渗透中学物理的微观领域的重大研究，本文主要内容关键词为：微观论文,领域论文,中学物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
科学技术发展突飞猛进，新技术层出不穷，令人目不暇接、眼花缭乱。物理学作为20世纪的领头学科更突出地表现出这种态势，物理学由经典走向现代，由宏观到微观，已步入一个崭新的发展阶段。特别是第二次世界大战以来的半个多世纪，许多分支学科像雨后春笋般地纷纷问世，20世纪50年代以来的当代物理学已经发展成为一个相当庞大的学科群，包括原子物理、原子核物理、量子物理、粒子物理、凝聚态物理、等离子体物理等。下面让我们聚焦渗透于中学物理中的微观领域中的几项重大研究。
一、激光制冷技术
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的光”。它的亮度可达太阳光的100亿倍。激光是经过人工受激辐射过程产生并被放大的光。它的原理早在1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到1960年激光才被首次成功制造。制冷就是使某一空间内物体的温度低于周围环境温度并能维持这个低温的过程。制冷及低温技术有着十分重要的应用，关系到国计民生的多个重要领域，如食品储藏、航空航天、医疗卫生、科学试验等。根据制冷产生的低温环境的不同，制冷技术大体分为三类，120K以上至环境温度以下为普通制冷，20K～120K为深度制冷，0K以上至20K为低温和超低温制冷。早期制冷主要采用气体膨胀的方式来获取越来越低的低温，到1932年，荷兰人克西姆采用降低液氦压力的方法获得了0.7K的最低温度，这几乎达到了气体膨胀制冷的极限，然而人们从没有停止探索获取更低温度的新方法。1933年，美国人吉奥克采用磁制冷技术达到了0.1K～0.53K超低温，由于在低温技术及低温下物质性能的研究方面做出的杰出贡献，吉奥克于1949年获诺贝尔化学奖。1985年，美籍华人物理学家朱棣文博士和他的同事在实验室中用激光冷却的方法把温度降到10-6K的数量级并捕捉到了原子。1997年朱棣文和法国人克洛德·科昂-塔努吉、美国人威廉·菲利普斯共同分享当年的诺贝尔物理学奖。那么激光为什么能制冷呢？原来，物体的原子总是在不停地做无规则热运动（速度通常在每秒500米左右），且原子运动越激烈，物体温度越高，反之，温度就越低。所以，只要降低原子运动速度，就能降低物体的温度。激光制冷的原理就是利用大量的光子阻碍原子运动，使其减速，从而降低物体温度。朱棣文采用三束相互垂直的激光，从各个方向对原子进行照射，使原子陷于光子的海洋中，运动不断受到阻碍而减速。激光的这种作用被形象地称为“光学粘胶”。在试验中，被“粘”住的原子可以降到几乎接近绝对零度的低温。可见，激光制冷是通过激光光子的能量直接束缚被冷却物质的分子或原子的热运动来降低温度的，是微观对微观的物质行为。
二、核子间的关联问题
20世纪30年代中期以后，把原子核类比液滴，产生了最早的核模型——液滴模型。人们曾应用液滴模型解决了不少核结构问题，给出了核结合能的定量公式，为核的集体运动和裂变提供了形象化的几何模型。即使在今天，液滴模型仍然经常被使用，特别是在超重核的研究中，它依然在发挥作用。后来人们建立了原子核的壳层模型。泡利原理大大地限制了核内有着强相互作用的核子的可能运动状态，因而可以近似地用平均场中的独立粒子运动来描述原子核的状态。Mayer和Jensen因为“关于核粒子壳层结构方面的发现”与Wigner分享了1963年诺贝尔物理学奖。壳层模型是迄今为止最成功的核模型。几十年来，随着各种剩余相互作用的引入以及计算方法的改进，原子核壳层模型不断地在发展，出现了各种改进的壳模型。如针对非球形的原子核，发展了变形的壳模型，即得到广泛应用的Nilsson模型；能考虑原子核转动的推转壳模型，投影壳模型；以及近年来才发展起来的有可能对重核做“精确”计算的Monte-Carlo壳模型。这样，就使得壳模型能解释的实验数据越来越多，适用的范围越来越大，几乎成为各种宏观的、唯象模型的微观基础。
1953年，丹麦著名物理学家N.玻尔之子A.玻尔（Bohr,Aage Niels）与他的助手莫特森（Mottelson,Ben Roy）及雷恩沃特（Rainwater,Leo James）共同提出了关于原子核的集体模型。这一模型认为，除平均场外，核子间还有剩余的相互作用，剩余作用引起核子之间关联，这种关联是对独立粒子运动的一种补充，其中短程关联引起核子配对。对关联在实验中最突出的表现是原子核一系列奇偶差的性质。奇偶差同泡利不相容原理导致的阻塞效应密切相关。除了质量（结合能）的奇偶差之外，还有其他的一些重要的奇偶差：
①能谱形状的奇偶差。奇偶核及奇奇核的低内部激发谱密度比相邻偶偶核大，并且没有能隙。
②转动惯量的奇偶差。偶偶核的转动惯量系统地小于奇偶核。
③核子转移反应截面的奇偶差。实验表明，相邻偶偶核基带之间的两核子转移反应有很大加强，而单核子转移反应则无此现象。重核的α衰变（放出两对核子）也有类似的加强现象等等。
核子间的长程关联将使核变形，并产生集体运动，原子核转动和振动能谱就是这种集体运动的结果，而重核的裂变以及重离子的熔合反应又是原子核大变形引起的集体运动的结果。原子核的集体模型为原子核理论的发展作出了重要的贡献，为此，A.玻尔、莫特森与雷恩沃特共同获得了1975年诺贝尔物理学奖。
三、核子间的相互作用
20世纪初，人们只知道自然界存在着两种力：一种是万有引力，另一种是电磁力。对于带电粒子，在相同的距离上这两种力的强度差别很大，电磁力大约要比万有引力强
倍。原子核中的质子要靠自身的万有引力来抗衡相互间的库仑斥力是不可能的，必定存在着一种核力。通过研究各种衰变发现，核力是比电磁作用强得多的短程且具有饱和性的吸引力，此外大量实验还证明，核子间的作用除了电磁力不同外，其他完全相同，这就是核力的电荷无关性。那么核力是怎样发生的呢？1935年，汤川秀树（1907-1981）提出了介子论，他认为核子间的相互作用是通过交换一种没有质量的介子实现的。科学家们已通过各种实验证实了汤川秀树介子论的正确性。1949年诺贝尔物理学奖授予汤川秀树，以表彰他在核力的理论基础上预言了介子的存在。现在我们知道：介子类的基本粒子的静质量介于轻子（不参与强相互作用的粒子如电子、电子中微子、μ子等）和重子（重子和介子统称为强子，强子是参与强相互作用的粒子）之间，所以取名为介子。介子包括带正负电的以及中性的π介子（1947年π介子被发现），带正负电的以及中性的κ介子，和近来才发现的η介子。介子交换理论认为，单个r介子交换产生核子间的长程吸引作用，双π介子交换产生饱和中程吸引作用，而ρ、ω介子交换产生短程排斥作用，这些作用为进一步揭示原子核的结构创造了条件。
四、对夸克的研究
1969年，美国物理学家默里·盖尔曼、G.茨威格各自独立地提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克（Quark）组成的。很多中国物理学家称其为“层子”，在台湾亦曾翻译成“亏子”，但并不普遍使用。“夸克”一词是由默里·盖尔曼改编自詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根守灵夜》（Finnegans Wake）中的诗句：“向麦克老大三呼夸克。”（Three quarks for Muster Mark！）。夸克具有分数电荷，是基本电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。由于夸克寿命非常短，需要借助高性能的测量仪器才能观测到它曾经短暂的存在。夸克非常小，以至于物理学家们把它看成是小到没有形状的一个点；夸克很轻，如果把一个西瓜大的铅球的质量当成是一个氢原子的质量，那么最重的夸克质量还赶不上芝麻粒大小的棉花呢。目前物理学家们还没有办法得到单独存在的夸克，但他们已经发现夸克共有六种：上夸克（u）、下夸克（d）、奇异夸克（s）、粲夸克（c）、底夸克（b）和顶夸克（t）。除顶夸克外的五种夸克已经通过实验发现它们的存在，1974年，华裔科学家丁肇中因发现粲夸克（魅夸克，又叫J/ф粒子），证实了人们对存在粲夸克的预测，而获得1976年诺贝尔物理学奖。近十年来高能粒子物理学家的主攻方向之一是顶夸克。至于1994年最新发现的第六种“顶夸克”，相信是最后一种，它的发现令科学家得出有关夸克的完整图像，有助于研究在宇宙大爆炸之初少于1秒之内宇宙如何演化，因为大爆炸最初产生的高热，会产生顶夸粒子。
我国物理学家们在北京正负电子对撞机上，把通常可以得到的电子和正电子加速到很高能量，然后让它们进行碰撞，发生反应，得到了粲夸克偶素。
五、例题分析
[例题1] 在纳米技术中需要移动或修补原子，必须使在不停地做热运动（速率约几百米每秒）的原子几乎静止下来且能在一个小的空间区域内停留一段时间，为此已发明了“激光制冷”技术，若把原子和入射光分别类比为一辆小车和一个小球，则“激光制冷”与下述的力学模型很类似。
一辆质量为m的小车（一侧固定一轻弹簧），如图1所示以速度
水平向右运动，一个动量大小为p的小球水平向左射入小车并压缩弹簧至最短，接着被锁定一段时间ΔT，再解除锁定使小球以大小相同的动量p水平向右弹出，紧接着不断重复上述过程，最终小车停下来。设地面和车厢均光滑，除锁定时间ΔT外，不计小球在小车上运动和弹簧压缩、伸长的时间。求：
（1）小球第一次入射后再弹出时，小车的速度大小和这一过程中小车动能的减少量。
（2）从小球第一次入射开始到小车停止运动所经历的时间。
解：（1）小球射入小车和从小车中弹出的过程中，由动量守恒定律得
（2）小球每次入射和弹出，动量变化量均匀2p，根据动量守恒定律可知，小车动量减少量也为2p，要使小车停下来，小球重复入射和弹出的次数为
故小车从开始运动到停下来所经历的时间
[点评] 鉴于中学物理的基础性和学生的认知水平，课堂教学中不可能直接向中学生介绍当今物理学发展的前沿成果和研究方法。习题以当今原子物理等前沿科学的研究成果为背景，开阔了学生视野。通过近似构建宏观模型来模拟微观的原子运动，是培养学生思维迁移能力的一种方法，具备较强的分析能力和综合解决问题的能力是正确处理这类问题的基础。
[例题2] （2000年全国高考）在原子核物理中，研究核子与核子关联的最有效途径是“双电荷交换反应”。这类反应的前半部分过程和下述力学模型类似。两个小球A和B用轻质弹簧相连，在光滑的水平轨道上处于静止状态。在它们左边有一垂直于轨道的固定挡板P，右边有一小球C沿轨道以速度射向B球，如图2所示。C与B发生碰撞并立即结成一个整体D。在它们继续向左运动的过程中，当弹簧长度变到最短时，长度突然被锁定，不再改变。然后，A球与挡板P发生碰撞，碰后A、D都静止不动，A与P接触而不粘连，过一段时间，突然解除锁定（锁定及解除锁定均无机械能损失）。
已知A，B，C三球的质量均为m，求：（1）弹簧长度刚被锁定后A球的速度。（2）在A球离开挡板P之后的运动过程中，弹簧的最大弹性势能。
解：（1）C与B发生碰撞进而组成系统D的瞬间，由于弹簧还没有来得及发生形变，故D系统满足动量守恒条件，但有动能转化为内能，设碰撞后B、C的共同速度为
，则
以后弹簧被压缩，在弹力作用下，D做减速运动，A做加速运动，当A、D速度相同时，弹簧长度最短，弹性势能最大。设弹簧最短时的弹性势能为
，它们的共同速度为
（弹簧刚被锁定时A球的速度），由动量守恒定律得
（2）将A、D和弹簧看成系统，由于无外力做功，由系统机械能守恒定律得：
撞击P后，A、D动能均为零，解除锁定，当弹簧恢复原长度时，弹性势能全部转化为D的动能，设此时D的速度为
，由机械能守恒定律得
以后弹簧伸长，弹力使D减速，A在弹力作用下离开挡板做加速运动，当A、D的速度再次达到相同时，弹性势能达到最大值
，设这时A、D的共同速度为
，当A离开挡板后，由于系统所受外力为零，由动量守恒得
由于只有系统内弹力做功，系统机械能守恒，有：
[点评] 此题介绍了研究核子关联的最有效途径是“双电荷交换反应”。用典型的弹簧与小球组成的系统模型类比“双电荷交换反应”，其过程变化复杂，具有一定的难度，高考中已多次考过这种类型的问题。解决这类问题的方法是在逐步分析各段运动过程的基础上，找出几个关键的状态，再根据条件寻找相应的物理原理（守恒定律）列方程。
[例题3] 微观粒子之间的相互作用都是通过交换某种粒子（如光子、中间玻色子、胶子）来实现的。粒子间的排斥作用可以简化为如下的一个力学模型来描述：水平冰面上两个质量均为m的滑冰者A和B，分别以大小为
和
的水平速度相向运动（如图3所示）。当它们趋近到一定距离时，为避免相撞，A立即沿水平方向向B扔出一个动量大小为p（相对地面，下同）、质量可以忽略的沙包，沙包在B手中停留一段时间T后又以大小相同的动量p水平扔回A手中，A又经相同时间T再次以同样大小的动量水平扔给B，并不断重复上述过程，直至两个滑冰者避免了相撞。设水平冰面摩擦不计，除沙包在A，B手中停留的时间T外，不计空中飞行的时间。求：
（1）滑冰者B第一次把沙包接到手中时A、B的速度；
（2）从A开始扔沙包算起，沙包在A、B之间至少被扔出几次才可以避免两个滑冰者相撞？
解：（1）取水平向左为正方向，第一次A扔沙包、B接沙包，设A扔沙包后速度为
，B接沙包后速度为
，由动量守恒定律有：
（2）第二次是B扔沙包、A接沙包，设B扔沙包后速度为
，A接沙包后速度为
。
对B扔沙包，由动量守恒定律有：
对A接沙包，由动量守恒定律有：
由③～⑥可得：
设n次扔沙包、接沙包后，A的速度为
，B的速度为
，则由上述推理可得
要使A、B不相撞且扔沙包次数最少，应满足=因此，满足A、B不相撞所需的最少扔沙包次数n=
。
所以，当为整数时，最少扔沙包次数为（次）。
当不为整数时，最少扔沙包次数为+1（次）。
[点评] 传统经典的冰面上相向运动的两个人不发生碰撞的措施之一是扔沙包，以此宏观模型类比于微观粒子间的排斥作用过程，不仅形象直观，而且也是一种常用的科学研究方法。
[例题4] 夸克理论认为，介子是由同色的一个夸克和一个反夸克组成的束缚态。研究介子可通过用高能电子与介子做弹性碰撞来进行。由于碰撞过程难于分析，为掌握其主要内涵，人们发展了一种简化了的“分粒子”模型如56页图4。其主要内容为：电子只和介子的某部分（比如其中一个夸克）做完全弹性碰撞。碰撞后的夸克再经过介子内部的相互作用把能量和动量传给整个介子。该物理过程可用下面的简化模型来描述：一个质量为M、动能为E的电子，与介子的一个质量为
的夸克做弹性碰撞。介子里另一个夸克的质量为
。夸克间以轻质弹簧相连。碰撞前夸克处于静止状态，弹簧处于自然长度L。所有运动都是一维的，且忽略一切相对论效应。则碰撞后瞬间夸克所获得的动能是多少？
[点评] 本题向我们介绍了“介子”“夸克”以及研究介子的方法——简化模型。把微观领域中的尖端科学研究成果巧妙地融合在物理习题中是一种创新，既增强了习题考查的有效性，又向学生介绍了当今原子物理最新发展动态，渗透着科学素养的培养。
物理学的全部发展史表明：无论是仿生学，还是用宏观近似模型类比研究微观领域，科学方法是科学成果获得的重要条件。方法是通向能力的桥梁，能力既依赖于知识，更依赖于方法。展望21世纪物理学，人们无法作出全面的预测。但可以肯定地说，物理学仍然是一门充满生机和活力的学科，它的创造性进展仍日新月异，仍是一切科学技术的核心。物理学的研究领域，将继续朝着时空尺度的极端方向和复杂系统方向发展；向着更小尺度、更快时间、更强的相互作用、结构更为复杂的体系过渡。