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1、第七章 微观世界的探索第一节 揭开微观世界面纱的重大发现第二节 原子的结构第三节 原子核的结构第四节 基本粒子和夸克模型第五节 揭示微观世界的新武器教学目标1. 了解打开微观世界研究大门的三大发现：X射线的发现、放射性现象的发现、电子的发现。2. 了解各原子模型的行成、作用及特点。3. 了解核子的发现、核力的性质、原子核的衰变及衰变规律、核能及核能获取方式。4. 了解基本粒子的种类及其相互作用。5. 了解高能粒子加速器的种类及主要作用。自古至今，人们一直在思索一个问题：世界万物是如何构成的?公元前400年，古希腊的哲学家德谟克里特最早提出了原子论。他认为任何物质都是由许多不可见的、不可再分割的
2、微粒组成的；这些无臭、无味、无色的微粒叫原子。但也有一些不同的“学术观点”，例如古希腊的亚里士多德及我国战国时期的公孙龙等人，认为物质是无限可分的，不存在最小的单元，(战国公孙龙：一尺之棰，日取其半，万世不竭)古代人对物质结构的认识是基于对客观事物的直觉观察。17世纪中叶，随着科学实验的兴起，积累了一些物质变化的定性、定量测定的资料后，才初步获得关于组成物质的元素和原子的正确概念，为探索物质结构奠定了基础。中世纪后期，人们在长期的生产实践中积累了丰富的经验，改进了生产工具，发明和创造了许多仪器。英国化学家道尔顿把古代思辨的、模糊的原子假说发展为科学的原子理论，为近代化学的发展奠定了重要基础，恩
3、格斯誉称他为“近代化学之父”。1803年，他提出原子论：元素是由非常微小、不可再分的微粒原子组成，原子在一切化学变化中不可再分，并保持自己的独特性质；同种元素的原子的质量、性质都相同；不同元素化合时，原子以简单整数比结合。这个结论得到大多数科学家实验事实的证明。但是，原子是否还可以再分？若还可分，该如何分？什么才是物质结构的最小层次？ 物理学家需要从根本的实验和探测手段上深入物质内部，所以一直到19世纪末，物理学家的研究才有了突破性的进展，即三年三个大发现：X射线的发现：1895年德国物理学家伦琴；放射性现象的发现：1896年法国物理学家贝克勒尔；电子的发现：1897年英国物理学家J.J汤姆逊
4、。第一节 揭开微观世界面纱的三大发现一、X射线的发现1. 阴极射线的发现随着人们对电磁现象认识的深入发展和真空技术水平的提高，科学家对大气放电现象的研究，逐步发展到在实验室中对真空放电现象的试验1858年德国物理学家普吕克尔发现试管内气体的气压降到标准大气压的百万分之一时，放电管将不发生通常的辉光放电现象，而是出现一种奇特的现象：在正对阴极的管壁上发现了绿色的荧光。他反复实验意识到阴极有一种射线射向对面的管壁，产生荧光。阴极射线是什么？“以太波”阴极射线是沿直线路径传播的，阴极射线的性质与所用的材料无关。阴极射线能使荧光物质发光，能在磁场中偏转，能使照相底片感光，能使空气电离等。它是由带负电的
5、粒子所组成的。2. 一种新射线的发现射线阴极射线实际是电子流构成的，而电子流是通过放在一个几乎是真空的玻璃管两端的电极加高电压产生的。阴极射线本身没有特殊的穿透性，而且几厘米厚的空气就能阻挡它。 1895年11月8日，伦琴做阴极射线管中气体放电实验。这次，他用很厚的黑纸把阴极管完全包起来，以便通电时，没有光泄露。然而，当伦琴给阴极通电时，他惊奇地看见，不远处凳子上的一块荧光屏在发光，好像是一束光造成的，他关掉试管，这块涂有氰亚铂酸钡的屏幕就停止发光了。由于阴极射线管是被紧紧包裹着的，伦琴认识到，当电流通过试管时，一种看不见的射线从管子里发射出来，他确信这个现象不是阴极射线造成的因为阴极射线只能
6、穿透几厘米厚的空气，不可能穿透玻璃，黑纸以及大于m距离的空气因此，他断定存在着一种新的射线。 1895年12月28日伦琴写了一篇具有历史意义的文章一种新射线初步报告，同时还公布了历史上第一张射线照片伦琴妻子的手指骨的光片。在射线发现后个月，维也纳医院首次使用射线对人体进行拍片，物理学史中重大的发现在发现后如此迅速地运用到实际中是非常少见的！后来，人们为了纪念伦琴，也将射线称为“伦琴射线”。1902年12月，瑞典皇家科学院将历史上的第一个诺贝尔物理学奖授予了伦琴。3.射线的本性和应用射线发现以后，世界上很多科学家都很快投入了对射线本性或射线应用的研究，这些研究中有不少科学家获得了诺贝尔奖除伦琴外
7、，另有15项诺贝尔奖的课题与射线有关例如，劳厄用天然晶体的晶格作为衍射光栅，观察到了射线的衍射现象，这表明射线与可见光一样也是一种电磁波它是原子内层的电子受到激发而产生的射线二、放射性的发现1. 贝克勒尔的一个惊人的意外发现贝克勒尔最开始的想法是想找出究竟射线是怎样产生的？是阴极对面发荧光的那部分管壁产生的吗？或者说荧光物质是不是在发射荧光的同时，还会放出射线？最终导致发现了一种荧光物质铀盐有产生射线的本领。他将铀盐放在用不透光的两张黑纸包好的照相底片上，并放在阳光下暴晒，结果是照相底片感光了当他公布了这一发现后，事隔一周又发现了一个更震惊的重大发现这种反映在黑暗中也能进行。这说明，铀盐本身就
8、会防出一种肉眼看不见的射线，这与荧光物质是完全无关的。而且这种射线显然不是射线，而是另外一种穿透能力更强的神秘射线这种射线可以使空气电离（带电）。2. 居里夫人的新的突破1897年，居里夫人在丈夫皮埃尔居里的建议下，选择了放射性这个一年前刚被发现的非常新的课题做为她的博士论文。她要研究的是：这个神秘的射线从哪里来？有些什么性质？是否除了铀以外还有别的元素也能发射这种射线？等等一系列问题都引起了居里夫人的极大兴趣居里夫人从两个方面开展了创造性的工作：测量实验对象从铀盐到所有能找到的各类矿石；着眼于高精度定量化的测量。1898年初就很快发现了“钍”，且第一次提出了“放射性”这个词；1898年7月从
9、沥青铀矿中分离出放射性比“铀”和“钍”强几百倍的“钋”；1898年12月又从沥青铀矿中分离出铀的放射性要强约100万倍的新元素“镭”，并测出镭的相对原子量为225.35；3. 、三种射线在科学家们的共同努力下，科学家们发现了各种放射性元素衰变所放出的射线中包括有、三种射线。其中一种非常容易被吸收(一张纸也通不过)的被称为射线(即氦核的离子流，带两个单位正电)；另外一种有较强贯穿本领的叫射线(即高速的负电离子流，带负电)；而贯穿能力最强的是射线(一种波长极短的电磁波，比X射线的波长还要短，呈电中性)。三、电子的发现电子的发现是和阴极射线的实验研究密切相关的。关于阴极射线到底是“以太波”还是“粒子
10、流”的争论长达20年，谁也不能说服谁。真正从实验上确认阴极射线是粒子流并且这种粒子就是带负电的电子的是英国科学家J.J汤姆孙。汤姆孙设计了新的阴极射线管，测得了这种粒子所带电荷与它的质量的比（荷质比e/m），要比氢离子的荷质比大一千多倍，他认为带负电的阴极射线微粒的质量要小于氢离子的质量，大约是后者的1/1840。一种比原子还小的带电粒子被发现了，这一粒子后来被称为电子。电子的发现揭示出原子也是有内部结构的，打破了认为原子是组成物质的最小单元的传统观念。汤姆孙被认为是“最先打开通向粒子物理学大门的伟人”。第二节 原子的结构2. 原子模型J.J汤姆孙的原子模型 原子的正电荷是均匀分布在整个原子球体内，而电子一个个嵌在其中，保持整个原子的电中性。进一步假定原子中电子是分布在一个个同心圆环上，作着旋转，每个环中包含有限电子。问题在于无法解释原子的稳定性和原子有一定的大小.卢瑟福原子模型 所有正电荷和原子核都集中在原子中心一个非常小的体积内，就是原子核。原子中的电子绕核运动，带正电的核和带负电的电子间的静电吸引把整个原子结合。
