现代物理 - 基础学科 物理学 - 特别是现代物理学已成为 现代科学的基础学科 甚么是基础学科？ 语言学（语言，文学，外语等） 数学（包括计算机及计算数学 ） 绪 论

现代物理学？ 相对论 E = Mc 2 量子论 1918 年：普朗克 1932 年：海德堡 1933 年 : 薛 定 谔、狄 拉 克 1945 年：泡 利 1954 年 : 玻 恩

物质 反物质 反物质是一种假想的物 质形式，在粒子物理学 里，反物质是反粒子概 念的延伸，反物质是由 反粒子构成的粒子物理学反粒子 宏观物体都是由质子、中子 和电子所组成的。这些粒子 因而被称为基本粒子，在 30 年代初，就有人发现了带正 电的电子，这是人们认识反 物质的第一步。到了 50 年代， 随着反质子和反中子的发现， 人们开始明确地意识到，任 何基本粒子都在自然界中有 相应的反粒子存在。质子中子电子基本粒子反质子反中子

量子力学： 亚原子世界， 或者一切事物 中物理量都是 量子化的：原 子能量、角动 量、磁矩... 。 量子力学 Photon, γ E = hν

光学显微镜不能研究原子的内部结构 ! 量子力学：粒子具有波动性，波具有粒子性  h/p 用电子显微镜 大型电子正电子对撞机 LEP 是 目前世界上最大的电子显微镜  h/p  fm= m 电子

隧穿几率 不越 可势 穿垒 可势穿垒越可势穿垒越 经典力学 量子力学 d E V0V0

物理学研究的尺度

Electrons ( m ) Atom nucleus nucleon quark m m m m 微观结构 see 原子原子核核子夸克

African Elephant Height ~ 3.3 m Rabbit (Length) 3 x m Red Blood Cell 7x10 -6 m by m Virus (Length) ~9 x m ~ m Carbon-Carbon Bond Length ~1.5 x m Cross section of human hair ~ 8 x m ~ m Housefly ~7.5 x 10 –3 m ~10 –2 m

10 7 m 较大结构及尺度 地球

太阳（ Sun ） 日冕 10 9 m Sun ≈ 2x10 30 kg ≈ ( 核子 )

10 11 m 地球轨道

旋涡星系 （ Spiral Galaxy ） m stars

galaxy cluster of galaxies m m m super-cluster metagalaxy universe m m m m

组成物质的基本粒子

作用力及传播子 引力作用  引力子（尚未发现） 电磁作用  光子（ 1905 爱因坦） 弱作用  中间玻色子 (CERN 83) 强作用  胶子（ DESY 1979 ） 质量生成  HIGGS 玻色子 ( ？ )

物理学的尺度 从 m 到 m 物质的基本组成 夸克和轻子及各种相 互作用的传播子

物理学与其他学科的关系 近代 物理学 化学 生命科学 材料科学 近代力学 天体与 天文学 地学 金融、 社会学 电子技术 计算机 量子 激光 计算化学 结构生物学 细观力学 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 杨振宁： “ 近些年来物理学对化学 和生命科学的发展起了极重要作用 ” 物理学已改造了化学 -- 正在改变生命科学、材料科学 -- 已进军电子学、金融、社会学 现代物理学吸收其它学科资源 也将渗透和改变整个现代科学

1989 年 纳米科技 Scanning Probe Techniques

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 中的各种问题，使社会科学问题 更接近物理学 交通流 城市膨胀 人 迹 系 统 社会网络几何学 科学研究之经济回报 金 融 物 理

第二届 “ 物理学在金融分析中的应用 ” 国际学术讨论会 Application of Physics in Financial Analysis, University of Liege, Institut Zoologique Liege, Belgium July , 2000 Conference 第一届 “ 物理学在金融分析中的应用 ” 国 际学术讨论会 1999 年 7 月爱尔兰都柏 林三叶学院（ Trinity College ） 金融物理研究的崛起 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 复杂性学术讨论会 2000 年 9 月合肥 中国科技大学非线性科学中心主办 第二届复杂性科学和经济物理学 的理论与应用国际学术会议 （广西 师范大学 桂林 ）

现代物理学的基础地位决 定了它的 “ 多交叉学科性 ” 界面 古典 物理学 现代 物理学

研究对象 一、课程定位 整个宇宙各层次的尺寸（ 单位 m ） │ 宇宙 │ 银河系 │ 日地距离 10 6 │ 地球半径 10 0 │ 人 │ 尘埃 │ 细胞、大分子、分子 │ 原子 │ 原子核 │ 基本粒子 课程定义：研究原子内 部结构、性质及其运动 规律的物理学分支 原子

二、原子物理学发展简史 1 、古人对物质结构的探讨与认识 国外 古希腊 古希腊 （ B.C.400) 德膜克利特： 万物的本原是原 子 (atom) 和虚空。 子 (atom) 和虚空。 atom ，希腊文的原意就是 “ 不可分割性 ” 亚里士多德： 万物由水气火土（以 太）组成；物质无限可分 “ 吾爱吾师，吾更爱真理 ” ； “ 法律是不受 情欲影响的理智 ” ；主张学生德智体 美全面发展

中国， B.C 年 战国时期 墨翟，墨经中， “ 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 是最后的分析结果 公孙龙， ‘ 一尺之棰，日取其半，万世不竭 ’ 五行说：物质由金、木、水、火、土构成 阴阳说：物质由阴、阳二气组成 直觉、猜想、思辨

2 、 19 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 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 实验总结，认识到原子是物质结构的一个层次 3 、 19 世纪末 —20 世纪初，建立了严格的原子物 理理论 — 量子力学。 重大发现有：

1869 ， 周期表发现， 门捷列夫 1885 ， 氢原子光谱规律发现，巴耳末 1895 ， X 射线发现， 伦琴 1896 ， 放射线发现， 贝克勒耳 1897 ， 电子发现， 汤姆逊 1900 ， 能量子概念建立，普朗克 1911 ，原子核式结构建立，卢瑟福 1913 ，玻尔量子理论建立，玻尔 1925 前后，量子力学建立， 近代物理的序幕 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 完全的认识。 4 、 20 世纪初至现在，对物质结构的认识不断地深入， 原子 --- 原子核 --- 基本粒子 --- 夸克 …, 分子是由原子组成的

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 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 一般不提 “ 基本粒子 ” 这一说法。根据作用力的不同，粒子分为 强子、轻子和传播子三大类。夸 克粒子 强子轻子传播子 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。 原子核由质子与中子组成（氢原子核只有一个质子）。 原子序数 = 质子数 = 核电荷数 = 核外电子数 核电荷数 质子由两个上夸克和一个下夸克组成，带一个单位正电荷。上夸克下夸克 20 世纪 60 年代，美国物理学家默里 · 盖尔曼和 G. 茨威格各自独立提 出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元 —— 夸克（ quark ） 组成的。默里 · 盖尔曼 茨威格 所有的中子都是由三个夸克组成的，反中子则是由三个相应的 反夸克组成的，比如质子，中子。质子由两个上夸克和一个下 夸克组成，中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。反中子

三、课程内容 （章节介绍。。。。。。 ） 四、课程特点 1 、新的概念、原理较抽象，不够直观 2 、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 （ 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。 ）

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。 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 及光电子领域，材料科学，医学，化学，生 命科学中的应用。

六、原子物理学学习中应注意的问题 1. 实践是检验真理的标准，科学是逐步地不 断地发展的 2. 对微观体系不能要求都按宏观规律来描述 3. 要善于观察、善于学习、善于动脑、开拓 进取，不断创新

希望我们共同努 力完成该课程