1、2022-2-21大連理工大學 余 虹 1作者作者 余余 虹虹2022-2-21大連理工大學 余 虹 22022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光32022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光4+n+基本粒子原子核duu原子核中子由質子和中子組成由原子核與電子組成質子和中子各由三個夸克組成質子夸克電子2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光5道爾頓道爾頓（原子）（原子）湯姆遜湯姆遜（電子）（電子）盧瑟福盧瑟福（質子）（質子）查德威克查德威克（中子）（中子）蓋爾曼蓋爾曼（夸克）（夸克）2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光6物質物質原子原子電子電子原子核原子核質子、中子質子、

2、中子夸克夸克 家族家族電荷電荷質量質量（GeV）電電 子子 子子 子子輕輕子子1e10 4 0.106 1.780 e10 8 10 4 89-1/3d0.01s0.15b5.5大質量粒子壽命極大質量粒子壽命極短。短。我們的宇宙由電子我們的宇宙由電子家族組成。家族組成。 4.1 作客粒子家族作客粒子家族2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光7微觀世界的發現之旅 4.1.0 X射線的發現射線的發現 4.1.1 電子的發現電子的發現 4.1.2 永不靜止的光子永不靜止的光子 4.1.3 揭開原子核的內幕揭開原子核的內幕一、發現質子一、發現質子 二、發現中子二、發現中子 4.1.4 囚禁中的

3、夸克囚禁中的夸克2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光8 19世紀微觀世界的三大發現世紀微觀世界的三大發現一、一、1919世紀微觀世界的三大發現世紀微觀世界的三大發現原子不是最小的粒子！原子核也不是最小的粒子！原子不是最小的粒子！原子核也不是最小的粒子！ 2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光94.1.0 、X 射線的發現 X 射線的發現也是起源于對陰極射線的研究 德國維爾茨堡大學校長、物理學家倫琴于1895年11月8日，在做放電管實驗時，為了避免可見光的影響，他用黑 紙將放電管包起來，而且在 暗室中進行實驗，他意外地 發現在離管一米以外的涂有 熒光物質的屏上閃耀著微弱 的青綠

4、色的熒光。2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光10 12月22日，倫琴的夫人來到實驗室，倫琴讓夫人把左手放在用黑紙包著的照相底片上，然后用X射線照射，為她拍攝了一張帶著戒子的左手手指骨骼照片，這是歷史上第一張X光照片。2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光11 1895年12月28日倫琴寫出了一篇論文論一種新的射線，文章詳細總結了新射線的性質： 新射線來自于被陰極射線擊中的固體，固體元素越重，產生出來的新射線越強； 新射線是直線傳播的，不被棱鏡反射和折射，也不被磁場偏轉； 新射線對所有物體幾乎都是透明的； 新射線可使熒光物質發光，使照相底片感光，當把手放在放電管和熒光屏之間時

5、，由于肌肉對新射線的吸收比骨質弱得多，屏上便可看到手指的骨骼。 2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光12 X 射線這個名稱也是倫琴最先采用的，他在給孔特的信中說：“我終于發現了一種光，我不知道是什么光，無以名之，就把它叫做 X 光吧”，后人為了紀念他，又把它稱為“倫琴射線”。 倫琴的發現震驚了整個科學界，許多物理學家轉向研究 X 射線，反應之迅速和強烈是物理學史上罕見的，僅1896年一年內，關于X射線研究的論文達1000多篇。 2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光13 在X射線發現3個月后，維也納醫院中首次利用X射線對人體進行拍片; 半年后，英國出版了第一本研究X射線的專業

6、雜志射線臨床攝影資料; 此后，J. J. 湯姆遜和盧瑟福證實X射線能使氣體電離； 1912年德國物理學家勞厄用晶體作光柵，得到 X 射線衍射圖，證明 X 射線是一種波長很短（約在10102 之間）的電磁波，同時證明了晶體具有空間點陣，勞厄因此獲得了1914 年度諾貝爾物理獎。 2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光14 1858年德國物理學家普魯克利用蓋斯勒放電管研究氣體放電時發現了對著陰極的管壁上出現了美麗的綠色光輝； 1876年德國物理學家哥爾德斯坦證實這種綠色光輝是由陰極上所產生的某種射線射到玻璃上產生的，他把這種射線命名為“陰極射線”。 法國物理學家大多認為陰極射線是一種電磁波

7、，英國物理學家則認為是一種帶電粒子流，這一爭論持續了一、二十年，促使許多物理學家進行很有意義的實驗，推動了物理學的發展，這場爭論最后由J.J.湯姆遜解決了。 4.1.1 4.1.1 電子的發現電子的發現 一、發現一、發現電子電子原子不是最小的粒子！原子核也不是最小的粒子！原子不是最小的粒子！原子核也不是最小的粒子！2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光15實驗實驗表征表征發展發展二、發現電子二、發現電子實驗三部曲實驗三部曲陰極射線是什么？陰極射線是什么？讓射線從橫向電場中通過，讓射線從橫向電場中通過，沒發現偏轉。沒發現偏轉。陰極射線是電磁波！陰極射線是電磁波！赫茲赫茲1891年赫茲發現

8、了年赫茲發現了陰極射線陰極射線能夠穿透金屬薄片。能夠穿透金屬薄片。此后勒納德為此后勒納德為陰極射線陰極射線管開了一個管開了一個0.000265厘米厘米厚鋁箔的窗口厚鋁箔的窗口,把陰極引出來。把陰極引出來。實際是真空度不高、場強不夠大造成的。實際是真空度不高、場強不夠大造成的。2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光16重復赫茲電場偏轉實驗重復赫茲電場偏轉實驗得知得知電子運動電子運動速度速度200km/s需要加大電場強度。需要加大電場強度。發現管內存在大量氣體形成電屏蔽，不能發現管內存在大量氣體形成電屏蔽，不能建立電場。于是利用建立電場。于是利用最先進真空技術最先進真空技術烘烤射烘烤射線管

9、線管，獲得了高真空。，獲得了高真空。J J J J 湯姆遜湯姆遜1897年，這位英國科學家首先提出了電子年，這位英國科學家首先提出了電子比原子還小的帶負電的顆粒。比原子還小的帶負電的顆粒。 1906年，獲得諾貝爾物理獎年，獲得諾貝爾物理獎 。 湯姆遜的湯姆遜的原子模型原子模型測到了偏轉，確定這種帶電粒子的荷質比。測到了偏轉，確定這種帶電粒子的荷質比。2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光17三、電子的荷質比三、電子的荷質比vEfeE 電子進入電場之前沿水平方向運動，電子進入電場之前沿水平方向運動， 速度與電場垂直速度與電場垂直EfeEma btv /va t /eEbvmv b電子出電

10、場時具有沿電場方向速度分量電子出電場時具有沿電場方向速度分量eEam /vvv/tanvv 2e Ebm v 2tanevmEb v2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光18 J. J. 湯姆遜，1856年12月18日生于英國，1884年任卡文迪許實驗室教授，這個實驗室在他的領導下，成了全世界引人注目的物理實驗中心，世界各地的科學家常來這里開展研究工作，其中有八位后來獲得諾貝爾獎，如盧瑟福、威爾遜、巴克拉）、G. P. 湯 姆遜等，如后表所 示，這八位獲獎者 是他直接培養過的， 卡文迪許實驗室獲 得諾貝爾獎的共有 25人次。 2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光19 電子的發

11、現再一次否定了原子不可分的觀念，電子是第一個被發現的微觀粒子，電子的發現對原子組成的了解起了極為重要的作用。 J. J. 湯姆遜由于發現電子而于1906年榮獲諾貝爾物理學獎，J. J. 湯姆遜被譽為“一位最先打開通向基本粒子物理學大門的偉人”。 電子的發現在科學技術上誘發了電子時代的來臨，1904年，A.弗萊明發明了二極電子管，1906年，L.德弗萊斯特(L.de Forest)發明了三極管。真空管的發明，使電力通訊、控制和自動化生產很快發展。晶體管集成電路的發明，使人類進入微電子科技時代。 2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光203、放射性的發現 在X射線發現不久，貝克勒爾對一種稱

12、為硫酸雙氧鈾鉀的熒光物質進行了研究，他把這種鈾化合物放在用黑紙包起來的照相底片上，然后放在太陽光下曝曬幾小時，把底片取出來進行沖洗，他發現了“熒光物質在底片上的黑色輪廓”，他又在熒光物質和紙之間放一塊玻璃，繼續進行試驗，也得到了同樣的結果。這就是最早發現的放射性現象，鈾是貝克勒爾發現的第一個放射性元素。2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光21 法國科學泰斗彭加勒在閱讀倫琴發現X射線的實驗報告后，腦子里浮現出一種想法：既然X射線發生在熒光現象特別強烈的地方，那么，一切強烈的熒光物質都可能發射X 射線。 貝克勒爾是在這種情況下去做實驗的，但是，他不迷信權威，通過實驗他發現彭加勒關于熒光物

13、質產生X射線的理論是錯誤的。 自然現象紛紜復雜，假象和真象交織，現象合本質對立，原因合結果互變，要探索它的規律，怎能一點也不犯錯誤？貝克勒爾的初衷也是證實彭加勒的設想，后來卻否定了它。因此，從錯誤的理論出發，通過實驗，揭示錯誤，走向真理也是科學研究的一種正常模式。2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光22 放射性發現公布后不久，瑪麗居里很快投入了這一新的研究領域，她發現瀝青鈾礦中的放射性比已測得的鈾的放射性強得多。她大膽假定瀝青鈾礦中存在一種比鈾放射性強得多的未知元素。為了尋找這個未知元素，她的丈夫皮埃爾居里通過繁重的勞動，從大量的瀝青礦渣中去提取那個未知元素，最后發現了兩種新的放射性

14、元素，一種取名為“釙”（Polorium），以紀念自己的祖國波蘭，另一種取名為“鐳”。2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光23 居里夫婦繼續奮斗了近四年，在簡陋的工棚里，在原始的條件下，歷盡千辛萬苦，終于在1902年3月，從數以噸計的瀝青鈾礦殘渣中提煉出0.12克氯化鐳，并測得了鐳的原子量為225（現公認為226），其放射性比鈾強200萬倍。1903年，居里夫婦和貝克勒爾共享了諾貝爾物理獎。 1910年完成了她的名著論放射性，由于她的杰出貢獻，1911年又榮獲了諾貝爾化學獎。居里夫人成了第一個兩次獲諾貝爾獎殊榮的人物，2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光24a 射線、 射線

15、和 射線發現： 放射性發現后不久，英國劍橋大學卡文迪許實驗室的研究生盧瑟福也投入了對放射性的研究，在科學家的共同努力下，沒幾年就發現了天然放射性核素能夠自發地放出各種射線，從而衰變為另一種核素，衰變方式很多，放出的射線也有多種，主要的有a 射線是帶兩個正電荷的氦核（ ）； 射線是帶負電荷的高速電子流； 射線是從原子核內放出來的電磁波，它實際上是一束能量極高的光子流，它的波長比X射線還要短，穿透本領比X射線更強。 e42H2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光25放射性應用： 利用放射性鈷源（60Co）的 射線輻照，可以進行食品（如肉類、水果等）保鮮、輻照消毒（如對醫療器械、流通貨幣等）

16、以及輻照育種等。尤其在醫藥上利用它來殺傷人體內的腫瘤細胞，這是目前治療腫瘤的一種常用方法。在發達國家中放射性藥物使用已相當普及。在發展中國家中，我國的核醫藥水平名列前茅。國內已有1000多家醫院開展了放射性藥物的診治工作。 2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光26三大發現，使物理學發生了深刻的變化： 電子比最輕的原子氫原子還要輕1836倍； 電磁波除有無線電波、紅外線、可見光、紫外線，還有波長更短的X射線； 一個原子在化學變化中釋放出來的能量只有幾個電子伏特eV，而天然放射性現象中一個原子放出的能量竟可達到幾百萬電子伏特MeV； 化學變化不會引起原子性質的根本變化，然而原子經過放射

17、a 或 射線后卻完全變了。J 101.6eV 1-19eV10 Mev162022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光27 4.1.2 4.1.2 永不靜止的光子永不靜止的光子電磁場理論禁止電磁波為靜止波形。電磁場理論禁止電磁波為靜止波形。光子靜止質量為零（理論上認為：光子靜止質量為零（理論上認為： 只有引力子質量才可能為零）只有引力子質量才可能為零） ， 在真空中以光速在真空中以光速c 運動。運動。電子、質子等所有其他粒子靜止電子、質子等所有其他粒子靜止 質量都不為零，它們的速度不可能質量都不為零，它們的速度不可能 達到光速。達到光速。根據相對論根據相對論等物理理論等物理理論和現有實驗和現

18、有實驗電磁波（包含光波）可以等效看成光子。電磁波（包含光波）可以等效看成光子。2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光28盧瑟福盧瑟福質子的發現人質子的發現人將氫原子核命名為質子。將氫原子核命名為質子。1911年年 提出原子核式模型。提出原子核式模型。1899年年 鈾放射線中有鈾放射線中有a a射線（穿透性弱）；射線（穿透性弱）；1903年年 a a射線是氦元素正離子；射線是氦元素正離子；1908年年 a a射線對金箔散射射線對金箔散射大角度散射；大角度散射；原子原子r 10-10m 4.1.3 揭開原子核的內幕揭開原子核的內幕盧瑟福盧瑟福核核r010-15m一、發現質子一、發現質子20

19、22-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光291.原子核的電量原子核的電量Q=Ze (e為電子電量）為電子電量） 。2.原子核的質量原子核的質量 M Amp (mp為為質子質量）。質子質量）。實驗發現：實驗發現：A Z相差很多相差很多盧瑟福猜測：也許一個電子更加緊密地與質子相結合。盧瑟福猜測：也許一個電子更加緊密地與質子相結合。*量子理論不允許電子在量子理論不允許電子在r =10-14m的空間之內存在！的空間之內存在！ （在（在4.2.4節證實節證實)1932年中子年中子被盧瑟福的被盧瑟福的學生學生查查德威克發現！德威克發現！二、發現中子二、發現中子如果原子核僅僅是由質子組成，應有如果原子核僅

20、僅是由質子組成，應有AZ2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光30 4.1.4 囚禁中的夸克囚禁中的夸克 ee du強子的結構強子的結構強子強子重子重子介子介子質子；中子質子；中子加上反粒子共加上反粒子共200多種，太復雜多種，太復雜!一定由更基本的粒一定由更基本的粒子組成！子組成！夸克夸克 sc bt32 e3e 輕子輕子e 0夸克真的存在嗎？夸克真的存在嗎？盡管從未探測到自由盡管從未探測到自由狀態的夸克，狀態的夸克，1974年年科學家已經確信。科學家已經確信。2022-2-21大連理工大學 余 虹 姜東光31 4.1.5 四種基本自然力四種基本自然力種類種類相互作用粒子相互作用粒子 強度強度(N) 力程力程傳遞粒子傳遞粒子萬有引力萬有引力 所有粒子所