物理學(xué)與現(xiàn)代自然科學(xué).ppt

1、第六章 物理學(xué)與現(xiàn)代自然科學(xué) 各門自然科學(xué)學(xué)科是從不同角度，針對不同的自然現(xiàn)象，概括著正確認(rèn)識的知識體系。當(dāng)代人們最關(guān)心的重大自然科學(xué)課題有宇宙的起源、演化、結(jié)構(gòu)層次，各種元素的起源和它們構(gòu)成各種物質(zhì)材料的規(guī)律、生命的本質(zhì)等等。 科學(xué)揭示自然規(guī)律，為發(fā)明新技術(shù)指明方向。,技術(shù)是人們在實踐的基礎(chǔ)上創(chuàng)造出來的，能指導(dǎo)人們制作工具、組合工具、按照給定的行為規(guī)范運用工具，從而實現(xiàn)各種實際需求的知識體系。,現(xiàn)代新技術(shù)中，最具基礎(chǔ)性的有新能源技術(shù)、新材料、激光、生物技術(shù)等?？茖W(xué)技術(shù)是推動生產(chǎn)力發(fā)展、創(chuàng)造更多更好的產(chǎn)品、提高人類物質(zhì)文化生活的第一要素。,物理學(xué)研究的對象是自然界的普遍現(xiàn)象，因此物理學(xué)得到的認(rèn)

2、識是其它學(xué)科的基礎(chǔ)。本章將介紹物理學(xué)在與之最貼近的科技領(lǐng)域中起的作用，介紹二十世紀(jì)的最新成果都建立在相對論和量子力學(xué)之上。,6-1 物理學(xué)與化學(xué),一. 化學(xué)研究的基本課題,從物理的角度, 化學(xué)的研究課題是: 各原子的化學(xué)性質(zhì); 原子結(jié)合為分子的規(guī)律;各種分子的性能和生成方法。,二. 物理學(xué)在化學(xué)發(fā)展中的的作用,1. 物理學(xué)在認(rèn)識原子、分子和化學(xué)基本規(guī)律方面的作用,化學(xué)家用實驗證實原子是組成物質(zhì)的基本單元。分割單質(zhì)得到保持該物質(zhì)性質(zhì)的最小單元原子。,對物質(zhì)的構(gòu)成，物理學(xué)起碼在更深層次點明以下幾個問題：,（1）原子還有更深層次的結(jié)構(gòu)。,（2）組成原子的粒子起源于宇宙爆炸的最初階段。,（3）量子力學(xué)

3、從理論上說明穩(wěn)定的原子只有九十幾種，而在此之前只能用化學(xué)實驗的方法發(fā)現(xiàn)新原子。,（4）原子的核外電子的分布決定了原子的化學(xué)性質(zhì)，元素在周期表上的序號與原子的核外電子數(shù)同。最外圍電子分布相同的原子有相似的化學(xué)性質(zhì)，構(gòu)成一族元素。而當(dāng)時，門捷列耶夫是從實驗事實中總結(jié)出元素周期表。,（5）原子間的結(jié)合力化學(xué)鍵,原子與原子的 結(jié)合稱為化合，結(jié)合的破裂稱為分解。 化合和分解是最基本的化學(xué)現(xiàn)象，如果把結(jié)合的本質(zhì)搞清楚了，各種化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)也就清楚了。那為什么原子可相互結(jié)合？靠原子外圍電子的結(jié)合力。結(jié)合力的形式稱為化學(xué)鍵。,破譯電子的運動秘密的是由薛定諤、海森堡等人建立的量子力學(xué)完成的。試著用量子力學(xué)解決化

4、學(xué)問題，一門新學(xué)科量子化學(xué)應(yīng)運而生。,2. 物理學(xué)在認(rèn)識外部條件對化學(xué)反應(yīng)的影響所起的作用,從物理學(xué)角度看, 影響化學(xué)反應(yīng)的外部條件可分為兩類 主要用經(jīng)典物理理論就可其作用機理的條件（如光、熱、電流等），在運用經(jīng)典物理知識處理這類問題的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、化學(xué)動力學(xué)、光化學(xué)、膠體化學(xué)等化學(xué)分支學(xué)科。通常把應(yīng)用熱力學(xué)方法討論化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)平衡的物理化學(xué)。, 必須應(yīng)用量子理論才能認(rèn)識其作用機理的外部條件，如催化劑在亞原子層次的作用（所謂亞原子層次是指從構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元著眼的層次），酶的作用等, 發(fā)展出固體表面催化、功能材料等學(xué)科。,三. 量子化學(xué),量子化學(xué)用量子力學(xué)研究分子中化

5、學(xué)鍵問題。,最早用薛定諤方程計算氫分子。,按量子力學(xué)，氫原子外圍的電子出現(xiàn)在“電子云”區(qū)域的概率最大，“電子云”的形狀用薛定諤方程的解波函數(shù)描述。兩個氫原子中的電子云的分布集中在原子核間形成化學(xué)鍵，把兩個氫原子核“拉”到一起而穩(wěn)定下來。,從理論上計算出，破壞氫分子化學(xué)鍵的能量是108.8千卡/mol, 氫分子中兩原子核間的距離是0.074 10-9nm, 與實驗值吻合。,由于薛定諤方程是一個復(fù)雜的微分方程，隨著分子中原子數(shù)目的增加定量計算遇到困難。為此采用多種近似方法。目前迅速發(fā)展的是化學(xué)鍵理論中的分子軌道理論。它是從分子整體出發(fā)，用單電子的波函數(shù)描述化學(xué)鍵本質(zhì)。 計算機的飛速發(fā)展，為量子化學(xué)

6、的計算提供了有力工具?；瘜W(xué)也從經(jīng)驗性學(xué)科向系統(tǒng)的理論的學(xué)科發(fā)展。,量子力學(xué)的發(fā)展使人們的預(yù)見性也加強了，進(jìn)入到“分子設(shè)計”階段。期待通過理論計算，像設(shè)計房屋那樣，按需求設(shè)計新材料、新藥物。理論表明：,物性,電學(xué)性能：半導(dǎo)性、超導(dǎo)電性等,熱學(xué)性能：熱傳導(dǎo)等,磁學(xué)性能：磁性轉(zhuǎn)變溫度等,光學(xué)性能：吸收光譜等,藥物的療效,與原子的外層電子運動有關(guān),于是有了高溫超導(dǎo)材料的設(shè)計，性能優(yōu)異的半導(dǎo)體、激光物質(zhì)，設(shè)計新藥物、新農(nóng)藥。,1965年，量子化學(xué)出現(xiàn)了分子軌道對稱守恒原理，使量子化學(xué)進(jìn)入研究化學(xué)反應(yīng)的新階段。該理論在解釋和預(yù)示一系列化學(xué)反應(yīng)方向上是有力工具。70 年代量子化學(xué)又用于研究催化劑、生物酶問題

7、。,6-2 物理學(xué)與生命科學(xué),生物學(xué)是研究生命現(xiàn)象的科學(xué)。多少年來, 生物學(xué)一直是描述性學(xué)科, 以觀察和認(rèn)識生物世界的多樣性為主要內(nèi)容, 以描述和分類為主要工作。,生物的結(jié)構(gòu)、運動方式、生命的物質(zhì)基礎(chǔ)、生物進(jìn)化的機理、 遺傳和生命的本質(zhì)。,本章運用物理知識去理解：,1. 生物體,從生物學(xué)角度看, 生物體是由核酸和蛋白質(zhì)等組成的, 能通過自組織，實現(xiàn)自我復(fù)制、自我更新的多分子體系，可以參與物理、化學(xué)、生命三個層次的運動。,生命活動主要通過蛋白質(zhì)體現(xiàn)。的基本單元是氨基酸。蛋白質(zhì)由20多種氨基酸排列而成。體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)離不開具有催化作用的蛋白質(zhì)-酶。,一. 生物體,核酸的基本結(jié)構(gòu)單位是核苷酸，由堿基

8、、糖、磷酸三部分組成。,核酸,核糖核酸（RNA）,脫氧核糖核酸（DNA）,遺傳特征是由DNA中特定的核苷酸排列順序決定。個體發(fā)育時，DNA的密碼指令將氨基酸連接起來合成蛋白質(zhì)，進(jìn)而形成不同的器官，。另一方面，DNA能自我復(fù)制，由親代復(fù)制一份DNA傳給子代。遺傳基因是控制生物性狀的功能單位和結(jié)構(gòu)單位，是DNA分子中具有遺傳效應(yīng)的某個脫氧核苷酸片段，含有成百上千個脫氧核苷酸。人類46條染色體的DNA，包含人類基因組中的約10萬個基因。,基因中堿基的不同排列構(gòu)成不同的基因?，F(xiàn)正設(shè)法測定人體10萬個基因的堿基排序。一旦完成，就可建立起完整的基因庫，從而大推進(jìn)基因工程即重組DNA技術(shù)。該技術(shù)是按人類意愿

9、，從生物體內(nèi)分離出目的DNA片段實施重組，再將重組后的DNA轉(zhuǎn)移到操作生命體中。,2. 生物體的研究層次,在研究生物體的結(jié)構(gòu)和運動變化時，可以分解為以下三個層次問題:, 可不涉及自組織作用，也不涉及化學(xué)變化的問題，這是純粹的物理問題。,可不涉及自組織作用，但涉及到化學(xué)變化的問題，處理這類問題還需要用到化學(xué)知識。, 必需考慮在自組織作用下實現(xiàn)自我復(fù)制，自我更新的問題。這類問題還受到生物體中自組織作用特殊規(guī)律的制約。,例如對骨骼的研究。,骨是物質(zhì)，滿足質(zhì)量守恒、能量守恒定律。骨骼的機械性能，骨架的形態(tài)、結(jié)構(gòu)起的支撐作用及其對生物體大小、形態(tài)、運動方式的影響，這類問題只需利用力學(xué)規(guī)律即可解決。, 骨

10、骼機械性能與其內(nèi)部狀況的關(guān)系。這時既要考慮骨骼中基本顆粒排列情況這一物理問題，更要考慮骨骼的化學(xué)組成。這個層次的研究，使我們進(jìn)一步認(rèn)識到，骨骼隨物種、年齡、經(jīng)歷、營養(yǎng)狀況而變。骨的主要成分是無機鹽（鈣、磷等）和骨膠原纖維，骨骼要能支承人體從事各項活動，必須要有一定的抗拉和抗壓強度，這就要求無機鹽與骨膠原之間有一定的比例，這一比例隨物種而變。對人而言，通常的比例是7：3。, 骨骼生長和自我修復(fù)的機理。這就不是單靠普適的物理規(guī)律或化學(xué)規(guī)律就能解決的問題，還必須知道骨骼自組織的機理和控制骨骼自組織的機理才能解決。,二、生物體中的宏觀物理現(xiàn)象,為了維持生命，生物體必須通過物理的、化學(xué)的過程來實現(xiàn)并維持

11、與外界的物質(zhì)交換，從而在生物體中出現(xiàn)各種宏觀物理過程。這些過程反映著生物整體狀況。,1. 生物的流變性(體液的運動),生物體內(nèi)流體運動是生命的基本特征。例如：植物是的光合作用維系了植物的生存，動物的體液，如血液維持動物的生命，汗液維持體溫。,水、無機鹽,二氧化碳,光合作用,光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，維系植物的生存,目前對生物流變性的研究主要集中在心血管和腸道系統(tǒng)的動力學(xué)過程。,血液由血漿和血細(xì)胞組成。血液的粘滯性影響血液在血管中的流動，一旦受阻便形成血栓。,頻率高于人類聽覺上限（約20000Hz）的聲波稱為超聲波。利用超聲波多普勒效應(yīng)可以測定血液流動速度，流向，流動性等?？裳芯啃呐K壁運動速度。,2.

12、生物電現(xiàn)象,（1）生物電,生物電主要是指生物體中所產(chǎn)生的電現(xiàn)象，也包括外界電因素對生命活動的作用。,所有的生物都有生物電現(xiàn)象，從單個細(xì)胞直到人和其它高等動物的神經(jīng)、肌肉、骨骼以及重要器官都發(fā)現(xiàn)有電流、電壓的產(chǎn)生和傳播。生物組織的許多功能（例如神經(jīng)中信息的傳遞和肌肉的收縮）主要基于電的活動。一般動物組織中的電活動比較弱，能被測出的電壓只有數(shù)十微伏至數(shù)十毫伏，但某些魚類如電鰻能產(chǎn)生的電壓達(dá)600-1000伏。,目前公認(rèn)的一種基本觀點是：生物電來源于細(xì)胞的功能，細(xì)胞是由細(xì)胞膜，細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)組成 。膜,細(xì)胞膜,細(xì)胞核,細(xì)胞質(zhì),上有孔道，允許細(xì)胞與周圍環(huán)境變換某些物質(zhì)。若取膜外電位為零，則膜內(nèi)側(cè)電壓約

13、為,K+ A-,Cl- Na+,帶負(fù)電,帶正電,-90 -70mv，稱為凈息電位。外界強刺激達(dá)一定閾值，細(xì)胞內(nèi)的電位可以從負(fù)電位突然普通為正電位（約為2030mv）。大約在不到,電位，變化的電位稱為動作電位。,1ms的時間內(nèi)又恢復(fù)為凈息,動作電位的產(chǎn)生是細(xì)胞興奮的標(biāo)志。,(2)心電圖和腦電圖,心臟是體循環(huán)和肺循環(huán)的中心，也是血流的動力裝置，心肌組織能自動地發(fā)生興奮和傳導(dǎo)興奮。,在心臟活動時，所產(chǎn)生的生物電將隨時間和空間出現(xiàn)變化。人是導(dǎo)體，生物電的變化傳到體表，用置于體表的電極探測各點的電勢差隨時間的變化，在紙帶上記錄下來，就得到心電圖。通過對心電圖的分析比較，可以診斷心肌肥厚，心律不齊，心肌供

14、血不足，心肌壞死等疾病。大腦外層皮質(zhì)也有類似的電勢變化，記錄下來為腦電圖。,3. 生物磁現(xiàn)象 磁性是物質(zhì)的一種普遍屬性，在人體內(nèi)也有磁場。主要來源是：組成生物體的材料有弱磁性，它們在地磁場或外界磁場的作用下會被磁化而產(chǎn)生磁場，肝、脾等呈現(xiàn)的磁性屬于此種。另外由于環(huán)境污染使鐵磁物質(zhì)（Fe3O4）侵入生物體內(nèi)。也有的動物如鴿子、蜜蜂體內(nèi)有微量的強磁物質(zhì)，助其辨別方向。人體的生物電產(chǎn)生磁場（電生磁），心臟的生物電產(chǎn)生心磁場，腦電流產(chǎn)生腦磁場等。,磁場對生物體具有很大的影響，它可以影響生物體內(nèi)電子的運動, 磁場的誘導(dǎo)作用也可能會引起生物體遺傳變異 .,三物理學(xué)對開拓生物學(xué)研究新領(lǐng)域作出的貢獻(xiàn),1. 利

15、用新的物理分析方法和相應(yīng)的設(shè)備，觀測、分析生物的微觀結(jié)構(gòu)。,英國物理學(xué)家胡克（1635-1703）利用自制的顯微鏡觀察生物體，首創(chuàng)了“細(xì)胞”一詞，使人們對生物的認(rèn)識深入到細(xì)胞層次。,二十世紀(jì)理論與量子力學(xué)結(jié)合，實驗上發(fā)展了衍射和光譜等研究原子、分子、和晶體結(jié)構(gòu)的新方法，使生物學(xué)研究進(jìn)入到分子層次。最成功的是英國物理學(xué)家克里克和美國物理學(xué)沃森發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，破譯了遺傳密碼。為此獲1962年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。,2. 生物學(xué)與物理學(xué)結(jié)合。,3.物理學(xué)的新理論為生物學(xué)理論提供了基礎(chǔ),量子力學(xué)理論用于生物學(xué)，誕生了量子生物學(xué)(分子生物學(xué))。它的基點是宏觀生命現(xiàn)象依賴于生物體內(nèi)亞原子層次的運

16、動。,用物理的概念、理論、工具分析方法研究生命現(xiàn)象，產(chǎn)生生物物理學(xué)。它已在視覺、聽覺信號的感知和傳遞、神經(jīng)傳導(dǎo)、生物膜的作用機理，生物體中的水運行，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和作用機理，DNA、酶的排列組裝，作用機理上不斷取得進(jìn)展。,量子力學(xué)認(rèn)為: （1） 生物體分子間的相互作用力,強相互作用和弱相互作用的力程很小, 不會在生物體分子間出現(xiàn)。在分子系統(tǒng)中, 萬有引力比起電磁相互作用小得多, 因此分子系統(tǒng)中的作用力是電磁相互作用。,（2）電荷與能量的遷移,電荷的遷移在生命活動中有重要作用。如葉綠素、染色體中電子的輸運，神經(jīng)脈沖的傳播都與電荷遷移有關(guān)。其中許多電荷遷移現(xiàn)象在極低溫下也能進(jìn)行，對此只能用量子力學(xué)中的

17、隧道效應(yīng)解釋。,（3）生物凝聚態(tài),生物大分子的活性總是在一定的環(huán)境中體現(xiàn)出來,大分子與 周圍的環(huán)境物質(zhì)又構(gòu)成一個聚合實體, 從而形成一種生物凝聚態(tài), 如蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)、多糖、水以及由它們組成的細(xì)胞膜、染色體等。,四. 從物理角度認(rèn)識生命,1. 一切有生命物體的共性在于不斷與外界交換物質(zhì)和能量。一旦停止交換也就意味著死亡。,2.薛定諤 的觀點,薛定諤 “在科學(xué)一定是統(tǒng)一的、相通的”理念支持下，晚年致力于生命科學(xué)的研究。1943年2月他在愛爾蘭首都都伯靈三一學(xué)院連續(xù)作了多場報告，論述”生命是什么？” 1944年他出版了生命是什么活細(xì)胞的物理觀一書，書中提出：,（1）生命以負(fù)熵為生;,（2）遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是有機分子, 遺傳以密碼的形式通過染色體傳遞。薛定諤引入遺傳密碼的概念, 作為解釋遺傳信息的物理基礎(chǔ)。這點為DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)所證實。,(3)生命體系中存在量子躍遷現(xiàn)象。X射線照射可引起遺傳突破就是證據(jù), 因此生命以量子規(guī)