原子物理学_课件

1、原子物理原子物理 大连理工大学大连理工大学 物理与光电工程学院物理与光电工程学院 李崇李崇 参考书参考书 褚圣麟褚圣麟 原子物理学原子物理学 Paul Tipler, Modern Physics C.J. Foot Atomic Physics 陈宏芳陈宏芳 原子物理学原子物理学 安安 排排 a. 作业、平时表现作业、平时表现 20% b. 期末考试期末考试 80% c. 常规答疑两周一次常规答疑两周一次 地点：物理系地点：物理系219室室 时间：周四下午时间：周四下午 Email: 绪论绪论 人之生，气之聚也人之生，气之聚也;聚则为生，散则为死。聚则为生，散则为死。 - 庄子庄子知北游知北

2、游 端，体之无序最前者也。端，体之无序最前者也。 - 墨经墨经 至大无外，谓之大一；其小无内，谓之小一。至大无外，谓之大一；其小无内，谓之小一。 - 惠子惠子 第一章第一章 卢瑟福模型卢瑟福模型 1.1 背景介绍背景介绍 电子的发现电子的发现 1676年法国年法国 良卡德良卡德 发现水银荧光现象发现水银荧光现象 1650年奥托年奥托冯冯格里克发明真空泵后物理学家开始在稀薄空格里克发明真空泵后物理学家开始在稀薄空 气中做电的试验气中做电的试验 1705年豪克斯对此进行实验研究，在部分真空中运动产生摩年豪克斯对此进行实验研究，在部分真空中运动产生摩 擦才有荧光擦才有荧光 1833年法拉第年法拉第

3、改进改进 抽真空的玻璃管置入电极抽真空的玻璃管置入电极 辉光放电辉光放电 1857年德国玻璃工海因里希年德国玻璃工海因里希盖斯勒发明了更好的泵来抽盖斯勒发明了更好的泵来抽 真空，由此发明了盖斯勒管真空，由此发明了盖斯勒管 1858德国普吕克利用德国普吕克利用“盖斯勒管盖斯勒管”研究气体放电，辉光现研究气体放电，辉光现 象随磁场变化改变形状象随磁场变化改变形状 1869其学生西多夫其学生西多夫10万分之一大气压下，物体置入阴极与万分之一大气压下，物体置入阴极与 荧光屏之间会有影子，射线起源于阴极，射线直线传播荧光屏之间会有影子，射线起源于阴极，射线直线传播 德国物理学家哥尔德斯坦称这种射线为德国

4、物理学家哥尔德斯坦称这种射线为“阴极射线阴极射线” M WQ F 法拉第电解定律法拉第电解定律 1871年，瓦莱发现阴极射线能为磁铁偏转，是带负电的。年，瓦莱发现阴极射线能为磁铁偏转，是带负电的。 M WQ F A QWN n FMN A FN e A QF e NN 1887年克鲁克斯得到了百万分之一年克鲁克斯得到了百万分之一 个克鲁克斯管个克鲁克斯管”，他在实验中不仅，他在实验中不仅 验证了阴极射线是带电的，还发现验证了阴极射线是带电的，还发现 阴极射线具有热效应并具有动量。阴极射线具有热效应并具有动量。 1891年赫兹发现了阴极射线能够穿透金属薄片年赫兹发现了阴极射线能够穿透金属薄片 勒

5、纳德为阴极射线管开了一个勒纳德为阴极射线管开了一个0.000265厘米厚铝箔的窗口，把厘米厚铝箔的窗口，把 阴极射线引到管外空间，使几厘米远处的荧光屏发出荧光。阴极射线引到管外空间，使几厘米远处的荧光屏发出荧光。 1897年英国物理学家汤姆逊测定阴极射线的质荷比，年英国物理学家汤姆逊测定阴极射线的质荷比， 1897年德国物理学家布劳恩（年德国物理学家布劳恩（Kari Ferdinand Braun）发）发 明阴极射线管，被用于一台示波器中首次与世人见面明阴极射线管，被用于一台示波器中首次与世人见面 Sir Joseph John Thomson J.J. Thomson 1897 放电管 汤姆

6、逊被誉为汤姆逊被誉为: :“一位最一位最 先打开通向基本粒子物先打开通向基本粒子物 理学大门的伟人理学大门的伟人. .” 19061906诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖 再加磁场B B后，射线不偏转， 。 qEBq BE/ 加电场E E后，射线偏转， 阴极射线带负电。 去掉电场E E后，射线成一圆形轨迹， 求出荷质比。 rmBq/ 2 2 /rBEmq 电子电荷及质量及阿佛伽德罗常数电子电荷及质量及阿佛伽德罗常数 11 2 C 2 10 kg eE mrB 核质比 19 1.03 10Ce 31 5.15 10kg e m 19 1.602177 33 4910Ce 31 9.1093897(5

7、4) 10kg e m 19 1.59 10 m eC /1836.152701(37) pe mm 质子与电子质量比 -27 1 u1.660 540 2(10) 10kg原子质量单位 19 1eV1.60217733(49) 10J=11601.57K 原子的大小原子的大小 23 Avogadro 6.0221367(36) 10 A N 常数 A FN e A RN k 1 3 /3 3 34 4 A A AA N r Nr 19031903年年Thomson提出提出 “葡萄干蛋糕葡萄干蛋糕”式原子式原子 模型或称为模型或称为“西瓜西瓜”模型模型原子中正电荷和质量原子中正电荷和质量 均匀

8、分布在原子大均匀分布在原子大小小的弹性实心球内的弹性实心球内，电子就象电子就象 西瓜里的瓜子那样嵌在这个球内西瓜里的瓜子那样嵌在这个球内。 该模型对原子发光现象的解释该模型对原子发光现象的解释电子在其平电子在其平 衡位置作简谐振动的结果衡位置作简谐振动的结果，原子所发出的光的原子所发出的光的 频率就相当于这些振动的频率。频率就相当于这些振动的频率。 诺贝尔奖得主的幼儿园诺贝尔奖得主的幼儿园 卢瑟福一生至少培养了卢瑟福一生至少培养了10位诺贝尔奖得主位诺贝尔奖得主 尼尔斯尼尔斯.玻尔，玻尔，1922年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖 保罗保罗.狄拉克，狄拉克，1933年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖 詹姆

9、斯詹姆斯.查德威克查德威克, 1935年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖 布莱克特布莱克特,1948年的诺贝尔物理奖年的诺贝尔物理奖 沃尔顿和考克劳夫特沃尔顿和考克劳夫特,1951诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖 索迪，索迪，1921年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。 赫维西，赫维西，1943年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。 哈恩，哈恩，1944年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。 鲍威尔，鲍威尔，1950年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。 贝特，贝特，1967年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。 卡皮查，卡皮查，1978年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。 Ernest Rutherford 1908年诺贝尔化学奖年诺贝

10、尔化学奖 1909卢瑟福盖革 马斯顿 粒子散射实验（年） 后，发出微弱的光，当它碰到荧光屏粒子经过薄金属箔散射高速S 观测到。再由显微镜M Thomson “葡萄干蛋糕葡萄干蛋糕”式原子模型式原子模型 2 12 3 0 2 12 2 0 4 4 Z Z e r rR R F Z Z e rR r 5 2 Z 10rad EMeV E a R F p v pm v 靶核 2 12 max 2 0 4 Z Z e F R 4 max 2 10 e mp pm 电子 79Au , 5MeV , 0.07E 1 0 8400 实验表明，大多数 粒子散射角很小，但也有 18090 ，甚至有的达到大于的粒

11、子 e mm A mm 大角度散射！逐渐变小，不可能产生 汤姆孙模型，子内的正电荷提供，按粒子斥力由金属箔中原JJ. 内部通过受斥力会时受斥力最大，在原子粒子仅在原子边缘通过 15 10 10m 10m Ze 原子的绝大部分质量和中全部正电荷 集中于中心，线度左右，称为原子 核，电子绕核旋转，受库仑引力作用，电 子运动半径。 1911卢瑟福的原子太阳系模型（年） 2 12 2 0 4 Z Z e F r 2 0 1.44fm M eV 4 e 有用的组合常数有用的组合常数 库仑散射公式库仑散射公式 2 12 0 cot( /2) 24 Z Z ea ba E 其中 称为库仑散射因子， 称为瞄准

12、距离（又称碰撞参数） ab 1.3 卢瑟福散射公式卢瑟福散射公式 证明证明： Mm 假设靶核不动，取靶核处为坐标原点假设靶核不动，取靶核处为坐标原点 , r带电粒子的坐标 r a E r eZZ rU 0 2 21 4 )( 带电粒子库伦势能带电粒子库伦势能 a的含义：带电粒子与原子核的距离为的含义：带电粒子与原子核的距离为a时，时， 其库仑势能等于其库仑势能等于粒子的初始动能粒子的初始动能 , r ErU dt d r dt dr m)()()( 2 1 222 mvb dt d mr 2 E a eZZ rU ar 0 2 21 4 | )( 带电子粒子在中心保守力场中运动，满足能量守恒和

13、角动量守恒带电子粒子在中心保守力场中运动，满足能量守恒和角动量守恒 1)( 2 2 2 4 2 r a r b d dr r b 22 barrr bdr d )0(), 4 2 sin( 11 22 A ACBx ABx arc A dx CxBxAx 1)/2(1 ,/2 , 1cos 22 ababd d r 边界条件边界条件 min 0 rr r 01cos 0 0 2 abtg/21)2/cot()2/cot( 2 00 )2/cot( 2 a b 0 成立的假设条件是：成立的假设条件是： （i）只发生单次散射；）只发生单次散射； )2/cot( 2 a b （ii）只有库仑相互用）

14、只有库仑相互用; （iii）核外电子的作用可以忽略；）核外电子的作用可以忽略； iv）靶核静止不动。）靶核静止不动。 I b d2 dNIb b d2dNIbb d2sind d dd sin bN b I d sin b dNIb 2 S R d2dNIbb d d 2sin cot 22 a b 2 4 1 dd 4 sin 2 a 定义微分截面定义微分截面 2 4 ( )1 ( )( ) 4sin ( /2) C da d 2 1 4 sin 2 a b d dd sin bN b I 2 4 ( )1 ( )( ) 4sin ( /2) C da d 物理意义：物理意义： 入射粒子散射

15、到入射粒子散射到 角方向单位立体角内每个原子角方向单位立体角内每个原子 的有效散射截面的有效散射截面 221 282 ( ) / 110,( )/ C C m sr bmb sr 的单位：米球面度（）,通常以靶恩作为截面单位, 以符号b表示，的常用单位。 L LL LL LL mm mm E ZZ 22 21 222 212 2 21 sin)/(1 sin)/(1cos ) sin (2 . 5)( L系（实验室坐标系）系（实验室坐标系） tn mnAt靶核数靶核数 总的微分散射截面总的微分散射截面 dmdnAtd 2 4 1 dd 4 sin 2 dNa I d dN md I 2 4 1

16、 d 4 sin 2 a dnAt 22 44 11 d 4d4 sinsin 22 dNadNa nAtnt IAI 2 4 1 d4 sin 2 dNa nt N 2 12 0 4 Z Z e a E 4 dd1 sin 2 N ddNt 2 ddNE 2 ddNZ 2 2 4 0 d1 d4 sin 2 NZe nt NE 年年盖革盖革马斯马斯顿实验，查德维克顿实验，查德维克 由上两式及库仑散射公式可得由上两式及库仑散射公式可得 2 22 12 1 0 11 224 m Z Z e MM r 1 m M bMr R =3 10-14 m （金）（金） R =1.2 10-14 m （铜）

17、（铜） 10-14 m 10-15 m 2 12 0 211 11 42 sinsin 22 m Z Z ea r E 提出了原子的核式结构，即提出了以核为提出了原子的核式结构，即提出了以核为 中心的概念中心的概念 粒子散射实验为人类开辟了一条研究微观粒粒子散射实验为人类开辟了一条研究微观粒 子结构的新途径。子结构的新途径。 粒子散射实验还为材料分析提供了一种手段。粒子散射实验还为材料分析提供了一种手段。 卢瑟福模型的缺陷卢瑟福模型的缺陷 卢瑟福模型的卢瑟福模型的3个困难个困难 稳定性稳定性 同一性同一性 再生性再生性 动能为动能为 5.0 MeV5.0 MeV的的粒子被金核以粒子被金核以 9

18、0o角散射时，它的瞄准角散射时，它的瞄准 距离（碰撞参数）为多大距离（碰撞参数）为多大? 利用库仑散射公式利用库仑散射公式 2 12 0 22242 2 79 1.44 4522.8 fm 2 5.0 k o Z Zae bctgctg E MeVfm ctg MeV 解：解： 例题例题 cot 22 a b 例例2.2.动能为动能为1.OMeV1.OMeV的窄质子束垂直地射到质量厚度为的窄质子束垂直地射到质量厚度为 l.5 mgl.5 mgcm2cm2 的金箔上。若金箔中含有百分之三十的银，试求散射角大于的金箔上。若金箔中含有百分之三十的银，试求散射角大于3030度度 的相对质子数为多少？银的原子序数为的相对质子数为多少？银的原子序数为4747，原子量为，原子量为108108。 N N N I S 2 b 2 2222 2 122 2 0 13232 2 22 23120 11 3 c(0.700.30) 442 3.142 (1 1.44 10)1.5 10 4 (1.0) 7947 6.022 1015(0.700.30