第七章 从粒子到宇宙

初中物理……从粒子到宇宙初二物理提高学习（第1页）第七章从粒子到宇宙【知识梳理】1．走进分子世界A.分子能保持物质化学性质的最小微粒称为分子，分子很小，一般分子直径的数量级为10-10m在高倍电子显微镜下，可以看到一些物质的分子．B.分子动理论的主要内容物质是由大量分子组成的，分子间有空隙；分子一直处于永不停息的动动中；分子间同时存在着相互作用的引力和斥力．说明：①不同物质内部分子间空隙的大小不同；同种物质在不同情况下分子间的距离也会不同，比如温度、压强等的变化，都会影响分子间的距离．②物体的温度越高，分子的运动越剧烈．由于分子的运动与温度有关，所以分子运动又称为热运动．③分子相互作用的情况与分子间距离的大小有关.当分子间的距离等于10－10m时，这个距离称为分子间的平衡距离，此时，分子间的引力和斥力相等；当分子间的距离小于10-10m时，斥力起主要作用；当分子间的距离大于10－10m时，引力起主要作用；当分子间的距离大于分子直径10倍时，分子间的作用力就变得很小．分子间的引力和斥力都随分子间距离的增大而减小，随分子间距离的减小而增大，但斥力的变化比引力的变化快．C.用分子动理论解释物质三态的性质大多数物质从液态变为固态时体积变小(水例外，水结冰时体积变大)；液态变为气态时体积显著增大，如水在汽化为水蒸气时体积要增大约1700倍，物质在物态变化时发生体积上的变化，主要是由于构成物质的分子在排列方式上发生了变化．固体分子间的距离很小，为l×10－10----5×10－10m，分子间的作用力很大，每个分子只能围绕某一点振动，因此，固体有一定的体积和形状．液体分子间的距离较小，为固体分子间距离的两倍左右，分子间的作用力较大，每个分子可以在一定的范围内运动，因此，液体有一定的体积，无一定的形状，具有流动性．气体分子间的距离很大，分子间的作用力很小，每个分子能自由地沿各个方向运动，因此，气体无一定的体积和形状，具有流动性，而且很容易被压缩．D．纳米科技简介纳米科技是指在纳米尺度(约在1—100纳米之间)上研究物质的特性和相互作用以及利用这些特性的科学和技术，这一技术使人类认识和改造物质世界的能力延伸到原子和分子水平，可以说是当今最重要的新兴科学技术之一．任何材料通过复杂的纳米机器都可以制成纳米尺度的超细粉末，当物质小到纳米尺度时，它的理化性质都有所变化，具有一些奇异和反常的性质，如块状金的熔点是l064℃而制成纳米的超细颗粒后，熔点只有33℃；铜到了纳米级就不导电；而绝缘的二氧化硅在20nm时却开始导电；通过纳米技术，陶瓷可以变得有韧性；通常在高温下才能烧结的材料，通过纳米技术在低温下就能烧结，而且能将不易互熔的金属冶炼成新的合金．初中物理……从粒子到宇宙初二物理提高学习（第2页）纳米材料是纳米技术的基础和先导，已成为世界各国纳米科技发展的热点，纳米材料是指材料的几何尺寸小到纳米尺度，并且具有特殊性能的材料，例如：①纳米金属颗粒纳米金属颗粒表面上的原子十分活跃．实验中发现如果将铜或铝做成纳米颗粒，遇到空气就会剧烈燃烧，发生爆炸，可用纳米金属颗粒的粉末做成固体作为火箭的燃料、催化剂．②纳米金属块体金属纳米颗粒粉体制成的块状金属材料，会变得十分结实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富有弹性．③碳纳米管碳纳米管是由石墨中一层或若干层卷曲而成的笼状“纤维”，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米，它的密度只有铜的1/6，而强度却是铜的l00倍，轻而柔软又非常结实的材料可用来制作防弹背心．如果用纳米管做成绳索，则从月球上挂到地球表面也不会被自身重力所拉断，可以用它作为地球——球乘人的电梯．④纳米氧化物材料氧化物纳米颗粒的最大本领是在电场作用下或在光照下迅速改变颜色．作为士兵防护激光枪的眼镜和广告板，在电、光的作用下会变得更加绚丽多彩．⑤纳米陶瓷纳米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性、硬度大、耐高温，会使发动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高．⑥纳米半导体材料纳米半导体材料能发出各种颜色的光，可以做成小型激光的光源，它还可以直接吸收阳光中的光能并直接转变为电能，它还能使海水淡化．纳米材料具有优异的光、力、电、热、磁等性能，应用前景极为广泛．诸如现在有纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米机械学、纳米化学和纳米加工等．预计纳米技术将超过计算机工业，成为未来信息技术时代的核心．到那时，纳米电子学将用量子元件代替微电子器，巨型计算机可被装入口袋里；通过纳米技术可将几吨的卫星减至几克；微型机器人可进入人体血管内进行工作，英特尔公司宣布已制造出30nm的量子半导体．2000年10月29日，中国科学纳米技术科学研究中心成立，进行纳米基础理论与应用开发的研究．纳米科技将使人类进一步掌握物质世界的规律，掌握改造微观世界的武器，对开发新能源、保护环境、社会可持续发展等，将会产生极大的影响．2．探索更小的微粒A.分子由原子组成分子是保持物质化学性质的最小微粒，但不是组成物质的最小微粒．分子由原子组成．不同原子组成的分子构成化合物，如水分子是由氢原子和氧原子组成的，玻璃分子是由氧原子和硅原子组成的；同种原子组成的分子构成单质，如石墨、金刚石、富勒烯都是由碳原子组成的单质分子，氧气是由氧原子组成的单质分子．B.摩擦起电a.摩擦起电带电体的基本性质是能够吸引轻小物体，如头发、纸屑、通草球等．用摩擦的方法使物体带电，叫做摩擦起电．摩擦起电必须是两种不同物质组成的物体相互摩擦，这是由于不同物质的原子核束缚电子的本领不同，当两个物体相互摩擦时，哪个物体的原子核束缚电子的本领弱，它就容易失去电子，使跟它相摩擦的物体得到电子，因此，摩擦起电的实质不是创造了电荷，而是电子的转移，在摩擦起电中，失去电子的物体因缺少电子而带正电，得到电子的物体因多余电子而带负电，因此相互摩擦的两个物体带的是等量的异种电荷．初中物理……从粒子到宇宙初二物理提高学习（第3页）由于分子和原子在通常情况下是不带电的，而磨擦起电使物体带上了电，说明原子是可分的．b．两种电荷自然界中只存在两种电荷，一种叫正电荷，另一种叫负电荷．人们规定，用丝绸摩擦过的玻璃捧所带的电荷叫做正电荷，用毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷叫做负电荷．电荷间相互作用的规律是：同种电荷相互推斥，异种电荷相互吸引．c．在静电现象中，两个物体相互吸引有两种可能的原因：①带电体吸引轻小物体；②异种电荷相互吸引．d．检验物体是否带电的方法：①将被检验的物体靠近轻小物体，若相互吸引则带电，反之则不带电；②将被检验的物体靠近或接触验电器的金属球，若验电器的两个箔片张开则带电，反之则不带电；③将被检验的物体靠近一个已知的带电体，若相互吸引或相互推斥则带电，反之则不带电．C.微观粒子a.科学家探索微观粒子的历程1897年汤姆生发现了电子；1919年卢瑟福用a粒子从氮原子核中打出了质子；1932年查德威克发现了中子；1961年盖尔曼提出了夸克的设想．b．卢瑟福的原子行星模型在发现电子以后，物理学家们对原子内部的情况提出种种猜想．著名科学家卢瑟福在总结实验的基础上，提出了原子结构的行星模型．如图所示，他认为原子的中心有一个直径约为l0－14m～10-15m的核，这个核的体积只有整个原子的一百万亿分之一，但它却集中了整个原子质量的99.99％．原子核带正电，带负电子的电子绕着这个原子核高速旋转，这好像地球绕太阳运动．原子核带的正电荷数与原子核外所有电子带的负电荷数是相等的，整个原子呈不带电的中性状态，这样的模型称为原子的行星模型．质子数等于电子数，但不一定等于中子数；一个质子的质量等于一个中子的质量，一个电子的质量很小，约为一个质子质量的;1/1836倍．说明：卢瑟福提出的原子结构行星模型并不是原子存在的真实状况，实际上核外的电子并不是像地球绕着太阳转那样，核外电子的运动并没有确定的方向和轨道，只能用电子云描述它在原子核外空间某处出现机会的大小．离核近外，电子出现机会多，离核远外，电子出现机会少，这是现代物质结构学说．c．物质的结构层次说明：除了氢的同位素“氕”以外，其他所有原子的原子核都是由质子和中子共同组成的，氕的原子核中只有质子，没有中子，是特殊的情况，质子和中子都是由三个夸克组成的，但是夸克的种类不同．现以由碳原子构成的分子—一富勒烯来展示一下分子内部的结构，如下图所示．初中物理……从粒子到宇宙初二物理提高学习（第4页）关于“粒子世界概貌”，请同学们参看教材中的“信息快递”．D．加速器a.加速器顾名思义，加速器就是用来使粒子加速的机器，它通过电磁场的不同组合形态，实现对电子、质子、或重离子等带电粒子的加速，能产生几百兆到几千兆电子伏能量的高能粒子流．这些高能粒子流就象炮弹一样，可以打人物质的深层结构，从而使人们了解物质的内部结构，粒子的能量越高，越能深入到物质的内部，因此，加速器是探索微小粒子的有力武器，在科学研究、国防建设等方面有着重要而广泛的应用，近几十年来，世界各发达国家都建设了各种不同用途的加速器，粒子的能量越来越高，我国在北京建成“正负电子对撞机”，已经获得了许多重要的科研成果，此外，在兰州、合肥等地建成了重离子加速器等不同功能的加速器．加速器的建造得益于科学技术的发展，如高真空技术，超导技术、计算机技术等，加速器在帮助人们进一步探索微观粒子世界奥秘的同时，在人们的生产、生活中也有着重要的应用．20世纪40年代，电子加速器开始用于癌症的治疗．粒子加速器还用于工业探伤、食品的防腐与保鲜、复合材料的生产以及医疗用品消毒等．b．高能物理学中的能量单位常用单位是电子伏(eV)，此外，还有千电子伏(keV)、兆电子伏(MeV)、吉电子伏(GeV)和太电子伏(teV)．1teV=103GeV=106MeV=109keV=1012eV通常我们称能量E100MeV(原子能爆炸时的核作用在此量级)为低能，l00MeVE3GeV为中能，E3GeV为高能．3．宇宙探秘宇宙指所有的空间和时间，教材中“宇宙”一词指的是观测宇宙，即人类目前探测范围所及的空间和时间中物质世界的总称．A.量天尺的单位天文学中，天体之间相距遥远，用米、千米作为距离单位显得太小、很不方便，为此采取一些特殊长度作为距离单位．一个天文单位(AU)：地球到太阳的平均距离．光年(1．y)：光在真空中行进一年所通过的距离．1AU=1.496×1011m1I.y．=9.46×1015mB.人类对宇宙的探索是由近及远的1608年荷兰人发明了望远镜，随着望远镜的不断改进，人类的视野便不断地向着宇宙的深处延伸．18世纪以前，人类的观测能达到直径约l.2×1010km的太阳系；后来逐步扩大到直径约为l×105I.y．，包括约2000亿颗恒星的银河系；到20世纪20年代，人类已能“观察到1×108I.y．距离的星系；到50年代，扩大到l×109I．y．；到60年代，又扩大到l×1010I．y．；现在，人类已能观察到3×1010I.y．空间范围的星系．观察表明，在3×1010I.y．这个空间范围内，有几十亿个星系，每个星系平均约有1000亿颗恒星．据科学估计散布在宇宙中的星系多达1000亿个．在晴朗夜空的空烁群星中，有一条横亘天际的光带，它是由群星和弥漫物质集中而成的一个初中物理……从粒子到宇宙初二物理提高学习（第5页）庞大的天体系统称为银河系，银河系是宇宙中数以千亿计的星系中的一员．太阳系处于银河系的边缘，太阳系由八大行星和太阳组成，八大行星是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，月亮是地球的卫星，不是太阳系中的行星．宇宙是一个有层次的天体结构系统，这一系统层次由高到低可分为：宇宙一星系团一星系(银河系、河外星系)—恒星斗行星斗卫星．说明：成百上千个星系集合成的星系系统称为星系团．C.人类对宇宙的认识不断深入的简历自古以来人类一直在关注、探索着宇宙．在人类漫长的历史进程中，大部分时间人们主要依靠肉眼观察、简单猜测与推理来认识宇宙．他们对宇宙的认识很有限，并具有浓厚的神话与宗教色彩．大约在三四千年前，古代的巴比伦人已经把天空中较亮的星星组成了各种有趣的形状，称为星