现代物理基础学科.ppt

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1、现代物理基础学科 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望现代物理学？现代物理学？相对论相对论 E=Mc2 量子论量子论19181918年：普朗克年：普朗克 1932 1932年：海德堡年：海德堡 1933 1933年年:薛薛 定定 谔、狄谔、狄 拉拉 克克 1945 1945年：泡年：泡 利利 1954 1954年年:玻玻 恩恩物质物质反物质反物质反物质是一种假想的物反物质是一种假想的物质形式，在质形式，在粒子物理学粒子物理学里，反物质是里，反物质是反粒子

2、反粒子概概念的延伸，反物质是由念的延伸，反物质是由反粒子构成的反粒子构成的 宏观物体都是由宏观物体都是由质子质子、中子中子和和电子电子所组成的。这些粒子所组成的。这些粒子因而被称为因而被称为基本粒子基本粒子，在，在30年代初，就有人发现了带正年代初，就有人发现了带正电的电子，这是人们认识反电的电子，这是人们认识反物质的第一步。到了物质的第一步。到了50年代，年代，随着随着反质子反质子和和反中子反中子的发现，的发现，人们开始明确地意识到，任人们开始明确地意识到，任何基本粒子都在自然界中有何基本粒子都在自然界中有相应的反粒子存在。相应的反粒子存在。量子力学：量子力学：亚原子世界，亚原子世界，或者一

3、切事物或者一切事物中物理量都是中物理量都是量子化量子化的：原的：原子能量、角动子能量、角动量、磁矩量、磁矩.。量子力学量子力学Photon,E=h光学显微镜不能研究原子的内部结构光学显微镜不能研究原子的内部结构!量子力学量子力学：粒子具有波动性，波具有粒子性：粒子具有波动性，波具有粒子性l=l=h/p用电子显微镜用电子显微镜 大型电子正电子对撞机大型电子正电子对撞机LEPLEP是是目前世界上最大的电子显微镜目前世界上最大的电子显微镜 l=l=h/p 10-3fm=10-18m电子电子 隧穿几率隧穿几率不不越越可势可势穿穿垒垒可可势势穿穿垒垒越越经典力学经典力学量子力学量子力学dEV0物理学研究

4、的尺度物理学研究的尺度Electrons(10-18 m)Atom nucleus nucleon quark10-10 m 10-14 m 10-15 m 10-18 m 微观结构微观结构 see原子原子原子核原子核核子核子夸克夸克AfricanElephant Height 3.3 mRabbit(Length)3 x 10-1 mRed Blood Cell 7x10-6 m by 10-5 mVirus(Length)9 x 10-7 m 10-7 mCarbon-Carbon Bond Length 1.5 x 10-10 mCross section of human hair 8

5、 x 10-5 m 10-4 mHousefly 7.5 x 103 m102 m10 7 m 较大结构及尺度较大结构及尺度地球地球太阳太阳（Sun）日冕日冕10 9 mSun 2x1030 kg 1057(核子核子)10 11 m地球轨道地球轨道旋涡星系旋涡星系（Spiral Galaxy）1021m10 11 stars galaxy cluster of galaxies 10 21 m 10 22 m 10 23 m super-cluster metagalaxy universe m 10 24 m 10 25 m 10 26 m 组成物质的基本粒子组成物质的基本粒子作用力及传播子

6、作用力及传播子引力引力作用作用 引力子引力子（尚未发现）（尚未发现）电磁作用电磁作用 光子光子（1905爱因坦）爱因坦）弱作用弱作用 中间玻色子中间玻色子(CERN 83)强作用强作用 胶子胶子（DESY 1979）质量生成质量生成 HIGGS 玻色子玻色子(？)物理学的尺度从从 10 26 m 到到 10-18 m物质的基本组成物质的基本组成夸克和夸克和轻子及各种相轻子及各种相互作用的传播子互作用的传播子物理学与其他学科的关系物理学与其他学科的关系近代近代物理学物理学化学化学生命科学生命科学材料科学材料科学近代力学近代力学天体与天体与天文学天文学地学地学金融、金融、社会学社会学电子技术电子技

7、术计算机计算机量子量子 激光激光 计算化学计算化学结构生物学结构生物学细观力学细观力学纳米科技、材料纳米科技、材料量子计算机金融物理物理学与其他学科的关系物理学与其他学科的关系杨振宁杨振宁：“近些年来物理学对化近些年来物理学对化学和生命科学的发展起了极重要作学和生命科学的发展起了极重要作用用”物理学已改造了化学物理学已改造了化学 -正在改变生命科学、材料科学正在改变生命科学、材料科学 -已进军电子学、金融、社会学已进军电子学、金融、社会学 现代物理学吸收其它学科资源现代物理学吸收其它学科资源也将渗透和改变整个现代科学也将渗透和改变整个现代科学1989年年纳米科技纳米科技Scanning Pro

8、be Techniques物理学近十年的一个新方向物理学近十年的一个新方向用科学语言阐述并研究社会科学用科学语言阐述并研究社会科学中的各种问题，使社会科学问题中的各种问题，使社会科学问题更接近物理学更接近物理学交通流交通流城市膨胀城市膨胀人人 迹迹 系系 统统社会网络几何学社会网络几何学科学研究之经济回报科学研究之经济回报金金 融融 物物 理理第二届第二届“物理学在金融分析中的应物理学在金融分析中的应用用”国际学术讨论会国际学术讨论会 Application Application of Physics in Financial Analysis,of Physics in Financial

9、 Analysis,University of Liege,Institut University of Liege,Institut Zoologique Liege,Belgium July 13-Zoologique Liege,Belgium July 13-15,15,2000 2000 ConferenceConference第一届第一届“物理学在金融分析中的应用物理学在金融分析中的应用”国际学术讨论会国际学术讨论会 19991999年年7 7月爱尔兰都月爱尔兰都柏林三叶学院（柏林三叶学院（Trinity CollegeTrinity College）金融物理研究的崛起金融物理研究

10、的崛起金融物理专题讨论的国际会议频频召开金融物理专题讨论的国际会议频频召开 经济物理国际高级研讨班及金融经济物理国际高级研讨班及金融复杂性学术讨论会复杂性学术讨论会20002000年年9 9月合肥月合肥中国科技大学非线性科学中心主办中国科技大学非线性科学中心主办第二届第二届复杂性科学和经济物理学复杂性科学和经济物理学的理论与应用国际学术会议的理论与应用国际学术会议（广西（广西师范大学师范大学 桂林桂林 2001.8.22-26 2001.8.22-26）现代物理学的基础地位决现代物理学的基础地位决定了它的定了它的“多交叉学科性多交叉学科性”界面界面古典古典物理学物理学现代现代物理学物理学研究对

11、象研究对象研究对象研究对象一、课程定位一、课程定位整个宇宙各层次的尺寸（整个宇宙各层次的尺寸（单位单位m）1026 宇宙宇宙 1020 银河系银河系 1012 日地距离日地距离 106 地球半径地球半径 100 人人 10-3 尘埃尘埃 10-6 细胞、大分子、分子细胞、大分子、分子 10-10 原子原子 10-15 原子核原子核 10-18 基本粒子基本粒子课程定义：课程定义：课程定义：课程定义：研究原子内研究原子内研究原子内研究原子内部结构、性质及其运动部结构、性质及其运动部结构、性质及其运动部结构、性质及其运动规律的物理学分支规律的物理学分支规律的物理学分支规律的物理学分支原子原子原子原

12、子二、原子物理学发展简史二、原子物理学发展简史二、原子物理学发展简史二、原子物理学发展简史1 1 1 1、古人对物质结构的探讨与认识、古人对物质结构的探讨与认识、古人对物质结构的探讨与认识、古人对物质结构的探讨与认识国外国外国外国外 古希腊古希腊古希腊古希腊（B.C.400)B.C.400)B.C.400)B.C.400)德膜克利特：德膜克利特：德膜克利特：德膜克利特：万物的本原是原万物的本原是原万物的本原是原万物的本原是原 子子子子(atom)(atom)(atom)(atom)和虚空。和虚空。和虚空。和虚空。atom，希腊文的原意就是，希腊文的原意就是“不可分割性不可分割性”亚里士多德：亚

13、里士多德：亚里士多德：亚里士多德：万物由水气火土（以万物由水气火土（以万物由水气火土（以万物由水气火土（以太）组成；物质无限可分太）组成；物质无限可分太）组成；物质无限可分太）组成；物质无限可分“吾爱吾师，吾更爱真理吾爱吾师，吾更爱真理吾爱吾师，吾更爱真理吾爱吾师，吾更爱真理”；“法律是法律是法律是法律是不受情欲影响的理智不受情欲影响的理智不受情欲影响的理智不受情欲影响的理智”；主张学生德；主张学生德；主张学生德；主张学生德智体美全面发展智体美全面发展智体美全面发展智体美全面发展 中国，中国，B.C.475-221B.C.475-221年年 战国时期战国时期墨翟，墨经中，墨翟，墨经中，“端，体

14、之无序而最前者也端，体之无序而最前者也”当连续递进分割过程，至先后次序将不复存在时，端将当连续递进分割过程，至先后次序将不复存在时，端将是最后的分析结果是最后的分析结果 公孙龙，公孙龙，一尺之棰，日取其半，万世不竭一尺之棰，日取其半，万世不竭五行说：五行说：物质由金、木、水、火、土构成物质由金、木、水、火、土构成 阴阳说：阴阳说：物质由阴、阳二气组成物质由阴、阳二气组成 直觉、猜想、思辨直觉、猜想、思辨 2 2 2 2、19191919世纪，建立了原子学说世纪，建立了原子学说世纪，建立了原子学说世纪，建立了原子学说物质的原子学说：所有的化学元素都由原子组成物质的原子学说：所有的化学元素都由原子

15、组成物质的原子学说：所有的化学元素都由原子组成物质的原子学说：所有的化学元素都由原子组成 热的原子学说：利用原子的运动解释热力学定律热的原子学说：利用原子的运动解释热力学定律热的原子学说：利用原子的运动解释热力学定律热的原子学说：利用原子的运动解释热力学定律电的原子学说：自然界存在带电的原子电的原子学说：自然界存在带电的原子电的原子学说：自然界存在带电的原子电的原子学说：自然界存在带电的原子 实验总结，认识到原子是物质结构的一个层次实验总结，认识到原子是物质结构的一个层次 3 3 3 3、19191919世纪末世纪末世纪末世纪末20202020世纪初，建立了严格的原子物理世纪初，建立了严格的原

16、子物理世纪初，建立了严格的原子物理世纪初，建立了严格的原子物理理论理论理论理论量子力学。量子力学。量子力学。量子力学。重大发现有：重大发现有：18691869，周期表发现，周期表发现，门捷列夫门捷列夫18851885，氢原子光谱规律发现，巴耳末氢原子光谱规律发现，巴耳末18951895，X X射线发现，射线发现，伦琴伦琴18961896，放射线发现，放射线发现，贝克勒耳贝克勒耳18971897，电子发现，电子发现，汤姆逊汤姆逊19001900，能量子概念建立，普朗克能量子概念建立，普朗克19111911，原子核式结构建立，卢瑟福，原子核式结构建立，卢瑟福19131913，玻尔量子理论建立，玻尔

17、，玻尔量子理论建立，玻尔19251925前后，量子力学建立，前后，量子力学建立，近代物理的序幕近代物理的序幕 原子物理的新篇章原子物理的新篇章 对原子这一层次的认识，从实验到理论获得比较对原子这一层次的认识，从实验到理论获得比较完全的认识。完全的认识。4 4 4 4、20202020世纪初至现在，对物质结构的认识不断地深入，世纪初至现在，对物质结构的认识不断地深入，世纪初至现在，对物质结构的认识不断地深入，世纪初至现在，对物质结构的认识不断地深入，原子原子原子原子-原子核原子核原子核原子核-基本粒子基本粒子基本粒子基本粒子-夸克夸克夸克夸克,分子是由原子组成的分子是由原子组成的基本粒子指人们认

18、知的构成物质的最小最基本的单位。但在基本粒子指人们认知的构成物质的最小最基本的单位。但在夸夸克克理论提出后，人们认识到基本粒子也有复杂的结构，故现在理论提出后，人们认识到基本粒子也有复杂的结构，故现在一般不提一般不提“基本粒子基本粒子”这一说法。根据作用力的不同，这一说法。根据作用力的不同，粒子粒子分分为为强子强子、轻子轻子和和传播子传播子三大类。三大类。基本粒子，即在不改变物质属性的前提下的最小体积物质基本粒子，即在不改变物质属性的前提下的最小体积物质。原子是由原子核和电子构成。原子是由原子核和电子构成。原子核由质子与中子组成（氢原子核只有一个质子）。原子核由质子与中子组成（氢原子核只有一个

19、质子）。原子序数原子序数=质子数质子数=核电荷数核电荷数=核外电子数核外电子数 质子由两个质子由两个上夸克上夸克和一个和一个下夸克下夸克组成，带一个单位正电荷。组成，带一个单位正电荷。20世纪世纪60年代，美国物理学家年代，美国物理学家默里默里盖尔曼盖尔曼和和G.茨威格茨威格各自独立提各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元夸克（夸克（quark）组成的。组成的。所有的中子都是由三个夸克组成的，所有的中子都是由三个夸克组成的，反中子反中子则是由三个相应的则是由三个相应的反夸克组成的，比如质子，中子。质子由两个上夸克和一个下反夸克组成的，比如质子

20、，中子。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。夸克组成，中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。三、课程内容三、课程内容三、课程内容三、课程内容（章节介绍。（章节介绍。）四、课程特点四、课程特点四、课程特点四、课程特点1、新的概念、原理较抽象，不够直观、新的概念、原理较抽象，不够直观 2 2、重实验，理论由实验建立，不完全靠逻辑推理从、重实验，理论由实验建立，不完全靠逻辑推理从理论推导出实验结果理论推导出实验结果（光谱是研究原子内部结构与电子运光谱是研究原子内部结构与电子运动规律的主要实验手段动规律的主要实验手段。）五、课程学习的重要性五、课程学习的重要性五、课程学

21、习的重要性五、课程学习的重要性现代物理学的一门主要课程。现代物理学的一门主要课程。现代物理学的一门主要课程。现代物理学的一门主要课程。了解与掌握现代高科技的基础了解与掌握现代高科技的基础了解与掌握现代高科技的基础了解与掌握现代高科技的基础如：宇宙起源与演化，星际分子，激光技术如：宇宙起源与演化，星际分子，激光技术如：宇宙起源与演化，星际分子，激光技术如：宇宙起源与演化，星际分子，激光技术及光电子领域，材料科学，医学，化学，生及光电子领域，材料科学，医学，化学，生及光电子领域，材料科学，医学，化学，生及光电子领域，材料科学，医学，化学，生命科学中的应用。命科学中的应用。命科学中的应用。命科学中的应用。六、原子物理学学习中应注意的问题六、原子物理学学习中应注意的问题六、原子物理学学习中应注意的问题六、原子物理学学习中应注意的问题 1.1.实践是检验真理的标准，科学是逐步地不实践是检验真理的标准，科学是逐步地不断地发展的断地发展的2.2.对微观体系不能要求都按宏观规律来描述对微观体系不能要求都按宏观规律来描述3.3.要善于观察、善于学习、善于动脑、开拓要善于观察、善于学习、善于动脑、开拓进取，不断创新进取，不断创新希望我们共同努希望我们共同努力完成该课程力完成该课程