师：同学们，大家好，今天我们一起来学习第七章第三节。探索更小的微粒，构成物质的最小单位究竟是什么呢？物质是无限可分的吗？从古到今，人们对此一直充满好奇。2000多年前，我国古代学者庄子说过：“一尺之捶，日取其半，万世不竭。”这句话意思是，一尺长的木棍，每天取它的一半，永远也取不完。这段描述隐含了物质无限可分的思想。在西方，古希腊学者德谟克利特提出万物的本源是原子，原子是不可再分的物质微粒。但这些观点都是哲学推测，并非科学理论，因为并无可靠实验依据。

　　到了19世纪，越来越多科学实验开展，人们通过对实验的观察和思考，逐步建立起对物质微观结构的认识。1811年，意大利化学家阿伏加德罗提出分子学说，认为物质由分子组成。同时代的科学家道尔顿提出原子学说，认为物质由原子构成，还利用原子学说解释了很多化学问题。科学家们逐渐认识到，物质由分子组成，分子由原子构成。比如，一个水分子由一个氧原子和两个氢原子组成，一个氧分子由两个氧原子构成。此后很长一段时间，人们都认为原子是构成物质的最小微粒，不可再分。直到19世纪末，英国物理学家汤姆森系统研究了阴极射线。汤姆森发现阴极射线能在磁场中发生偏转，从而确定阴极射线不是电磁波，而是一种实物粒子。

　　汤姆森根据阴极射线在磁场中的偏转情况，通过精确测量和计算，发现构成阴极射线的带电粒子，质量只有最小氢原子质量的1/2000 。这说明从阴极材料中发出的粒子不可能是原子。他又换用不同阴极材料多次实验，都发现了这种粒子。汤姆生把这种带负电、质量很小的粒子命名为电子。电子的发现意味着什么呢？电子的发现打破了原子不可再分的观点，意味着原子不是组成物质的最小微粒，原子是可以再分的。

　　汤姆森运用经典力学理论进行大量计算，认为原子是一个实心球体，正电荷和所有质量均匀分布在这个圆球上，很小很轻、带负电的电子镶嵌在实心球体的某些固定位置。这就是汤姆森原子结构模型的示意图，看上去很像一块枣糕，所以人们把汤姆森的原子模型称为枣糕模型。那么枣糕模型是否正确呢？检验理论是否正确，最有说服力的方法就是通过实验验证。汤姆生的学生卢瑟福在1911年进行了一个著名实验——用α粒子轰击很薄的金箔。他试图通过观察α粒子的运动情况，推测原子的结构，这是物理学的一种重要思想方法——间接验证。该实验因精巧设计和深刻思维，被众多物理学家评为物理学史上十大经典实验之一。下面我们一起来看这个实验。

　　100多年前，著名物理学家卢瑟福和他的团队用一束带正电、质量远大于电子的高速α粒子轰击一张极薄的金箔。实验设备包括粒子发射源、前罩、金箔以及一个环形探测板。实验后发现，绝大多数α粒子能穿过金箔且不改变方向，但还有一小部分改变了方向，甚至极少数α粒子被反弹回来。这一发现让他们很兴奋。

　　师：同学们，视频中提到这一发现让他们很兴奋，这是为什么呢？卢瑟福进行这个实验本意是想证实他老师汤姆生的枣糕模型，但实验现象毫无争议地说明枣糕模型不成立，必须建立新的物理模型解释实验现象。站在物理学发展的路口，富有创造力的人们当然会非常兴奋。卢瑟福通过大量实验观察和计算，提出了自己的原子结构模型：第一，原子由原子核和电子组成；第二，原子核带正电荷，核外电子带负电绕核高速运动；第三，原子的质量几乎全部集中在原子核里。原子直径数量级为10?1?米，原子核直径数量级为10?1? 至10?1?米。这就是著名的卢瑟福原子核式结构模型。如果把原子类比为摩天大楼，那么原子核只有乒乓球大小，可见原子内部十分空旷。而且原子结构与行星绕日运动十分相似，微观粒子世界与宏观宇宙世界似乎存在某种对应联系。原子的核式结构模型可以解释很多物理现象，例如摩擦起电。下面请同学们阅读课本第31页“读一读”，阅读过程中思考两个问题：一、请解释橡胶棒与毛皮摩擦后橡胶棒带负电的原因；二、相互摩擦的物体带何种电荷取决于什么？好，现在请大家阅读。

　　师：好，同学们，你们阅读结束了吗？刚才的两个问题，找到答案了吗？下面我们来观看这个视频，寻找答案。

　　（视频内容：原子组成的物体也是中性的，两个物体摩擦时，哪个物体的原子核束缚电子的本领弱一些，它的一些电子就会转移到另一个物体上，于是失去电子的物体因为缺少电子带正电，得到电子的物体因为有了多余的电子而带等量的负电。）

　　师：现在我们已经知道摩擦起电的实质，一起来总结一下。摩擦起电并不是创造了电荷，而只是将电子由一个物体转移到另一个物体，得到电子的物体带负电，失去电子的物体带正电，摩擦起电的两个物体必定各自带等量的异种电荷。

　　卢瑟福找到了研究微观世界的一种重要方法，即用α粒子作为炮弹轰击其它原子核。他和学生们运用这个有力武器开辟了粒子物理学研究的全新领域，1897年也因此被称为粒子物理学诞生年。1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，打出一种带正电的粒子，卢瑟福将其命名为质子。后来其他科学家用同样方法，又从氟、钠等原子核中打出质子，从而断定质子是构成原子核的重要组成部分。现在我们看到，不仅原子可以再分，原子核也可以再分。卢瑟福发现质子后，仔细分析实验现象，根据现象预言了一种不带电的中子存在。

　　1932年，卢瑟福的学生查德威克用α粒子轰击硼原子核，首先发现了中子，后来人们用α粒子轰击其他原子核，也都发现了中子。人们通过各种实验逐渐确认原子核由质子和中子组成。查德威克因发现中子的杰出贡献，获得1935年诺贝尔物理学奖。

　　师：同学们，这里我们需要提一下，卢瑟福本人不仅是一位伟大的物理学家，也是一名伟大的教师，他的学生和助手里面共计有20多人获得物理学诺贝尔奖。1964年，盖尔曼提出夸克猜想，认为质子和中子由一种理论上假设的夸克构成。一系列高能物理实验证实这一说法的合理性，他也因此获得1969年度诺贝尔物理学奖。我们一起来看微观粒子的层次结构：分子直径大小约为10?1? 至10??立方米，原子直径大小约为10?1?米，原子核直径约为10?1? 至10?1?米，电子直径小于10?1?米，核子直径约为10?1?米。

　　这就是微观粒子层次结构示意图，请同学们思考各个层级粒子的发现过程有什么共同特点。同学们，通过阅读各种科普书籍会发现，各个层级粒子的发现过程有个共同特点，就是利用粒子相互撞击，破坏粒子原有结构，从而观察粒子内部是否有新粒子出现。那么如何提高粒子的撞击能量呢？这就需要一种工具——加速器，使用加速器来提高粒子运动速度。下面请同学们阅读课本第33页关于加速器的内容。

　　（课本内容：加速器是一种能使带电粒子加速以获得很高能量的装置。利用它可以加速电子、质子、α粒子等各种带电粒子，使其获得很高能量。加速器是探索微观世界的有力武器，几十项与粒子研究有关的成果获得诺贝尔物理学奖。当然，加速器建造成本也十分昂贵。最近，中国科学院高能物理研究所所长王贻芳和著名华人科学家杨振宁关于建造新一代加速器的争论为大家所熟知。同学们，你们课后可以寻找相关资料，进一步了解加速器及其建造。加速器用途广泛，可用于癌症治疗、工业探伤、食品防腐与保鲜、复合材料生产、医疗用品消毒等等。）

　　师：下面我们通过一个视频来了解相关知识。

　　（视频英文内容及翻译）

　　If you want to find out what an atom really looks like, you need a whole new way of looking. Professor Andy Parker is trying to find things smaller than anyone has ever found.

　　如果你想知道原子到底长什么样，你需要一种全新的观察方式。安迪·帕克教授正在试图发现比任何人都未曾发现过的更小的东西。

　　Well, the way to look inside an atom is to fire something at it very fast. And if you hit it hard enough, you can break it into little bits.

　　嗯，观察原子内部的方法是向它快速发射某种东西。如果你撞击得足够用力，你可以把它撞成小碎片。

　　He's using the most expensive experiment in the history of physics, which he helped design. At 17 miles long and buried 100 meters underground, it is the biggest and most famous particle accelerator in the world. The Large Hadron Collider.

　　他正在使用物理学史上最昂贵的实验装置，这是他参与设计的。它长达17英里，埋在地下100米处，是世界上最大、最著名的粒子加速器——大型强子对撞机。

　　And the ring goes right over behind the apartment blocks there, and then it goes five miles in that direction, roughly to the horizon. It comes round under the base of the mountains to here, and it sweeps back round past those buildings there and back to point one.

　　这个环形管道就在那边公寓楼后面，然后朝那个方向延伸5英里，大致到地平线的位置。它从山脚下绕过来到这里，再迂回经过那些建筑物回到一号点。

　　The challenge here at the LHC is to look inside the protons by smashing them to pieces.

　　大型强子对撞机面临的挑战是通过将质子撞碎来观察其内部结构。

　　It's brute force, ignorance, really. You're taking two things which are very small. You don't really know what's inside them to start with, and you hit them together as hard as you can and they smash into tiny fragments.