物理学与现代自然科学

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第六章 物理学与现代自然科学,各门自然科学学科是从不同角度，针对不同的自然现象，概括着正确认识的知识体系。当代人们最关心的重大自然科学课题有,宇宙的起源、演化、结构层次，各种元素的起源和它们构成各种物质材料的规律、生命的本质,等等。,科学揭示自然规律，为发明新技术指明方向。,技术是人们在实践的基础上创造出来的，能指导人们制作工具、组合工具、按照给定的行为规范运用工具，从而实现各种实际需求的知识体系。,现代新技术中，最具基础性的有新能源技术、新材料、激光、生物技术等。科学技术是推动生产力发展、创造更多更好的产品、提高人类物质文化生活的第一要素。,物理学研究的对象是自然界的普遍现象，因此物理学得到的认识是其它学科的基础。本章将介绍物理学在与之最贴近的科技领域中起的作用，介绍二十世纪的最新成果都建立在相对论和量子力学之上。,6-1,物理学与化学,一. 化学研究的基本课题,从物理的角度, 化学的研究课题是: 各原子的化学性质; 原子结合为分子的规律;各种分子的性能和生成方法。,二. 物理学在化学发展中的的作用,1. 物理学在认识原子、分子和化学基本规律方面的作用,化学家用实验证实原子是组成物质的基本单元。分割单质得到保持该物质性质的最小单元原子。,对物质的构成，物理学起码在更深层次点明以下几个问题：,（1）原子还有更深层次的结构。,（2）组成原子的粒子起源于宇宙爆炸的最初阶段。,（3）量子力学从理论上说明稳定的原子只有九十几种，而在此之前只能用化学实验的方法发现新原子。,（4）原子的核外电子的分布决定了原子的化学性质，元素在周期表上的序号与原子的核外电子数同。最外围电子分布相同的原子有相似的化学性质，构成一族元素。而当时，门捷列耶夫是从实验事实中总结出元素周期表。,（,5）原子间的结合力化学键,原子与原子的 结合称为,化合,，结合的破裂称为,分解,。 化合和分解是最基本的化学现象，如果把结合的本质搞清楚了，各种化学现象的本质也就清楚了。那为什么原子可相互结合？靠原子外围电子的结合力。结合力的形式称为,化学键,。,破译电子的运动秘密的是由薛定谔、海森堡等人建立的量子力学完成的。试着用量子力学解决化学问题，一门新学科,量子化学,应运而生。,2. 物理学在认识外部条件对化学反应的影响所起的作用,从物理学角度看,影响化学反应的外部条件可分为两类, 主要用经典物理理论就可其作用机理的条件（如光、热、电流等），在运用经典物理知识处理这类问题的基础上，发展出了化学热力学、电化学、化学动力学、光化学、胶体化学等化学分支学科。通常把应用热力学方法讨论化学反应和化学平衡的物理化学。, 必须应用量子理论才能认识其作用机理的外部条件，如催化剂在亚原子层次的作用（所谓亚原子层次是指从构成物质的最基本单元着眼的层次），酶的作用等,发展出固体表面催化、功能材料等学科。,三. 量子化学,量子化学用量子力学研究分子中化学键问题,。,最早用薛定谔方程计算氢分子。,按量子力学，氢原子外围的电子出现在“电子云”区域的概率最大，“电子云”的形状用薛定谔方程的解波函数描述。两个氢原子中的电子云的分布集中在原子核间形成化学键，把两个氢原子核“拉”到一起而稳定下来。,从理论上计算出，破坏氢分子化学键的能量是108.8千卡/,mol,氢分子中两原子核间的距离是0.074, 10,-9,nm,与实验值吻合。,由于薛定谔方程是一个复杂的微分方程，随着分子中原子数目的增加定量计算遇到困难。为此采用多种近似方法。目前迅速发展的是化学键理论中的分子轨道理论。它是从分子整体出发，用单电子的波函数描述化学键本质。,计算机的飞速发展，为量子化学的计算提供了有力工具。化学也从经验性学科向系统的理论的学科发展。,量子力学的发展使人们的预见性也加强了，进入到“,分子设计,”阶段。期待通过理论计算，像设计房屋那样，按需求设计新材料、新药物。理论表明：,物性,电学性能：半导性、超导电性等,热学性能：热传导等,磁学性能：磁性转变温度等,光学性能：吸收光谱等,药物的疗效,与原子的外层电子运动有关,于是有了高温超导材料的设计，性能优异的半导体、激光物质，设计新药物、新农药。,1965年，量子化学出现了分子轨道对称守恒原理，使,量子化学进入研究化学反应的新阶段,。该理论在解释和预示一系列化学反应方向上是有力工具。70 年代量子化学又用于研究催化剂、生物酶问题。,6-2,物理学与生命科学,生物学是研究生命现象的科学,。多少年来, 生物学一直是描述性学科, 以观察和认识生物世界的多样性为主要内容,以描述和分类为主要工作,。,生物的结构、运动方式、生命的物质基础、生物进化的机理、 遗传和生命的本质。,本章运用物理知识去理解：,1. 生物体,从生物学角度看,生物体是由核酸和蛋白质等组成的, 能通过自组织，实现自我复制、自我更新的多分子体系，可以参与物理、化学、生命三个层次的运动。,生命活动主要通过蛋白质体现,。的基本单元是氨基酸。蛋白质由,20,多种氨基酸排列而成。体内的化学反应离不开具有催化作用的蛋白质,-,酶。,一. 生物体,核酸的基本结构单位是核苷酸，由碱基、糖、磷酸三部分组成。,核酸,核糖核酸（,RNA,）,脱氧核糖核酸（,DNA,）,遗传特征是由,DNA,中特定的核苷酸排列顺序决定。个体发育时，,DNA,的密码指令将氨基酸连接起来合成蛋白质，进而形成不同的器官，,。,另一方面，,DNA,能自我复制，由亲代复制一份,DNA,传给子代。遗传基因是控制生物性状的功能单位和结构单位，是,DNA,分子中具有遗传效应的某个脱氧核苷酸片段，含有成百上千个脱氧核苷酸。人类,46,条染色体的,DNA,，包含人类基因组中的约,10,万个基因,。,基因中碱基的不同排列构成不同的基因。现正设法测定人体,10,万个基因的碱基排序。一旦完成，就可建立起完整的基因库，从而大推进基因工程即重组,DNA,技术。该技术是按人类意愿，从生物体内分离出目的,DNA,片段实施重组，再将重组后的,DNA,转移到操作生命体中,。,2. 生物体的研究层次,在研究生物体的结构和运动变化时，可以分解为以下三个层次问题:,可不涉及自组织作用，也不涉及化学变化的问题，这是纯粹的物理问题。,可不涉及自组织作用，但涉及到化学变化的问题，处理这类问题还需要用到化学知识。, 必需考虑在自组织作用下实现自我复制，自我更新的问题。这类问题还受到生物体中自组织作用特殊规律的制约。,例如对骨骼的研究。,骨是物质，满足质量守恒、能量守恒定律。骨骼的机械性能，骨架的形态、结构起的支撑作用及其对生物体大小、形态、运动方式的影响，这类问题只需利用力学规律即可解决。, 骨骼机械性能与其内部状况的关系。这时既要考虑骨骼中基本颗粒排列情况这一物理问题，更要考虑骨骼的化学组成。这个层次的研究，使我们进一步认识到，骨骼随物种、年龄、经历、营养状况而变。骨的主要成分是无机盐（钙、磷等）和骨胶原纤维，骨骼要能支承人体从事各项活动，必须要有一定的抗拉和抗压强度，这就要求无机盐与骨胶原之间有一定的比例，这一比例随物种而变。对人而言，通常的比例是7：3。, 骨骼生长和自我修复的机理。这就不是单靠普适的物理规律或化学规律就能解决的问题，还必须知道骨骼自组织的机理和控制骨骼自组织的机理才能解决。,二、生物体中的宏观物理现象,为了维持生命，生物体必须通过物理的、化学的过程来实现并维持与外界的物质交换，从而在生物体中出现各种宏观物理过程。这些过程反映着生物整体状况。,1. 生物的流变性(体液的运动),生物体内流体运动是生命的基本特征。例如：植物是的光合作用维系了植物的生存，动物的体液，如血液维持动物的生命，汗液维持体温。,水、无机盐,二氧化碳,光合作用,光能转化为化学能，维系植物的生存,目前对生物流变性的研究主要集中在心血管和肠道系统的动力学过程。,血液由血浆和血细胞组成。血液的粘滞性影响血液在血管中的流动，一旦受阻便形成血栓。,频率高于人类听觉上限（约20000,Hz）,的声波称为超声波。利用超声波多普勒效应可以测定血液流动速度，流向，流动性等。可研究心脏壁运动速度。,2. 生物电现象,（1）生物电,生物电主要是指生物体中所产生的电现象，也包括外界电因素对生命活动的作用。,所有的生物都有生物电现象，从单个细胞直到人和其它高等动物的神经、肌肉、骨骼以及重要器官都发现有电流、电压的产生和传播。生物组织的许多功能（例如神经中信息的传递和肌肉的收缩）主要基于电的活动。一般动物组织中的电活动比较弱，能被测出的电压只有数十微伏至数十毫伏，但某些鱼类如电鳗能产生的电压达600-1000,伏,。,目前公认的一种基本观点是：生物电来源于细胞的功能，细胞是由细胞膜，细胞核和细胞质组成,。,膜,细胞膜,细胞核,细胞质,上有孔道，允许细胞与周围环境变换某些物质。若取膜外电位为零，则膜内侧电压约为,K,+,A,-,Cl,-,Na,+,带负电,带正电,-90 -70,mv，,称为净息电位。外界强刺激达一定阈值，细胞内的电位可以从负电位突然普通为正电位（约为2030,mv）。,大约在不到,电位，变化的电位称为动作电位。,1,ms,的时间内又恢复为净息,动作电位的产生是细胞兴奋的标志。,(2)心电图和脑电图,心脏是体循环和肺循环的中心，也是血流的动力装置，心肌组织能自动地发生兴奋和传导兴奋。,在心脏活动时，所产生的生物电将随时间和空间出现变化。人是导体，生物电的变化传到体表，用置于体表的电极探测各点的电势差随时间的变化，在纸带上记录下来，就得到心电图。通过对心电图的分析比较，可以诊断心肌肥厚，心律不齐，心肌供血不足，心肌坏死等疾病。大脑外层皮质也有类似的电势变化，记录下来为脑电图。,3. 生物磁现象,磁性是物质的一种普遍属性，在人体内也有磁场。主要来源是：组成生物体的材料有弱磁性，它们在地磁场或外界磁场的作用下会被磁化而产生磁场，肝、脾等呈现的磁性属于此种。另外由于环境污染使铁磁物质（,Fe,3,O,4,）,侵入生物体内。也有的动物如鸽子、蜜蜂体内有微量的强磁物质，助其辨别方向。人体的生物电产生磁场（电生磁），心脏的生物电产生心磁场，脑电流产生脑磁场等。,磁场对生物体具有很大的影响，它可以影响生物体内电子的运动, 磁场的诱导作用也可能会引起生物体遗传变异 .,三物理学对开拓生物学研究新领域作出的贡献,1. 利用新的物理分析方法和相应的设备，观测、分析生物的微观结构。,英国物理学家胡克（1635-1703）利用自制的显微镜观察生物体，首创了“细胞”一词，使人们对生物的认识深入到细胞层次。,二十世纪理论与量子力学结合，实验上发展了衍射和光谱等研究原子、分子、和晶体结构的新方法，使生物学研究进入到分子层次。最成功的是英国物理学家克里克和美国物理学沃森发现了,DNA,的双螺旋结构，破译了遗传密码。为此获1962年诺贝尔生理学或医学奖。,2. 生物学与物理学结合。,3.物理学的新理论为生物学理论提供了基础,量子力学理论用于生物学，诞生了量子生物学(分子生物学)。它的基点是宏观生命现象依赖于生物体内亚原子层次的运动。,用物理的概念、理论、工具分析方法研究生命现象，产生生物物理学。它已在视觉、听觉信号的感知和传递、神经传导、生物膜的作用机理，生物体中的水运行，蛋白质结构和作用机理，,DNA、,酶的排列组装，作用机理上不断取得进展。,量子力学认为:,（1） 生物体分子间的相互作用力,强相互作用和弱相互作用的力程很小, 不会在生物体分子间出现。在分子系统中, 万有引力比起电磁相互作用小得多, 因此,分子系统中的作用力是电磁相互作用。,（2）电荷与能量的迁移,电荷的迁移在生命活动中有重要作用。如叶绿素、染色体中电子的输运，神经脉冲的传播都与电荷迁移有关。其中许多电荷迁移现象在极低温下也能进行，对此只能用量子力学中的隧道效应解释。,（3）生物凝聚态,生物大分子的活性总是在一定的环境中体现出来,大分子与 周围,的,环境物质又构成一个聚合实体, 从而形成一种生物凝聚态, 如蛋白质、核酸、脂质、多糖、水以及由它们组成的细胞膜、染色体等,。,四. 从物理角度认识生命,1. 一切有生命物体的共性在于不断与外界交换物质和能量,。,一旦停止,交换也就意味着死亡。,2.薛定谔 的观点,薛定谔 “在科学一定是统一的、相通的”理念支持下，晚年致力于生命科学的研究。1943年2月他在爱尔兰首都都伯灵三一学院连续作了多场报告，论述”生命是什么？” 1944年他出版了生命是什么活细胞的物理观一书，书中提出：,（1）生命以负熵为生;,（2）遗传的物质基础是有机分子, 遗传以密码的形式通过染色体传递。薛定谔引入遗传密码的概念, 作为解释遗传信息的物理基础。这点为,DNA,双螺旋结构的发现所证实。,(3)生命体系中存在量子跃迁现象。,X,射线照射可引起遗传突破就是证据, 因此生命以量子规律为基础。,3. 适用于生物体的宏观理论是非线性理论。,生物体是处在非平衡态。由于非线性微分方程的解对初值极为敏感，即只要初始条件有微小的变化，就会导致差别极大的结果，这是混沌现象。于是依据非线性理论，一些基因内在的微不足道的细小差别将导致差别很大的生物。生物的进化正是在这种自身变异基础上加上自然选择的结果。,综上所述，生物体的共性在于：它们都是开放的、远离平衡的、高度复杂的、通过自组织实现宏观有序的热力学系统，称之为耗散系统。这个系统不自行解体的条件是，在与外界交换物质的过程中吸取了负熵。比较适合于表达这种系统运动规律的理论是非线性理论。,