第1章 物质的基本性质 爱因斯坦 (1879~1955) ： 20世纪最伟大的物理学家，在物理学6个领域作出了具有划时代意义的贡献 — 创建了光量子理论、狭义相对论和分子运动论；建成了广义相对论、辐射量子理论和现代科学的宇宙论。 1921年因光量子理论获得诺贝尔物理学奖。

“婴儿宇宙”照片公开 宇宙年龄实为137亿年 2003年2月12日，美国宇航局公布了探测器拍到的宇宙“婴儿期照片”，为宇宙大爆炸理论提供了新的依据。根据这张照片，科学家还精确地测量出了宇宙的实际年龄是137亿年。据报道，这张珍贵的照片是美国宇航局科学家通过威尔金森各向异性微波探测器经过一年时间的观测获得的结果。照片中包含了许多令人震惊的信息，为支持宇宙大爆炸和宇宙膨胀理论提供了新的依据，同时为揭开暗能量之谜指引了道路。据有关人士估计，这项成果是近几年宇宙研究中最重大的发现之一。

§1.1 物质的结构及形态 一、物质世界的结构层次 §1.1 物质的结构及形态 一、物质世界的结构层次 小到10-18 m ~ 10-17 m 的亚原子粒子到大至1026 m 的宇宙半径，跨越了大约42～43个数量级。 已观测到的宇宙范围极限 1026（单位：m） 银河系半径 7.6×1022 日地距离 1.5×1011 地球半径 6×106 无线电波波长 103 灰尘线度 10-4 原子线度 10-10 原子核线度 10-15 基本粒子线度 10-17

蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次 E-15 E-12 E-09 E-06 E-03 1m E+03 E+06 E+09 E+12 E+15 E+18 E+21 E+24 E+27 哈勃半径 超星系团 基本粒子 星系团 原子核 银河系 原子 最近恒　星的距离 最小 的细胞 太阳系 DNA长度 太阳 人 山 蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次

物理学以及物理学与其他学科交叉的边缘学科在物质世界中许多层次都有研究。 依照物质的运动规律做了系统性划分 渺观系统 微观系统 介观系统 宏观系统 宇观系统 原子尺度数量级的客体，用量子力学处理 接近人体尺度附近几个数量级的物体，用经典力学处理 把由十几个到数百个原子组成的团簇及同量级的物体 物理学以及物理学与其他学科交叉的边缘学科在物质世界中许多层次都有研究。

层次名称 空间尺度数量级(单位：m) 相关专业学科 宇宙半径 1026(已知部分) 宇宙学 星系 1020 天文学 星球 1012～107 天体物理学 地上物体 107～105 地球、生物物理学 凝聚态物质 106～10-3 凝聚态物理学 介观物质 10-6～10-8 介观物理学 气体 气体动力学 液体 液体动力学 固体 固体物理学 等离子体 等离子体物理学 分子 10-9 高分子化学 原子 10-10 分子物理学 原子核 10-14 化学物理、化学 基本粒子 10-15以下 原子、原子核、粒子物理学

二、物质存在的时标 现代科学研究涉及的时间标度从寿命约为10-25 s 的 z0 粒子到137亿年的宇宙年龄（约1018 s ），跨越了大约43个数量级。 宇宙年龄 1018（单位：s） 地球年龄 1017 地球公转周期 107 地球自转周期 105 中子寿命 103 市电周期 10-2 高速摄影曝光时间 10-4 光波周期 10-14 Z0粒子 10-25

三、物质存在的基本形式 物质的基本存在形式是实物和场。 实物是指由大量原子、分子所组成的宏观实体，也包括原子、分子、离子和静止质量不为零的基本粒子，如电子、质子、中子等。 场是传递物体间相互作用的媒质。如电场、磁场、引力场。 他们之间的相互作用和相互转化形式多样，但都可以以能量作为量度。 运动是物质的固有属性

§1.2 实物的基本性质 一、分子间的作用力 分子间的相互作用主要是电磁力（比万有引力大 1029 倍），有时能使分子的瞬时加速度达到 1015 m · s-2 ，但是由于一个加速到这样的分子将迅速跑出另一分子的作用范围，作用时间极为短暂，瞬时速度一般不会很大。 分子的经典模型是电中性的小球，但其中运动着的电荷的活动性使分子能产生电磁相互作用力。有分子间斥力和分子间引力之分。

分子间斥力和分子间引力都随着分子间距离的增大而迅速减小。 f 分子间斥力和分子间引力都随着分子间距离的增大而迅速减小。 斥力 10-9 O r0 r (m) r0 （约为2.5×10-10 m ）为两个分子碰撞时分子中心之间的距离，即为分子的有效直径。 引力 分子间的力与分子间距的关系 当分子间距离 r < r0 时，分子间作用力表现为斥力，且随距离的减小急剧增大。 当分子间距离r > 10-9 m（称为分子作用距离）时，分子间作用力可忽略不计。

二、固体 固体有一定的形状和体积，分为晶体、非晶体和准晶体。 晶体： 非晶体： 准晶体： 晶体中的粒子排列非常规则；结晶固体包括原子态的、分子态的、离子态的、或宏观分子态的晶体。象水晶、金刚石、方解石等。 非晶体： 非晶体中粒子的排列完全没有规则；象玻璃、沥青、橡胶等。 准晶体： 具有粒子长程准周期排列；如急骤冷却形成的微米量级铝猛合金 。

三、液体和气体 液体和气体都称为流体。 宏观上看，液体有一定的体积，不易压缩，但没有固定的形状。 气体分子间的平均距离要比分子力作用范围大的得多，因此除碰撞外，气体分子间没有相互作用。在接连两次碰撞之间，分子是沿着直线运动的。

四、等离子体 宇宙中的恒星、星云等内部温度极高，组成这些它们的原子处于电离状态，这些电离的“气体”与普通的气体有很大的不同，称为等离子体。 等离子体由电子、离子和中性粒子组成，是电和热的良导体，比热非常大。并具有以下两个特点： ① 整体呈现准电中性； ② 集体效应起主要作用。

五、暗物质 根据星体发光的光度学理论得到的宇宙的总质量比动力学理论的结果要小1~2个数量级，由此人们推测宇宙中还存在所谓的“暗物质”。 但其存在及其形态目前还不清楚。 六、生物大分子 生物大分子归属于软凝聚态物质。 1953年，物理学家威尔金斯与生物学专家合作，得到了DNA结晶的X射线衍射图。 同年，物理学家克里克和遗传学家沃森提出了DNA双螺旋结构模型。

§1.3 实场与物质的相互作用 一、场的基本性质 （1）场是传递物质间相互作用的媒质 （2）场具有独立性和可叠加性 §1.3 实场与物质的相互作用 一、场的基本性质 （1）场是传递物质间相互作用的媒质 场与物质的相互作用一般表现为不同形式的相互作用力，如：引力场中的引力、电磁场中的电磁力。 （2）场具有独立性和可叠加性 独立性：空间某一点可以有各种不同的场同时存在，它们保持各自独立存在的特征； 可叠加性：相同性质的场在空间某一点可相互叠加。

（4）势是描述场与物质相互作用的重要物理量 （3）描述场存在及其大小有不同的特征指标 引力场 万有引力 电场、磁场 场强、磁感应强度 速度场 速度梯度 （4）势是描述场与物质相互作用的重要物理量 保守场： 与场发生相互作用的宏观实物或微观粒子，与场相互作用力是保守力（这种力做功只与路径的起点和终点的位置有关，而与路径无关）。如静电场、重力场等都是保守场。引入“势”的概念。 非保守场： 不具备上述特征的场即为非保守场，如稳恒磁场。

将自然界物质间的相互作用归结为以下四种： 二、物质相互作用形式 将自然界物质间的相互作用归结为以下四种： （1）电磁相互作用；（2）万有引力相互作用； （3）强相互作用； （4）弱相互作用。 相互作用类型 电磁相互作用 引力相互作用 强相互作用 弱相互作用 作用距离 长程 长程 <10-15m <10-16m 相对强度 10-2 10-38 1 10-13 典型衰变时间 10-16～10-20 s 10-23 s 10-10 s 媒介粒子 光子r 引子 胶子g1～g8 中间玻色子W±，Z0 媒介粒子质量 未知 假定为0 约90GeV 作用对象 强子，e，μ，τ，r 一切物体 光，胶子，重子 强子，轻子 相关链接：自然界中的粒子

表中出现了粒子物理学中的一些概念，我们给出简单的分类： 1、重子是费米子（自旋为半整数）；介子是波色子（自旋为整数）； 自然界中的粒子 表中出现了粒子物理学中的一些概念，我们给出简单的分类： （1）人们从宇宙射线和加速器实验中发现了700多种粒子，其中绝大多数是强子： 核子： 中子、质子（它们是最轻、最稳定的重子） 重子： 强子： 超子： Λ、Σ、Ξ、Ω（质量比核子大，寿命约 10-10 s ） 介子： π介子、κ介子、η介子、ψ介子、ν介子、β 介子等（寿命约10-7 s） 注： 1、重子是费米子（自旋为半整数）；介子是波色子（自旋为整数）； 2、π介子是最轻的介子，约为质子重量的 1/7 ，而较重的介子则达到质子重量 的10倍以上； 3、构成强子的基本粒子是夸克，夸克共有6种； 4、将夸克束缚在一起的力是强相互作用，传递强相互作用的 粒子是胶子；

电子e、μ子、τ子、电子中微子、 μ中微子、 τ中微子 （2）自然界中除了强子外，还有 6 种轻子： 电子e、μ子、τ子、电子中微子、 μ中微子、 τ中微子 注： 1、μ子重量为电子的 206 倍，τ子重量为电子的 3500 倍，它们都带负电，不够 稳定，最终会衰减成电子； 2、中微子没有质量（或许有极小的质量），在反应中伴随其它轻子出现（因此定 义了三种中微子）； 3、质量较大的轻子可能衰变成电子，较重的夸克有衰变成较轻的夸克的趋势。 这两种情况下都有弱相互作用的参与。传递弱相互作用的粒子是中间矢量波 色子（W+ 、W – 和Z0 ），它们的质量约为质子的100倍，会通过其他粒子衰 变为电子和中微子。

能量可在不同的系统之间交换，不同形式的能量是可以相互转化的，但能量的总量保持不变。 §1.4 物质的能量 一、能量守恒定律 能量守恒定律是物质在运动和相互作用的过程中遵循一个普遍的原理。即： 能量可在不同的系统之间交换，不同形式的能量是可以相互转化的，但能量的总量保持不变。 二、实物的质量与能量 由爱因斯坦的相对论可知，运动中实物（质点）的质量为 令 m0是静止质量

如果实物在合外力 的作用下从静止开始作加速运动，根据动能定理（能量守恒定律），经过时间 t 后，动能 Ek 等于 所 做的功： 由牛顿运动定律： 所以：

? 即 经典力学中的表达式： 在什么情况下，以上两式相当 可见，从一定意义上讲质量和能量是等效的。 作泰勒级数展开： 如果 v << c ，则： 上式可作近似为： 则： 可见，从一定意义上讲质量和能量是等效的。

质量与能量等效原理： 在一定条件下，将任何一种能量△E传递给某物质，就使质量增加△m，两者的数值关系为： 得爱因斯坦公式： 说明 质量本身就是能量的一种形式；或者说质量和能量是实物形态的两种不同的表现。

静止能量： 静止的物体由于它的静止质量而具有能量 m0c2 考虑一个封闭系统，则能量守恒定律（按照爱因期坦的推广）可写成： 或 能量守恒定律和质量守恒原理在爱因斯坦的质能方程中得到了统一。

三、势能和势能曲线 保守力做功只与路径的起点和终点的位置有关，与路径无关，所以保守力做功必定是空间位置的函数。 2 在某一确定的保守力场中，任取了一个标准点“a”，设有一个位置函数U (x、y、z ) （称为势能函数），在 1、2 两点有U (x1，y1，z1) = U (1) ，U ( x2，y2，z2) = U (2)，则： 1 a 从位置 1 到位置 2 此保守力做功为：

势能标准点（即零势能点）可以任意选取的。 保守力场中， b 点代替 a 点作为标准点 1 2 a 在此标准点下，空间各点势能变为U’ ，则 U’ 与 U 的关系为 x U (b) 是以 a 点为参考点时 b 点的势能。 b 说明 势能标准点（即零势能点）可以任意选取的。

继续使两个原子靠近，由于强大的排斥力作用，势能急剧上升。 U(r) 两个氧原子组成的分子，其正、负电荷中心重合。在较大距离上的作用力为引力。而两个原子非常近时，则具有很大的斥力，两个氧原子径向距离为r ，其势能U。 d r O (r >> d ) 在r 很大时，势能的斜率为正； 势能曲线图 减小r ，在r=d 处势能取最小值； 继续使两个原子靠近，由于强大的排斥力作用，势能急剧上升。

四、势与场强的关系 若使实物在场内移动一个距离△x（一维情况），则作用在实物上的力做的功等于实物势能增量的负值，即 同理 变形 取极限 同理 以上三式是由势能求力的公式；由此可以直接得到从势能求场强 的公式

引入梯度符号 则 式中j 为与U 等效的物理量

中质量 m 为动质量 因此，不能提到微分号外写成： 只有在实物以低速运动时， 才能近似写成上式的形式。