原子物理 杨福家_课件.ppt

原子物理学(AtomicPhysics),主要参考书：褚圣麟，原子物理学，高等教育出版社杨福家，原子物理学，高等教育出版社周尚文，原子物理学，兰州大学出版社赵凯华、罗蔚茵，量子物理，高等教育出版社,主讲：侯春风教授哈尔滨工业大学物理系,物理学是研究物质结构、相互作用和物质运动最基本、最普遍的规律的科学，它的研究对象十分广泛。空间尺度（相差1046）1026m（约150亿光年）（宇宙）10-20m（夸克）时间尺度（相差1045）1018s（150亿年）（宇宙年龄）10-27s（硬射线周期）速率范围0（静止）3108m/s（光速）不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学研究,原子物理学是研究原子的结构、性质及其运动规律的一门科学。,“原子”一词来自希腊文，含义是“不可分割的”。公元前四世纪，古希腊哲学家德谟克利特(Democritus)提出了这一概念，并把它当作物质的最小单元。,1807年，英国科学家约翰道尔顿(JohnDalton)提出原子论。他认为原子类似于刚性的小球，它们是物质世界的基本结构单元，是不可分割的。,In1807,anEnglishscientistcalledJohnDaltonputforwardhisideasaboutatoms.Fromhisexperimentsandobservations,hesuggestedthat:Atomswereliketiny,hardballs.Eachchemicalelementhaditsownatomsthatdifferedfromothersinmass.Daltonbelievedthatatomswerethefundamentalbuildingblocksofnatureandcouldnotbesplit.Inchemicalreactions,theatomswouldrearrangethemselvesandcombinewithotheratomsinnewways.,道尔顿用他的学说说明了化学中的物质不灭定律等。道尔顿的原子说是根据事实概括的结果，能够用来研究和发现新的现象，因此比古代原子说更进一步。,十九世纪末二十世纪初，一些实验现象相继发现，如电子、X射线和放射性元素的发现表明原子是可以分割的，它具有比较复杂的结构。那么，原子是怎样组成的？原子的运动规律如何？这就是原子物理学要研究的问题。,ThetopphysicistsofalltimePhysicsWorld,第1章原子的基本状况,1.1原子的质量和大小,各种原子的质量不同在化学和物理学中常用它们质量的相对值。现在把碳在自然界中最丰富的一种同位素的质量定为12.000个单位作为原子质量的标准，其他原子的质量同碳12比较，定出质量，称为原子量。例如氢的原子量是l.0079、碳是12.0117、氧是15.999、铜是63.54。原子量可用化学方法测定。,知道了原子量，就可以求出原子质量的绝对值：,其他原子的质量可同样算出，最大的原子质量是这个值的二百几十倍。,由(1)式可算出氢原子的质量为：,(1),其中，A为原子量，MA为原子质量，N0为阿伏伽德罗常数。,原子的大小可按下述几个方法估计：,(1)对任意一种原子AX，A克X原子具有N0个X原子，如果这种原子的质量密度是(克/厘米3)，设原子的半径为r，则有：,(3)由范德瓦尔斯方程：,b值按理论应等于分子所占体积的四倍，由实验测出b，就可算出分子直径，其数量级和原子半径相同。,用不同方法估算出的原子半径有一定的偏差，但数量级相同，都是10-10米。,1.2电子的发现,1833年，法拉第(MFaraday)提出电解定律，依此推得：一摩尔任何原子的单价离子永远带有相同的电量。这个电量，就是法拉第常数F，其值是法拉第在实验中首次确定的。,1874年，斯通尼(G.J.Stoney)指出，电离后的原子所带的电荷为一基本电荷的整数倍，并推算出这一基本电荷的近似值(e=F/N0)。在1881年，斯通尼提出用“电子”命名基本电荷。,1897年，英国物理学家汤姆逊(JosphJohnThomson)从实验确认了电子的存在，测出了电子的菏质比e/me。由于电子的发现，汤姆逊被人们誉为：“一位最先打开通基本粒子物理学大门的伟人。”并因此被授予1906年诺贝尔物理奖。,J.J.Thomson，1906年诺贝尔物理奖得主,1910年，美国物理学家密立根(R.A.Millikan)通过著名的“油滴实验”精确地测定了电子的电量。后来又经过几年反复测定，得出：,现在的公认值为：,根据电子的电量及荷质比e/me，可定出电子的质量为：,美国物理学家密立根(R.A.Millikan)，因电子电荷的测定被授予1923年诺贝尔物理奖。,两个小插曲：,早在1890年，休斯特(Aschuster)就曾研究过氢放电管中阴极射线的偏转。且算出构成阴极射线微粒的荷质比为氢离子荷质比的千倍以上。但他不敢相信自己的测量结果，而觉得“阴极射线粒子质量只有氢原子的千分之一还不到”的结论是荒谬的；相反，他假定：阴极射线粒子的大小与原子一样，而电荷却较氢离子大。,1897年，德国的考夫曼(WKaufman)做了类似的实验，他测到的e/me数值远比汤姆逊的要精确，与现代值只差1。他还观察到e/me值随电子速度的改变而改变。但是，他当时没有勇气发表这些结果，因为他不承认阴极射线是粒子的假设。直到1901年，他才把结果公布于世。,电子发现之后，人们意识到原子中存在电子，它的质量只是整个原子的很小的一部分；电子带负电，而原子是电中性的，这就意味着原子中还有带正电的部分，它占有着原子的绝大部分质量。,那么原子中带正电的部分，以及带负电的电子，在大小为10-10米的范围内是怎样分布、如何运动的呢？,汤姆逊发现电子之后，人们对原子中正、负电荷如何分布的问题，提出了许多见解。,1.3原子的核式结构,1898年，Thomson提出了“布丁模型”(也被称为“西瓜模型”)。,汤姆逊模型,1903年，德国物理学家林纳德(P.Lenard)在实验中发现“原子内部是十分空虚的”。,P.Lenard(18621947),1905年诺贝尔物理奖得主。,在P.Lenard的基础上，长冈半太郎(HantaroNagaoka)提出了原子的土星模型，认为原子内的正电荷集中于中心，电子绕中心运动，但他没有深入下去。,长冈半太郎的土星模型,长冈的土星模型,HantaroNagaoka,1909年，英国物理学家卢瑟福(E.Rutherford)在他的学生盖革(H.Geiger)和马斯登(E.Marsden)的协助下，发现粒子轰击原子时，大约每八千个粒子中有一个被反射回来。汤姆逊模型无法对该实验结果做出解释。卢瑟福根据实验结果于1911年提出了原子的“核式结构模型”(也被称为“卢瑟福行星模型”),E.Rutherford，1908年诺贝尔化学奖得主，外号：鳄鱼。,卢瑟福的核式结构模型(行星模型),1.3.1粒子散射实验,粒子为氦核，以c/15轰击金箔，在原子中带电物质的电场力作用下，使它偏离原来的入射方向，从而发生散射现象。氦核质量是电子质量的7300多倍，因此粒子的运动基本不受电子影响。,实验结果表明：绝大部分粒子经金箔散射后，散射角很小（23），但有1/8000的粒子偏转角大于90，甚至被反射回来。,汤姆逊模型无法解释粒子散射实验中的大角度散射,粒子每次碰撞的最大偏转角为：,根据上式，能量为5MeV的粒子在金(Au,Z=79)箔上散射，每次碰撞的最大偏转角,即使要引起1的偏转，也必须经过多次碰撞才有可能。由于每次碰撞偏转的方向是随机的，所以发生大角度偏转的概率是非常低的，计算表明，发生90散射的概率为10-3500！而实验结果却是1/8000。,根据汤姆逊模型可以估算出粒子散射实验中发生90散射的概率为10-3500，粒子被反射回来“就象一枚15英寸的炮弹打在一张纸上被反弹回来一样，令人不可思议。”（卢瑟福语）,为了解释粒子散射实验结果，卢瑟福提出了“核式结构模型”。,1.3.2粒子散射理论,设有一个粒子射到一个原子附近，二者之间有库仑斥力。在原子核的质量比粒子的质量大得多的情况下，可以认为前者不会被推动。粒子受库仑力的作用而改变运动方向，如下图所示。图中v是粒子原来的速度，b是原子核离粒子原运动路径的延长线的垂直距离，称为瞄准距离。由力学原理可以证明粒子的偏转角与瞄准距离b有如下关系：,下面我们来证明(1)式,由牛顿定律有：,由库仑定律有：,根据上两式可知：,(*),把上式代入(*)式并整理，可得：,由此可见,而由矢量图可知,从(1)式可以看出，与b有对应关系：b大，就小；b小，就大；对其一b，有一定的与之对应。,那些瞄推距离在b和b-db之间的粒子，散射后，必定向着和+d之间的角度射出，如下图所示。,此即卢瑟福散射公式。d是粒子散射到与+d之间的立体角d内每个原子的有效散射截面，又称微分截面。,(2)式可用空心圆锥体的立体角表达以代替d。由下图可知，这里的立体角与d有如下关系：,实验中是用粒子轰击金箔(即金薄膜)中的金原子核，设薄膜的面积为A，厚度为t，如果单位体积中的原子数为N，那么薄膜中的原子核总数是,实际测量时，不取与+d之间的全部立体角，也就是不采用图6中环形带所张的全部立体角。测量的荧光屏只在不同方向张了一个小立体角d，实际测得的粒子数是在d中的dn。但很容易理解，相同时，dnddnd。所以(5)式与实验核对时，用dnd代替dnd。,粒子散射公式的常用形式：,1.3.3卢瑟福理论的实验验证,如果卢瑟福模型是有道理的，那么实验结果应该与理论公式(5)相符合。从(5)式可以看到下列四种关系：(1)在同一粒子源和同一散射物的情况下，(dnd)sin4(/2)常数；(2)用同一粒子源和同一种材料的散射物，在同一散射角处，(dnd)与散射物厚度t成正比；(3)用同一散射物，在同一散射角，(dnd)v4常数；(4)用同一粒子源，在同一散射角，对同一Nt值，dnd与Z2成正比。,1913年盖革和马斯顿又仔细地进行了粒子散射的实验，所得结果完全证实了上述前三项的关系，关于第四项当时未能准确测定，过了几年也证实了。,表1粒子在不同角度的散射,1.3.4原子核大小的推断,由此式，知道了散射物的Z和粒子的原有速度v，从观察到的散射角，就可以推算粒子离原子核的最近距离rm，越大，rm越小。,从以上讨论可见，粒子散射的实验与理论充分证明了原子的核式结构。在这个结构中，有一个带正电的中心体原子核，所带正电的数值是原子序数乘单位正电荷。原子核的半径在10-15到10-14米之间。原子核外边散布着带负电的电子。但原子质量的绝大部分是原子核的质量。这样一个原子的核式模型在卢瑟福提出后很快被大家接受，认为它代表了原子的真实情况。,卢瑟福手迹,卢瑟福的“行星模型”的意义,1.最重要的意义是提出了原于的“核式结构”，即提出了以核为中心的慨念，从而将原子分为核外与核内两个部分，并发大胆地承认了高密度的原子核的存在。卢瑟福散射不仅对原子物理起了很大的作用，而且这种以散射为手段研究物质结构的方法对近代物理一直起着巨大的影响。卢瑟福散射为材料分析提供了一种手段。,卢瑟福“行星模型”的困难卢瑟福的“行星模型”的虽然可以解释粒子散射实验结果，但该模型却无法解释下列问题：1)、无法解释原子的稳定性；2)、无法解释原子的同一性；3)、无法解释原子的再生性。,为了解释上述问题，卢瑟福的一个学生丹麦物理学家尼尔斯玻尔(NilesBohr)在卢瑟福的“行星模型”的基础之上于1913年提出了原子的量子理论，即“玻尔模型”。,玻尔的原子模型(BohrsAtom),尼尔斯玻尔(NilesBohr)，丹麦人，二十世纪世界最伟大的物理学家之一，量子理论的主要奠基人。1922年诺贝尔物理奖得主。,1926年，Schrdinger创立量子力学（波动力学），量子力学的计算结果表明原子核外的电子应该具有“电子云”结构。,1.4同位素,人们发现有原子量不同而化学性质相同的元素。这些元素有相同的化学性质，因而有相同的元素名称，在化学周期表中处在同一地位，有相同的原子序数，它们被称为同位素。例