粒子物理的历史发展省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、王 宁,广西师范大学,粒子物理历史发展国家对探索微观世界关注国家对探索微观世界关注古代物质世界观古代物质世界观19世纪物质元素:元素周期表世纪物质元素:元素周期表20世纪初:近代基本粒子世纪初:近代基本粒子20世纪世纪60年代:当代基本粒子年代:当代基本粒子王 宁,广西师范大学第1页王 宁,广西师范大学, 19841984年年1010月月,在在位位于于北北京京玉玉泉泉路路边边中中国国科科学学院院高高能能物物理理研研究究所所院院内内,邓邓小小平平同同志志亲亲自自挥挥锨锨铲铲土土为为北北京京正负电子对撞机奠基。正负电子对撞机奠基。FromProf.H.Q.Jiang国家对探索微观世界关注国家对探索
2、微观世界关注第2页王 宁,广西师范大学, 19881988年年1010月月,北北京京正正负负电电子子对对撞撞机机建建成成,邓邓小小平平等等中中央央领领导导再再次次来来到到高高能能物物理理研研究究所所,邓邓小小平平发发表表了了至至今今仍仍影影响响中中国国科科技技发发展展主主要要讲话。讲话。“说说起起我我们们这这个个正正负负电电子子对对撞撞机机,我我先先讲讲个个故故事事。有有一一位位欧欧洲洲朋朋友友,是是位位科科学学家家,向向我我提提了了一一个个问问题题:你你们们当当前前经经济济并并不不发发达达,为为何何要要搞搞这这个个东东西西?我我就就回回答答他他,这这是是从从久久远远发发展展利利益益着着眼眼,
3、不不能能只只看眼前。看眼前。”“过过去去也也好好,今今天天也也好好,未未来来也也好好,中中国国必必须须发发展展自自己己高高科科技技,在在世世界界高高科科技技领领域域占占有有一一席席之之地地。假假如如六六十十年年代代以以来来中中国国没没有有原原子子弹弹、氢氢弹弹,没没有有发发射射卫卫星星,中中国国就就不不能能叫叫有有主主要要影影响响大大国国,就就没没有有现现在在这这么么国国际际地地位位。这这些些东东西西反反应应一一个个民民族族能能力力,也是一个民族、一个国家兴旺发达标志。也是一个民族、一个国家兴旺发达标志。”第3页王 宁,广西师范大学,兰州重离子加速器冷却储存环兰州重离子加速器冷却储存环“九五九
4、五”期间,国家又同意了期间,国家又同意了另一个研究物质微观规律重大另一个研究物质微观规律重大科学工程项目科学工程项目-兰州重离子加兰州重离子加速器冷却储存环工程(速器冷却储存环工程(HIRFL-HIRFL-CSRCSR),它是兰州重离子加速),它是兰州重离子加速器器(HIRFL)(HIRFL)扩建工程,工程总扩建工程,工程总投资投资2.9352.935亿元,建设周期五亿元,建设周期五年。年。国家非常重视对物质微观世界国家非常重视对物质微观世界研究。研究。第4页王 宁,广西师范大学,“十一五”期间,我国将投资60多亿多亿元开启建设12项大科学装置 在建项目在建项目n北京正负电子对撞机二期工程,由
5、高能物理研究所承建;n大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜),由国家天文台承建;n东半球空间环境地基综合监测子午链,由空间科学与应用研究中心承建;n上海同时辐射光源(),由上海应用物理研究所承建;n武汉国家生物安全试验室(),由武汉病毒研究所承建;n兰州重离子加速器冷却储存环工程,由近代物理研究所承建;n中国西南野生生物种质资源库,由昆明植物研究所承建;n全超导托卡马克核聚变试验装置,由合肥物质科学研究院承建。将建项目:将建项目:n强磁场试验装置稳态部分,由合肥物质科学研究院承建;n航空遥感系统,由电子学研究所承建;n米口径球面射电望远镜(),由国家天文台承建;n海洋科学综合考查船,由海洋研究所
6、承建;n蛋白质科学研究设施,由上海生命科学研究院承建;n散裂中子源,由高能物理研究所承建。第5页王 宁,广西师范大学,访中国科学院常务副院长白春礼院士访中国科学院常务副院长白春礼院士大科学装置一个主要特点是投资巨大、耗时较长,在发达国家都感到吃力大科学装置一个主要特点是投资巨大、耗时较长,在发达国家都感到吃力情况下,中国为何要开展这些工程?情况下,中国为何要开展这些工程?当前全球竞争日趋激烈,加强创新能力建设成为世界各国提升国际竞争当前全球竞争日趋激烈,加强创新能力建设成为世界各国提升国际竞争力主要国策。我国确立了建设创新型国家发展战略,而大科学装置在创新力主要国策。我国确立了建设创新型国家发
7、展战略,而大科学装置在创新能力提升中占据主要地位。能力提升中占据主要地位。人类探索自然世界必须借助科学仪器。伴随科学技术发展,人类对物人类探索自然世界必须借助科学仪器。伴随科学技术发展,人类对物质结构认识是从一开始看到身边各种物质逐步深入到细胞、分子、原子和质结构认识是从一开始看到身边各种物质逐步深入到细胞、分子、原子和原子核深层次,这些原子内部结构与运动信息只有借助大科学装置才能取原子核深层次,这些原子内部结构与运动信息只有借助大科学装置才能取得,而这些信息是众多学科前沿研究基础。得,而这些信息是众多学科前沿研究基础。当前,世界各国都认识到大科学装置在国家创新能力中主要地位,许当前,世界各国
8、都认识到大科学装置在国家创新能力中主要地位,许多国家尤其是发达国家在已经建设众多大科学装置基础上,纷纷制订雄心多国家尤其是发达国家在已经建设众多大科学装置基础上,纷纷制订雄心勃勃大科学装置发展规划并加大对大科学装置投入规模。勃勃大科学装置发展规划并加大对大科学装置投入规模。我国要在未来科技竞争中取得优势,必须建造大科学装置提升原始创我国要在未来科技竞争中取得优势,必须建造大科学装置提升原始创新能力,提升我国基础科学和前沿高技术领域创新能力,在部分科技前沿新能力,提升我国基础科学和前沿高技术领域创新能力,在部分科技前沿领域在国际上占据一席之地。领域在国际上占据一席之地。Fromhttp:/ 宁,
9、广西师范大学, 物质世界是由什么组成?物质世界是由什么组成?物质世界是怎样组成?物质世界是怎样组成?认识物质结构伎俩有哪些?物认识物质结构伎俩有哪些?物质微观世界对人类影响?质微观世界对人类影响?漫游物质微观世界漫游物质微观世界,探索微观奥秘对人类社会影响探索微观奥秘对人类社会影响第7页王 宁,广西师范大学, 古代物质世界气一元论阴阳学说五行学说五行学说是中国古代一种朴素唯物主义哲学思想;一方面认为世界万物是由金木水火土五种基本物质所构成;其次又认为任何事物都不是孤立、静止,而是在不停相生、相克运动之中维持着协调平衡在欧洲,古希腊人认为大地是由水、火、土和空气等元素组成;公元前5世纪后半期,德
10、谟克利特(Democritus)认为万物是由不可分割称为原子粒子组成。原子:古希腊语 不可分割。注意区分粒子(particle)和离子(ion)第8页王 宁,广西师范大学, 元素周期表与核素图19世纪初,道尔顿道尔顿(J.Dalton)提出每一个元素都代表一个特定原子,不一样元素原子,其性质首先是重量不一样。1869年,俄国人门捷列夫门捷列夫分析当初63种元素化学性质,排列出元素周期表,而且预言了当初还未发觉各种元素及其化学性质。超重元素合成超重元素合成是当前核物理界研究热点。107-112GSI(命名到111)113116,118Dubna113RIKEN19世纪末,原子论大多熟悉,但还未普
11、遍;英国倾向于原子论;德国受经验哲学家马赫影响(玻尔兹曼用原子假说解释热现象,遭同事非难,而于19自杀)第9页王 宁,广西师范大学,19世纪末、20世纪初,人们发觉了一系列新现象:阴极射线、光电效应、放射性、X射线等等,对原子结构认识渐渐进入微观层次。1897年,J.J.Thomson测定阴极射线荷质比发觉电子;19,M.Planck研究热辐射理论,提出光量子化理论;1095年,A.Einstein经过光电效应试验发觉光子;19,R.A.Millikan经过油滴试验测定电子电荷数值,证实电荷量子化;19,L.Rutherford粒子轰击靶核存在大角度散射,提出原子核概念;19,L.Ruther
12、ford粒子轰击14N靶,发觉了质子;(原子核中有质子)1932年,J.Chadwick在人工核反应中发觉中子;(原子核中有中子)1931年,W.Pauli依据原子核衰变(np+e+v),提出中微子假设;1932年,C.D.Anderson利用云室研究宇宙射线发觉了正电子,证实了狄拉克理论20世纪早期:近代基本粒子世纪早期:近代基本粒子第10页王 宁,广西师范大学, 阴极射线阴极射线有5位科学家在研究阴极射线相关工作中取得了诺贝尔奖克鲁克斯管克鲁克斯管示意图。A是低压电源,提供阴极C加热能量。B是高压电源,为覆磷阳极P提供电压。M是蒙片,其电位与阴极相同,其图像显示在屏幕上磷不发光部位 185
13、8年德国物理学家普吕克尔(J.Plucker)在利用放电现象时发觉了阴极射线第11页王 宁,广西师范大学,参见http:/ 宁,广西师范大学,1879年,他证实阴极射线不但能传递能量,还能传递动量.物理学讨论会上演示磁场对射线偏转,他认为,阴极射线是由带负电“分子流”组成.这些分子是真空管内残余气体分子,它们撞到阴极上,带上了负电荷,于是就受到阴极排斥,沿着与阴极表面垂直方向飞走.这种光线到底是什么?这种光线到底是什么?舒斯特,1890年依据阴极射线磁偏转和放电管电极之间电势差来预计这一带电粒子荷质比e/m,在5106-1010库仑/千克之间.由此得出结论,阴极射线是由带电原子组成.参看郁忠强
14、编著从原子到夸克第13页王 宁,广西师范大学,勒纳德-将阴极射线引出放电管外,作出了“勒纳德窗”重大发觉德国 物理学家Plcker和Goldstein都认为阴极射线是类似于紫外线以太波.赫兹也认为这种光线是一个电磁波。从1883年起赫兹赫兹(H.Hertz)对阴极射线进行了一系列试验,发觉阴极射线是连续射出,而且观察到阴极射线在电场中不偏转。1891年,他更深入发觉,阴极射线能够穿透金属薄片(金箔、银箔、铝箔),(因为当初人们已知任何物质粒子都不可能穿过金属薄片)。所以认为阴极射线不是粒子流。第14页王 宁,广西师范大学,n以克鲁克斯为代表英国学派带电微粒说n以赫兹为代表德国学派波动说阴极射线
15、终究是什么?阴极射线终究是什么?是带电粒子流还是电磁波?是带电粒子流还是电磁波?第15页王 宁,广西师范大学,为了证实波动说正确,GoldsteinGoldstein做了一个准确光谱试验,他特制了一根L L形形放电管放电管,电极A、B轮番充当阴极,用光谱仪观察谱线.假如阴极射线是分子流,它发出光应产生多普勒效应,光频率应与分子流运动方向相关,用光谱仪观察到从A端和B端发出射线频率应该不一样.可是,试验证实,不论是哪一端发出阴极射线,其频率都是相同.波动学说一个新证据第16页王 宁,广西师范大学,1895年,法国物理学家佩兰(J.B.PerrIn,1870-1942)做了著名法拉第筒试验。他在阳
16、极B中安装了一个法拉第筒F,用以接收从阴极C发出射线电荷,再由静电计检验电荷正负.试验结果是静电计带负电.他用磁场先将阴极射线偏向一方,使它无法进入小孔H.这时,静电计指针恢复到零,从而证实负电荷正是阴极射线携带.佩兰经过试验认为阴极射线是带负电粒子流.但他试验无法做出判决性结论,因为它无法证实静电计所带电荷一定是阴极射线传入(也可能其它负电粒子和阴极射线是同时从阴极发出).微粒学说一个新证据第17页王 宁,广西师范大学,n3.1测阴极射线携带电荷测阴极射线携带电荷汤姆生将佩兰试验作了一项重大改进.他把与静电计相连接收器(法拉第筒)安装在真空管侧面.平时没有电荷进入接收器,用磁场使射线偏转,当
17、磁场到达某一值时,接收器接收到电荷猛增,说明电荷确实来自阴极射线.为了判断终究哪种观点正确,很多人继续研究阴极射线。汤姆生(汤姆生(J.J.Thomson)对阴极射线研究)对阴极射线研究J.J.Thomson第18页王 宁,广西师范大学,n3.2用静电场使射线偏转用静电场使射线偏转汤姆生重复了赫兹用静电场使阴极射线发生偏转试验.开始并没有观察到任何连续而稳定偏转。但细心汤姆逊发觉在金属板上外加电压瞬间阴极射线出现短暂偏转,然后很快地回到管壁标尺中点。汤姆逊抓住这瞬间异常,分析出现这种现象可能原因。假如克鲁克斯试验是正确话,阴极射线在电场中也应该偏转。为了排除管中气体影响,汤姆逊利用了当初最先进
18、真空技术,将放电管内空气一直抽到只剩下极小量空气时,终于排除了电离气体屏蔽作用,使阴极射线在电场中发生了稳定电偏转。第19页王 宁,广西师范大学,n3.3测阴极射线荷质比测阴极射线荷质比汤姆生从上述试验结果中完全得出了阴极射线是带负电粒子流结论.不过,这些粒子是分子、原子,还是更小物质微粒呢?第20页王 宁,广西师范大学,1.第一步:让阴极射线过一条狭缝进入阳极内金属筒(法拉第筒),利用静电计测量一定时间内金属筒取得电量Q.若进入筒内微粒数为N,每个微粒所带电量为e,则Q=Ne.2.第二步:插入热电偶,经过一样时间后读出温升.若进入筒内微粒动能W因碰撞全部转变成热能,则W可由温升计算出,其值为
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