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(共24張PPT)
16.1 探索微觀世界的歷程
詹·喬埃斯的《芬尼根的徹夜祭》中有一句“向麥克老人三呼夸克”，這里 “夸克”是一種鳥的叫聲。美國物理學家蓋爾曼用鳥的叫聲“夸克”命名了一種物理上的科學名詞，在科學史上也可以算作一種趣事。那么夸克是什么呢？今天我們共同討論學習“探索微觀世界的歷程”。
新課導入
德謨克利特（約公元前460—約公元前370）
“正像綠墻是由樹干和枝葉組成似的，大自然的萬物都由看不見的微小粒子——原子構成。原子不能消失，但也不會無中生有。”
——德謨克利特
盡管當年這位古希臘學者的見解缺少科學實驗的基礎，但后來的歷史發展表明，他的思維閃爍著真理的火花。
新知講解
思維的火花
一
德謨克利特的原子論缺少科學的實驗基礎，長期以來并不為人們所認同。直到17世紀，以道爾頓和玻意耳為代表的科學家通過大量的實驗才復活和確立了原子論。
道爾頓（1766-1844）
（1）原子論的確立
走向科學
二
他們研究和測量了大量物質的化學反應，發現并確認了如下事實：
1.多數物質可由其他物質通過化學反應合成，這些物質稱為化合物；
2.一些物質不能由其他物質通過化學反應來合成，這些物質稱為單質，也稱為元素；
3.對應各種元素，存在著各種原子，元素的差異就在于它們的原子是不相同的。原子是元素保持化學性質不變的不可再分的最小單元。
從此，原子論從模糊不清的思辨性見解走向了植根于精確實驗測量的自然科學的軌道。
(2)分子論的確立
1811年，意大利科學家阿伏伽德羅指出，無論化合物還是單質,它們一般并不是直接由原子組成的，而是由幾個原子相結合的分子構成的。把物質由分子和原子構成的學說稱為原子一分子論。
(3)近代原子一分子論確立的事實:
①多數物質可由其他物質通過化學反應合成,這些物質稱為化合物；
②一些物質不能由其他物質通過化學反應來合成，這些物質稱為單質，也稱為元素；
③原子是元素保持化學性質不變的不可再分的最小單元，不同元素的原子不同；
④單質的分子由同種原子構成，化合物的分子由兩種或兩種以上的原子構成。
用場離子顯微鏡拍攝的鎢針針尖上的原子圖樣
DNA分子結構
1cm3水中有3.3×1022個水分子
10億人每人每分鐘數100個
日夜不停要數60萬年
原子真的不能再分嗎？
19世紀下半葉，人們在研究稀薄氣體放電現象時發現，當放電管(如圖所示)內氣體足夠稀薄時，陰極就發射出一種射線，這種射線被稱為陰極射線。
陰極射線管
揭開原子的“面紗”
三
1897年，英國物理學家湯姆孫通過實驗發現，原來陰極射線是一種帶負電的粒子流，后來人們把這種粒子稱為電子。
由于電子可以從不同的陰極材料的原子里放射出來，而且是比最輕的氫原子還要輕得多的粒子，這表明原子并不是物質的不可再分的最小單元。
湯姆孫（1856-1940）
電子的發現揭開了原子世界神秘面紗的一角，湯姆孫因此獲得了1906年諾貝爾物理學獎。
電子的發現表明，原子是由電子及另一些物質組成的。因為電子帶負電，而原子是電中性的，所以那些物質一定帶正電。那么，原子中帶正電的部分是怎樣的呢
原子核的發現
(1)散射實驗
為了探測原子結構，20世紀初，人們發展了一種實驗方法:用一些已知的粒子，如電子、α粒子等轟擊很薄的金屬箔，它們與金屬原子會產生相互作用而發生偏轉。通過觀察這些粒子穿過箔片時的偏轉情況，可以獲得原子內部的信息。這種實驗叫散射實驗。
(2)原子核的發現及核式結構模型
1909年到1911年，英國科學家盧瑟福等人無數次地用高速α粒子流轟擊金箔，發現原子中帶正電的物質只占很小的體積，但密度很大，幾乎集中了原子的全部質量。后來，人們稱它為原子核。
盧瑟福提出的原子核式結構模型指出，原子的中心是原子核，電子在核外繞著原子核高速運動，就像行星繞著太陽運動一樣(如圖所示)。
對原子世界的探索就這樣結束了嗎
1919年， 盧瑟福發現了帶正電的質子 ， 1932年， 他的學生查德威克發現了不帶電的中子， 并最終確定了原子核就是由質子和中子組成的。
查德威克（1891-1974）
探索未有窮期
四
這時，人們認為電子、質子和中子就是構成物質世界的基本單元，并稱它們為基本粒子。
但是，人們很快從實驗中陸續發現了更多的微觀粒子。
有的質量介于質子和電子之間，這類粒子稱為介子；有的質量大于質子，這類粒子稱為超子。
種類如此之多、性質差異紛繁的粒子，使物理學家們不得不懷疑，包括質子、中子在內的這些粒子不可能是原來意義上的基本粒子，它們很可能仍然具有復雜的內部結構。
1964年，美國物理學家蓋爾曼在費米、楊振寧、坂田昌一的研究基礎上，提出了質子、中子、介子、超子等都是由三種基礎粒子組成，它們分別稱為上夸克、下夸克、奇異夸克。所以，科學界把這一模型稱為夸克模型。
蓋爾曼（1929- ）
在蓋爾曼的模型提出之后，1974年丁肇中(1936一) 和里克特(Burton Richter， 1931一) 在實驗中發現了一種稱為J／Ψ的粒子。
上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克
J／Ψ的粒子的發現表明應該還有一種稱為粲夸克的基礎粒子。
以后又發現了底夸克和頂夸克。至今我們已經知道共有6種夸克。
丁肇中
里克特
1.微觀粒子及其尺度
在物理學中，原子、原子核及其更深層次的客體統稱為微觀粒子，簡稱粒子。微觀粒子的空間尺度如圖所示，從圖中可以看出它們的空間尺度都小于10-9 m。
納米科技：從幻想到現實
五
2.納米和納米科技
(1)納米：10-9 m 是一個長度單位，稱作納米，符號為 nm 。納米這個單位很小，10 個氫原子排列起來的長度約為 1nm，1 nm= 10-9 m。
(2)納米科技:納米科技指的是，當人們力圖在納米尺度上了解和控制物質時，所發現的許多新現象，所發明的許多新技術。
(3)納米科技的發展及前景
①納米科技的發展：今天，納米催化劑大幅度提高了催化作用;用納米顆粒粉體制成的納米材料顯示出比一般材料更為優異的性能;納米炸藥也顯示出更大的威力......
②納米科技的前景：展望未來，由于可以通過精確地控制原子或分子來制造產品，生產過程中將不會產生副產品和廢物；利用納米技術，人類還可能在原子和分子尺度上診斷和治愈疾病，甚至修補細胞；人類可以將導線做得更細，開關做得......應用納米技術，必將迎來一場新的技術革命。
1.在探索微觀世界的歷程中，人們首先發現了電子，進而認識到原子是由( )
A.氫原子和電子組成的
B.質子和中子組成的
C.原子核和核外電子組成的
D.原子核和中子組成的
C
當堂檢測
2.關于納米及納米科技下列說法錯誤的是 （ ）
A.10-9m是一個長度單位，稱作納米
B.1986年隧道顯微鏡的發明為人們提供觀察原子的“納米眼”和操縱原子的“納米手”
C.1993年，中國科學院北京真空物理實驗室自如操縱原子成功寫出“中國”字樣
D.納米科技思想來自英國的物理學家費恩曼演講制作家具從單個分子甚至原子開始組裝
D
3.下列事實中,不是近代原子論確立的內容是( )
A.多數物質可由其他物質通過化學反應合成，這些物質稱為化合物
B.一些不能由其他物質通過化學反應來合成的物質稱為元素
C.原子是元素保持化學性質不變的不可再分的最小單元，每種元素的原子相同
D.對應各種元素,存在著各種原子，元素的差異就在于它們的原子是不相同的
C
1.宇宙是由物質組成的，物質由分子、原子組成.
2.人類探索原子的構造的歷程.
3．原子結構
（1）分子是由原子組成的.
（2）原子是由原子核和核外電子組成的.
（3）原子核是由質子和中子組成的.
（4）夸克組成了所有質子、中子、介子、超子.
4.納米技術及其應用.
課堂小結

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