大学物理物质世界的结构层次.pptx

大学物理大学物理第第1页页 共共35页页一、物质世界的空间尺度一、物质世界的空间尺度宇宙的宇宙的42个台阶个台阶宇宇宙宙学学、粒粒子子物物理理的的奇奇妙妙衔衔接接第二章第二章 物质世界的结构层次物质世界的结构层次大学物理大学物理第第2页页 共共35页页胀观胀观:1040m 1016亿光年亿光年实实物物物物质质微观微观：10-7 m，各种凝聚态，显示粒子性，各种凝聚态，显示粒子性，服从因果规律。服从因果规律。牛顿力学描述。牛顿力学描述。渺观渺观：10-35m介观介观：性质上介于微观与宏观性质上介于微观与宏观宇观宇观:天体物理天体物理大学物理大学物理第第3页页 共共35页页二、二、宇宙中物体的质量量级宇宙中物体的质量量级跨跃了约跨跃了约80个数量级个数量级 科学的基本原理之一：万物都是由难以观察到科学的基本原理之一：万物都是由难以观察到的微小粒子组成的。的微小粒子组成的。自然界的奥秘何在？自然界的奥秘何在？大学物理大学物理第第4页页 共共35页页三、物质世界的时间尺度三、物质世界的时间尺度宇宙年龄：宇宙年龄：130 200亿年亿年 星系形成：星系形成：50亿年亿年地球年龄地球年龄:大学物理大学物理第第5页页 共共35页页大气形成大气形成:热电离层热电离层对流层对流层中间层中间层平流层平流层外大气层外大气层臭氧层臭氧层生命的诞生：约生命的诞生：约40亿年亿年脊椎动物：脊椎动物：约约6亿年亿年人类出现人类出现 年年大学物理大学物理第第6页页 共共35页页生生物物的的进进化化大学物理大学物理第第7页页 共共35页页地球公转地球公转月球公转月球公转地球自转地球自转中子寿命中子寿命百米跑百米跑 10s 市电周期市电周期介子寿命介子寿命中间玻色子寿命中间玻色子寿命共计跨越了共计跨越了42个数量级个数量级大学物理大学物理第第8页页 共共35页页第一节第一节 基本粒子及其相互作用基本粒子及其相互作用要点：要点：三大家族、四种相互作用三大家族、四种相互作用基本粒子基本粒子特征：特征：质量、电荷、自旋、寿命质量、电荷、自旋、寿命基本粒子基本粒子基本粒子基本粒子：人类迄今为止尚未人类迄今为止尚未 发现其内部结构的发现其内部结构的 “点点”粒子，是一个粒子，是一个 不断向更深层次转不断向更深层次转 移的动态概念。移的动态概念。标准模型标准模型标准模型标准模型：1964年年 美国盖尔曼提出，美国盖尔曼提出，1969年斯坦福直年斯坦福直 线加速器中心电子线加速器中心电子 核子撞击实验首次核子撞击实验首次 验证，获当年诺贝尔物理奖。验证，获当年诺贝尔物理奖。大学物理大学物理第第9页页 共共35页页光子（光子（20世纪世纪20年代）年代）传递电磁相互作用传递电磁相互作用传递电磁相互作用传递电磁相互作用中间玻色子中间玻色子(3种种)（20世纪世纪7080年代）年代）传递弱作用传递弱作用传递弱作用传递弱作用胶子胶子(8种种)（已有实验基础）（已有实验基础）传递强作用传递强作用传递强作用传递强作用 引力子（尚未发现）引力子（尚未发现）传递引力作用传递引力作用传递引力作用传递引力作用1.规范粒子：规范粒子：场粒子，传递相互作用的媒介场粒子，传递相互作用的媒介,共共13种。种。一、基本一、基本一、基本一、基本粒子粒子粒子粒子分类分类分类分类 分类：分类：三大家族三大家族大学物理大学物理第第10页页 共共35页页 规范粒子规范粒子规范粒子规范粒子名称名称符号符号静质量静质量MeV电荷电荷e自旋自旋寿命寿命s传递的传递的相互作用相互作用光子光子中间中间玻色子玻色子胶子胶子引力子引力子?00000011121引力引力电磁电磁弱弱强强玻色子玻色子大学物理大学物理第第11页页 共共35页页 2.轻子：轻子：不参与强相互作用的基本粒子不参与强相互作用的基本粒子,共共3代代12种。种。电子电子子子名名名名 称称称称符号符号符号符号静质量静质量静质量静质量MeV电荷电荷电荷电荷e自自自自 旋旋旋旋寿寿寿寿 命命命命s代代代代电子中微子电子中微子子中微子子中微子 子子 子中微子子中微子一一二二三三0.51106*1776.9000-1-1-1费米子费米子*：北京正负电子对撞机测量结果北京正负电子对撞机测量结果 轻子必定以粒子轻子必定以粒子反粒子对的形式产生或湮灭。反粒子对的形式产生或湮灭。总的轻子数总的轻子数(轻子数减去反轻子数轻子数减去反轻子数)在已知的一切过程中保持不变。在已知的一切过程中保持不变。大学物理大学物理第第12页页 共共35页页反粒子的发现反粒子的发现反粒子的发现反粒子的发现1930年狄拉克预言其存在；年狄拉克预言其存在；1932年安得森在宇宙射线实验中发现正电子。年安得森在宇宙射线实验中发现正电子。铅板铅板粒子从何方穿入？粒子从何方穿入？粒子带何种电荷？粒子带何种电荷？由径迹算出荷质比与电子相同由径迹算出荷质比与电子相同 1999年年6月月3日，美国肯尼迪航天中心日，美国肯尼迪航天中心“发现者发现者”号航号航天飞机搭载中国科学家参加研制的阿尔法磁谱仪天飞机搭载中国科学家参加研制的阿尔法磁谱仪(AMS)升空，寻找宇宙空间的暗物质和反物质升空，寻找宇宙空间的暗物质和反物质(反碳核和反氦反碳核和反氦核核)。大学物理大学物理第第13页页 共共35页页中微子之谜中微子之谜中微子之谜中微子之谜 1930年泡利为解释年泡利为解释 衰变中能量不守恒，提出假设：衰变中能量不守恒，提出假设：1933年费米建立弱作用理论。年费米建立弱作用理论。1942年王淦昌提出间接验证方案，由美国艾伦完成。年王淦昌提出间接验证方案，由美国艾伦完成。1956年美国雷尼斯完成探测中微子实验，获年美国雷尼斯完成探测中微子实验，获1995年诺年诺贝尔物理奖。贝尔物理奖。1999年日本科学家宣布测量到中微子质量不为零。年日本科学家宣布测量到中微子质量不为零。尚存许多未解之谜，应用前景广阔尚存许多未解之谜，应用前景广阔（地球断层扫描，（地球断层扫描，中微子通信，探测星球内部信息中微子通信，探测星球内部信息）大学物理大学物理第第14页页 共共35页页3.夸克夸克:组成参与强相互作用的强子，组成参与强相互作用的强子，3代、代、6味、每味味、每味3色，色，共共36种。种。名名名名 称称称称符号符号符号符号静质量静质量静质量静质量MeV电荷电荷电荷电荷e自旋自旋自旋自旋代代代代一一二二三三上上夸克夸克粲粲夸克夸克奇异奇异夸克夸克顶顶夸克夸克底底夸克夸克下下夸克夸克udcstb 300 300 500 1500 180000 5000费米子费米子大学物理大学物理第第15页页 共共35页页1964年年 盖尔曼：盖尔曼：1974年年 丁肇中：丁肇中：1977年年 莱德曼：莱德曼：1995年年 费米实验室：费米实验室：特点特点特点特点：分数电荷分数电荷 1977年超导铌球实验年超导铌球实验 渐近自由渐近自由 红外奴役红外奴役 色禁闭色禁闭（找不到自由（找不到自由夸克夸克）大学物理大学物理第第16页页 共共35页页基本粒子基本粒子规范粒子规范粒子13种种轻子轻子12种种夸克夸克36种种玻色子玻色子(引力子？引力子？)费米子费米子希格斯粒子希格斯粒子（?）62种种强子强子强子强子(核子、介子核子、介子核子、介子核子、介子)的夸克模型的夸克模型的夸克模型的夸克模型名称名称符号符号符号符号组组 成成组组 成成名称名称质质 子子中中 子子反质子反质子正正 介子介子正正K介子介子J/介子介子pnJ/大学物理大学物理第第17页页 共共35页页物质结构层次物质结构层次物质结构层次物质结构层次实物实物分子分子原子原子原子核原子核质子质子夸克夸克电子（轻子）电子（轻子）规范粒子规范粒子场场中子中子物质存在的基本形式物质存在的基本形式实物和场实物和场大学物理大学物理第第18页页 共共35页页大学物理大学物理第第19页页 共共35页页2)与实物的多样性一样，场的存在形式也是多样的；与实物的多样性一样，场的存在形式也是多样的；如电磁场，引力场，核场等。如电磁场，引力场，核场等。3)场也与实物一样具有质量、场也与实物一样具有质量、能量、动量和角动量能量、动量和角动量；4)与实物一样，在场内进行的物理过程也遵循质量守与实物一样，在场内进行的物理过程也遵循质量守 恒、恒、能量守恒、动量守恒和角动量守恒等规律能量守恒、动量守恒和角动量守恒等规律；5)与实物一样，场也不能创生、不难消灭，只能由一与实物一样，场也不能创生、不难消灭，只能由一 种形式转变为另一种形式。种形式转变为另一种形式。“场场”与实物的比较与实物的比较共同点：共同点：1)都是客观存在的都是客观存在的都是客观存在的都是客观存在的,不以人的意志为转移不以人的意志为转移;是可知的是可知的是可知的是可知的，能够为人们的意识所反映。能够为人们的意识所反映。大学物理大学物理第第20页页 共共35页页 联系联系联系联系-实物周围存在相关的场，场传递实物间的相互实物周围存在相关的场，场传递实物间的相互作用，场和实物可以相互转化。作用，场和实物可以相互转化。现代物理认为，场是更基本的，粒子只是场处于激发现代物理认为，场是更基本的，粒子只是场处于激发态的表现态的表现。区别：区别：1)实物质量密度大实物质量密度大(1000kg/m3),场质量密度很小场质量密度很小(10-23kg/m3)，无静止质量；，无静止质量；2)实物不能达到光速，场则以光速传播；实物不能达到光速，场则以光速传播；3)实物受力产生加速度，场则不能被加速；实物受力产生加速度，场则不能被加速；4)实物具有不可入性，以空间间断形式存在，可以作参实物具有不可入性，以空间间断形式存在，可以作参考系；考系；场场场场具有可入性，以连续形式存在，具有可叠加性，具有可入性，以连续形式存在，具有可叠加性，不能作为参考系。不能作为参考系。大学物理大学物理第第21页页 共共35页页粒子和场的相互关系粒子和场的相互关系 1)每种粒子都有相对应的场。每种粒子都有相对应的场。2)某种场能量最低的状态称为该场的基态，不显示直某种场能量最低的状态称为该场的基态，不显示直接的物理效应。接的物理效应。3)场处于激发态时，表现为相应的粒子。场处于激发态时，表现为相应的粒子。4)当所有的场都处于基态时，表现为物理上的真空。当所有的场都处于基态时，表现为物理上的真空。5)无论是处于基态的场，还是处于激发态的场，都与无论是处于基态的场，还是处于激发态的场，都与其他的场相互作用。其他的场相互作用。大学物理大学物理第第22页页 共共35页页种类种类种类种类引力引力弱力弱力电磁力电磁力强力强力作用对象作用对象作用对象作用对象所有粒子所有粒子大多数粒子大多数粒子带电粒子带电粒子强子强子作用距离作用距离作用距离作用距离cm分子相分子相互作用势能互作用势能 热运动动热运动动能能分子相分子相互作用势能互作用势能 热运动动热运动动能能分子间分子间相互作用势相互作用势能能完全无序完全无序“近程有序近程有序”（暂时、局（暂时、局部）部）非晶体：非晶体：短程有序短程有序晶体：晶体：长程有序长程有序 无外场时自动趋无外场时自动趋向稳定、均匀的平向稳定、均匀的平衡态，无一定衡态，无一定形状形状、体积体积 流动性，有一定流动性，有一定体积，无一定形状体积，无一定形状各向同性各向同性晶面角守恒晶面角守恒各向异性各向异性 有确定熔点有确定熔点最高最高最高最高降低降低降低降低再降低再降低再降低再降低大学物理大学物理第第26页页 共共35页页大学物理大学物理第第27页页 共共35页页固态可分为晶态和非晶态固态可分为晶态和非晶态 晶态晶态 晶态的固体称为晶态的固体称为晶体，组成晶体的粒子在三维晶体，组成晶体的粒子在三维空间呈周期性、规则排列的长空间呈周期性、规则排列的长程有序状态。如金属、石英等。程有序状态。如金属、石英等。石英晶体的晶面角守恒石英晶体的晶面角守恒ab:ca:bc:abcaaaabbbbcccc大学物理大学物理第第28页页 共共35页页非晶体：非晶体：晶格被破坏晶格被破坏的固体；被的固体；被“冻结冻结”的无序结构的无序结构“过过冷冷”液体。液体。(a)石英晶体石英晶体 (b)石英玻石英玻璃璃 非非晶态晶态 又称为玻璃态，又称为玻璃态，其粒子的排列呈近程有其粒子的排列呈近程有序、长程无序的状态。如玻璃、塑料、玛瑙等。序、长程无序的状态。如玻璃、塑料、玛瑙等。等离子态：等离子态：正离子和电子组成的状态。正离子和电子组成的状态。“超超”态：态：超导、超流、金属氢态、中子态等。超导、超流、金属氢态、中子态等。反物质：反物质：理论依其对称性推测自然界必然存在反粒理论依其对称性推测自然界必然存在反粒 子组成的反物质。子组成的反物质。真空态：真空态：现代物理观点设想真空中可以不断地发生现代物理观点设想真空中可以不断地发生 正反粒子对的虚产生和湮没正反粒子对的虚产生和湮没一种状态。一种状态。大学物理大学物理第第29页页 共共35页页二、相和相变二、相和相变二、相和相变二、相和相变 1)相相指物质系统内指物质系统内成分相同成分相同、结构相同结构相同、性能性能相同相同的的均匀均匀部分，不同相之间有明确的分界面。部分，不同相之间有明确的分界面。不同的物态肯定是不同的相，但同一物态却可能有几种相。不同的物态肯定是不同的相，但同一物态却可能有几种相。如水的气相、液相、固相；铁晶体在固态下不同的温度时却有如水的气相、液相、固相；铁晶体在固态下不同的温度时却有 铁、铁、铁、铁、铁三个不同的相。铁三个不同的相。2)相变相变 在一定条件下，在一定条件下，同一物质不同相之间的相互转同一物质不同相之间的相互转变。变。如：水蒸气如：水蒸气 水水 冰冰100 C0 C1atm1atm大学物理大学物理第第30页页 共共35页页体积突变体积突变体积突变体积突变，并，并伴随热量的吸收或释放伴随热量的吸收或释放伴随热量的吸收或释放伴随热量的吸收或释放的相变。的相变。相应的热量叫潜热。相应的热量叫潜热。(一级相变、结构相变一级相变、结构相变)凡体积不变凡体积不变,不伴随热量的吸收或释放的相变，不伴随热量的吸收或释放的相变，只只只只有某些物理量有某些物理量有某些物理量有某些物理量（如热容、热膨胀系数等）（如热容、热膨胀系数等）发生突变发生突变发生突变发生突变的的相变。相变。(二级相变、特性相变二级相变、特性相变)如无外磁场时导体正常态和超导态间的变化；磁介如无外磁场时导体正常态和超导态间的变化；磁介质在居里温度时的顺磁相和铁磁相间的变化。质在居里温度时的顺磁相和铁磁相间的变化。如熔化和凝固，汽化和液化，升华和凝华，如熔化和凝固，汽化和液化，升华和凝华，-Fe-Fe -Fe-Fe -Fe-Fe，等。，等。相相变变第一类相变第一类相变第二类相变第二类相变大学物理大学物理第第31页页 共共35页页例：例：1911年，昂纳斯实验年，昂纳斯实验发现在发现在4.2K处处,Hg从常导从常导状态突变为超导态。状态突变为超导态。4.2K称为临界温度。称为临界温度。0 2 4 6 8 10 12T(K)相变的起因相变的起因：有：有序和无序两种倾序和无序两种倾向相互竞争的结向相互竞争的结果。果。有序有序有序有序 相互作用相互作用无序无序无序无序 热运动热运动大学物理大学物理第第32页页 共共35页页三、相图三、相图三、相图三、相图 状态参量状态参量：任何一个物质系统都可以用许多物理量：任何一个物质系统都可以用许多物理量从不同角度去描述，这些物理量叫做系统的状态参量。从不同角度去描述，这些物理量叫做系统的状态参量。如温度、压强、体积、能量、熵、极化强度、磁化强如温度、压强、体积、能量、熵、极化强度、磁化强度等。度等。广延量：广延量：与质量有关，具有可加性。与质量有关，具有可加性。如体积、能量等。如体积、能量等。强度量：强度量：与质量无关，不具有可加性。与质量无关，不具有可加性。如压强、温度等。如压强、温度等。状态参量状态参量一般说来，强度量是控制宏观系统相变的参数。一般说来，强度量是控制宏观系统相变的参数。大学物理大学物理第第33页页 共共35页页 相图相图：以系统的状态参量为变量，建立坐标系，在坐：以系统的状态参量为变量，建立坐标系，在坐标面上的点对应系统的状态，称为标面上的点对应系统的状态，称为相点相点相点相点。面上的曲线对。面上的曲线对应系统的应系统的平衡过程平衡过程平衡过程平衡过程。面上的区域对应系统的一个。面上的区域对应系统的一个相相相相。整。整个面称为个面称为相图相图相图相图。一般物质的单元相图一般物质的单元相图 pT相图相图大学物理大学物理第第34页页 共共35页页水的相图水的相图 p T相图相图(左左)氦氦(He4)的低温相图的低温相图 p T相图相图(右右)p固相固相固相固相气相气相气相气相正常液相正常液相正常液相正常液相超流液相超流液相超流液相超流液相 TC C(示意图示意图)O p冰冰汽汽水水TABCO(示意图示意图)O