。真空態(tài)：現(xiàn)代物理觀點(diǎn)設(shè)想真空中可以不斷地發(fā)生正反粒子對的虛產(chǎn)生和湮沒——一種狀態(tài)。28高校物理二、相和相變1)相——指物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)成分相同、結(jié)構(gòu)相同、性能相同的勻整部分，不同相之間有明確的分界面。不同的物態(tài)確定是不同的相，但同一物態(tài)卻可能有幾種相。如水的氣相、液相、固相；鐵晶體在固態(tài)下不同的溫度時(shí)卻有鐵、鐵、鐵三個(gè)不同的相。2)相變——在一定條件下，同一物質(zhì)不同相之間的相互轉(zhuǎn)變。如：水蒸氣水冰100C0C1atm1atm29高校物理體積突變，并伴隨熱量的吸取或釋放的相變。相應(yīng)的熱量叫潛熱。(一級(jí)相變、結(jié)構(gòu)相變)凡體積不變,不伴隨熱量的吸取或釋放的相變，只有某些物理量（如熱容、熱膨脹系數(shù)等）發(fā)生突變的相變。(二級(jí)相變、特性相變)如無外磁場時(shí)導(dǎo)體正常態(tài)和超導(dǎo)態(tài)間的變更；磁介質(zhì)在居里溫度時(shí)的順磁相和鐵磁相間的變更。如熔化和凝固，汽化和液化，升華和凝華，-Fe-Fe-Fe，等。相變第一類相變第二類相變30高校物理例：1911年，昂納斯試驗(yàn)發(fā)覺在4.2K處,Hg從常導(dǎo)狀態(tài)突變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。4.2K稱為臨界溫度。024681012T(K)相變的起因：有序和無序兩種傾向相互競爭的結(jié)果。有序——相互作用無序——熱運(yùn)動(dòng)31高校物理三、相圖狀態(tài)參量：任何一個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)都可以用很多物理量從不同角度去描述，這些物理量叫做系統(tǒng)的狀態(tài)參量。如溫度、壓強(qiáng)、體積、能量、熵、極化強(qiáng)度、磁化強(qiáng)度等。廣延量：與質(zhì)量有關(guān)，具有可加性。如體積、能量等。強(qiáng)度量：與質(zhì)量無關(guān)，不具有可加性。如壓強(qiáng)、溫度等。狀態(tài)參量一般說來，強(qiáng)度量是控制宏觀系