原子物理学绪论

1、原子物理学原子物理学 Atomic Physics广州大学物理与电子工程学院广州大学物理与电子工程学院皮飞鹏皮飞鹏_E-mail: ；QQ:1269142263答疑地点：行政西楼前座答疑地点：行政西楼前座401，周，周1上午上午1大节、周大节、周4下午下午短号：短号：683399绪论绪论o本课程的定位本课程的定位o原子物理发展简史原子物理发展简史o学习建议学习建议o参考书目参考书目o课程要求课程要求关于本课程的定位关于本课程的定位o可以确定的：普通物理学的第可以确定的：普通物理学的第5门！量子力学的基础！门！量子力学的基础！o不那么确定的：叫什么名字！讲什么内容！不那么确定的：叫什么名字！讲什

2、么内容！ 原子物理学：原子物理学：介绍原子介绍原子/量子物理的发展历程，量子力学基本原理及应量子物理的发展历程，量子力学基本原理及应用于原子、分子的结果（重点），亚原子物理。归纳法！用于原子、分子的结果（重点），亚原子物理。归纳法！(常见常见) 量子物理：量子物理：从量子力学基本原理出发，研究原子、分子的结构和规律，从量子力学基本原理出发，研究原子、分子的结构和规律，介绍亚原子物理。演绎法！介绍亚原子物理。演绎法！(费曼的体系；赵凯华的体系费曼的体系；赵凯华的体系) 近代物理学：近代物理学：原子原子/量子物理，有时包括相对论量子物理，有时包括相对论o我的选择：原子物理学我的选择：原子物理学At

3、om Physicso我的想法：我的想法： 我们是师范生，了解知识的创建过程也许比了解知识本身更重要！我们是师范生，了解知识的创建过程也许比了解知识本身更重要！ 普通物理前几门都是演绎法，让我们忘记了前人的艰辛和快乐！普通物理前几门都是演绎法，让我们忘记了前人的艰辛和快乐！20世纪初的物理学革命：相对论、量子力学世纪初的物理学革命：相对论、量子力学o相对论相对论：极富传奇色彩，众人皆：极富传奇色彩，众人皆“知知” 主要是主要是A.Einstein个人的杰作个人的杰作o量子力学量子力学：每个人须臾都离不开，却知者甚少：每个人须臾都离不开，却知者甚少 其实也极富传奇色彩！其实也极富传奇色彩！ 由由

4、N.Bohr领导的一批天才的年轻物理学家创建领导的一批天才的年轻物理学家创建o发端于发端于：1920世纪之交的世纪之交的3大发现大发现o让我们将思绪先调整到春秋战国让我们将思绪先调整到春秋战国/ /古希腊时期，人类第古希腊时期，人类第一个思想辉煌的时代一个思想辉煌的时代o西方：西方： Atom: 物质的最小单元，物质的最小单元，“不可分割的不可分割的” 古希腊：古希腊： 最早由最早由BC5世纪希腊思想家留基伯提出，其学生世纪希腊思想家留基伯提出，其学生Democritus德谟克利特德谟克利特发展发展 近代：近代：Galileo伽利略伽利略Descartes 笛卡尔笛卡尔 Boyle 玻玻意尔意

5、尔Newton牛顿牛顿Dalton道尔顿道尔顿 物质无限可分：物质无限可分：物质是连续的物质是连续的 古希腊：古希腊：Aristotle亚里斯多德亚里斯多德 现代现代: 分子分子原子原子基本粒子基本粒子夸克夸克？人类认识物质结构的历史：人类认识物质结构的历史：古代古代o中国中国战国时期战国时期 端端小一小一 莫破莫破: 物质的最小单元物质的最小单元（梁启超的解读梁启超的解读） 墨子墨子：端，体之无序最前者也：端，体之无序最前者也 惠施惠施：其小无内，谓之小一：其小无内，谓之小一 中庸中庸、朱熹、严复、朱熹、严复：莫破，莫能破：莫破，莫能破 物质无限可分物质无限可分：物质是连续可分的：物质是连续

6、可分的 公孙龙公孙龙：一尺之棰，日取其半，万世不竭：一尺之棰，日取其半，万世不竭人类认识物质结构的历史：人类认识物质结构的历史：古代古代讨论：物质是无限可分的吗？讨论：物质是无限可分的吗？oAtom(希腊字希腊字): indivsible, not+cut, 不可分割的不可分割的o杨福家：杨福家：“公孙龙两千多年前的臆想，正在不断得到现代科学的支持公孙龙两千多年前的臆想，正在不断得到现代科学的支持”o何祚庥：物质无限可分何祚庥：物质无限可分 = 辩证法，辩证法， 夸克（即：层子），毛粒子（毛的辩证法）夸克（即：层子），毛粒子（毛的辩证法）o关洪：关洪：1. “物质无限可分物质无限可分”既不合于

7、辩证法，既不合于辩证法， 亦没有得到任何物理学规律的支持亦没有得到任何物理学规律的支持； 2. 中国古代没有原子论的萌芽中国古代没有原子论的萌芽o1.关洪，原子论的历史与现状，北京大学出版社，关洪，原子论的历史与现状，北京大学出版社，2006，第一章，第一章 2.何祚庥，三大论战何祚庥，三大论战现代物理学研究中的哲学问题，北京师大出版社，现代物理学研究中的哲学问题，北京师大出版社，2000人类认识物质结构的历史：人类认识物质结构的历史：1919世纪的化学世纪的化学o1807年年J.Dalton原子学说；原子学说；1811年年A.Avodadro假说假说o1818世纪，化学大师世纪，化学大师A.

8、L.LavoisierA.L.Lavoisier（拉瓦锡）（拉瓦锡）发现氧发现氧O, 否定燃素说，确定化学元素概念，否定燃素说，确定化学元素概念，古代古代炼金术炼金术 近代化学近代化学o1818世纪末世纪末1919世纪初，世纪初，化学家发现：化学家发现： 定比定律、等比定律（化学反应物与生成物的质量关系）定比定律、等比定律（化学反应物与生成物的质量关系）o Dalton Dalton原子原子- -分子学说：分子学说：原子是化学反应中不可分割的微粒原子是化学反应中不可分割的微粒 原子是不能化学分解的最单纯的物质，是物质的最小单元原子是不能化学分解的最单纯的物质，是物质的最小单元 化学反应只改变原

9、子的结合方式，不能使原子互相嬗变化学反应只改变原子的结合方式，不能使原子互相嬗变J.DaltonoJ.DaltonJ.Dalton生于英格兰一个偏远的生于英格兰一个偏远的小山村，只上过几年小学和中小山村，只上过几年小学和中学，为了生计四处漂泊学，为了生计四处漂泊o天生色盲天生色盲道尔顿症（道尔顿症（19951995年色盲之谜才解决）年色盲之谜才解决）o提出新的原子学说提出新的原子学说o化学哲学新体系化学哲学新体系1833-341833-34年，年，M.FaradayM.Faraday法拉第法拉第提出电解定律：提出电解定律： 化学亲和力的本质为电力，化学亲和力的本质为电力，原子里有电荷原子里有电

10、荷18811881年，年，H.HelmholtzH.Helmholtz霍姆赫兹霍姆赫兹：原子所带电荷是分立的：原子所带电荷是分立的1860-611860-61年，年，G.KirchhoffG.Kirchhoff基尔霍夫基尔霍夫等等用光谱学方法帮助化学家用光谱学方法帮助化学家发现多种元素：发现多种元素： CsCs、RbRb TlTl、InIn、GaGa等等18691869年，年，D.MendeleevD.Mendeleev门捷列夫门捷列夫发现：元素周期律发现：元素周期律说明：不同元素的原子结构具有共同的模式说明：不同元素的原子结构具有共同的模式人类认识物质结构的历史：人类认识物质结构的历史：19

11、19世纪世纪19世纪末：物质由原子组成！世纪末：物质由原子组成！o那么，原子那么，原子还有没有还有没有结构？结构？o原子里面有什么？怎么结合成原子？原子里面有什么？怎么结合成原子？o三大发现，揭开了物理学革命的序幕三大发现，揭开了物理学革命的序幕oX射线：射线：1895，W.Rontgeno放射性：放射性：1896，H.Becquerelo电子：电子：1897，J.J.Thomson物理学家总更喜欢没完物理学家总更喜欢没完没了地问这类问题！没了地问这类问题！X射线的发现：射线的发现：历史历史o1895.12.28，第一张，第一张X射线照片射线照片(伦琴夫人的手伦琴夫人的手)，轰动世界，轰动世界

12、o1896年有年有1000多篇论文发表多篇论文发表o3个月后应用于临床，半年后医学应用杂志出版个月后应用于临床，半年后医学应用杂志出版o1901年第一届年第一届Nobel物理奖物理奖o当时不知道射线的危害，许多科学家身体受损伤当时不知道射线的危害，许多科学家身体受损伤o1895.11.8, (德德)W.C.Rntgen在研究阴极射线时在研究阴极射线时意外发现意外发现一种一种新的穿透性很强的射线新的穿透性很强的射线X射线射线o阴极射线穿透性差，能被磁场偏转，而新射线不被磁场偏阴极射线穿透性差，能被磁场偏转，而新射线不被磁场偏转，穿透性强，所以不是阴极射线（电子）转，穿透性强，所以不是阴极射线（电

13、子）W.C.Rontgen,1845-1923第一张第一张X X射线照片：射线照片：伦琴夫人的手伦琴夫人的手现代手的现代手的X X射线照片射线照片X射线发现射线发现的启示：偶然中的必然的启示：偶然中的必然o偶然：偶然：许多科学家观察到类似的现象，阴极射线管附许多科学家观察到类似的现象，阴极射线管附近的照相底板被曝光，但是，不重视，更没深入研究近的照相底板被曝光，但是，不重视，更没深入研究o必然：伦琴扎住了历史赋予的机遇必然：伦琴扎住了历史赋予的机遇 一贯十分热爱和关注实验一贯十分热爱和关注实验 敏锐的观察和判断能力敏锐的观察和判断能力 锲而不舍的工作作风锲而不舍的工作作风 o机遇总是垂青那些有

14、准备的人机遇总是垂青那些有准备的人X射线的发现：射线的发现：相关的相关的Nobel奖超过奖超过16项项o1901年，伦琴因发现年，伦琴因发现X射线射线(1895)o1914年，年，Laue因因X射线在晶体上的衍射射线在晶体上的衍射(1912)o1915年，年，H.&L.Bragg父子父子XRD晶体结构分析（晶体结构分析（1912）o1927年，年，Compton因因Compton效应效应(1923),证明光子假说证明光子假说o1962年生理学奖，年生理学奖，Wason,Crick在威尔金斯在威尔金斯DNA分子的分子的XRD实验基础上，提出实验基础上，提出DNA双螺旋结构（双螺旋结构（1

15、953）o1946年生理学奖，马勒用年生理学奖，马勒用X射线诱发果蝇基因突变射线诱发果蝇基因突变o X射线在多晶上的衍射射线在多晶上的衍射Laue 1914 Nobel-PX射线在单晶上的衍射射线在单晶上的衍射H.&L.Bragg父子父子1915Nobel-P放射性的发现：放射性的发现：Becquerel的的意外意外发现发现oBecquerel(1896)：发现铀盐暴晒后发荧光，且能像：发现铀盐暴晒后发荧光，且能像X射线射线一样让照相底板感光；但是，阴天也能使底片感光一样让照相底板感光；但是，阴天也能使底片感光o新射线新射线：穿透性强，且是铀盐本身发光，显然不是：穿透性强，且是铀盐本身

16、发光，显然不是X射线射线o偶然与必然偶然与必然：B家族几代人研究荧光现象和铀盐家族几代人研究荧光现象和铀盐1903N-PoBecquerel的局限：以为放射性只是铀盐才有的性质的局限：以为放射性只是铀盐才有的性质o居里夫妇居里夫妇(1897)：扩大扩大寻找范围，找到测量发射性的方法寻找范围，找到测量发射性的方法o沥青铀矿中分离出新的放射性元素沥青铀矿中分离出新的放射性元素(1898)： 钍钍Th；钋；钋Po；镭；镭Ra（放射性是（放射性是U的百万倍）的百万倍）Becquerel(法国法国)(1852-1908)1903Nobel-PM.&P. Curie1903Nobel-P放射性的发

17、现：放射性的发现：Curie家族坚持不懈的努力家族坚持不懈的努力o轰动与质疑：把镭拿来看看！轰动与质疑：把镭拿来看看！oP.&M.Curie 4年年劳作：劳作：亲手亲手从几吨矿渣中提炼从几吨矿渣中提炼0.1g纯的纯的氧化镭氧化镭1903年年Nobel-PoNobel-C：M.Curie继续研究，分离出纯的金属镭！继续研究，分离出纯的金属镭！o女儿依琳、女婿女儿依琳、女婿Joliot-Curie ： 发现人工放射性发现人工放射性(1934)：1935Nobel-C 错失中子的发现错失中子的发现(1932)：机遇只钟情有准备的头脑！：机遇只钟情有准备的头脑！查德威克查德威克1935Nobe

18、l-PJ-Curie与钱三强与钱三强放射性的发现：放射性的发现：a a、b b、g g射线射线o放射线的本质是什么？放射线的本质是什么？oE.Rutherford (J.J.Thomson的学生的学生)： 1908年：年：发现并命名发现并命名a a射线射线 ( (He 核核) )、b b 射线射线 (电子流电子流) g g 射线：射线：1900年证实其强穿透性，年证实其强穿透性，1902年年Rutherford命名命名1908年年Nobel-Co放射性的本质：放射性的本质： 原子核的衰变，三种射线都来自原子核原子核的衰变，三种射线都来自原子核o原子核：质子原子核：质子p+中子中子no实验一：实

19、验一：证明阴极射线是带负电的粒子流证明阴极射线是带负电的粒子流o实验二：实验二：测出荷质比测出荷质比 e/m，比氢离子大，比氢离子大1000多倍，只能多倍，只能是一种新的粒子是一种新的粒子电子电子o实验三：实验三：用云室测量电子电量用云室测量电子电量e，从而质量，从而质量me (mH/1837)汤姆逊汤姆逊: : 一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人电子的发现：电子的发现：Thomson的实验的实验(1897-1899)o阴极射线的本质：波？粒子流？阴极射线的本质：波？粒子流？ 德国：以太波；德国：以太波； 英国：带负电的粒子流英国：带负电的粒子流A

20、P1P2SOP阴极射线实验装置示意图阴极射线实验装置示意图2LlBEhme1897年年, e/me = 7.6 1010c/kg, 而而 e/mH = 9.6 107c/kg阴极射线管阴极射线管o要敢于突破传统：要敢于突破传统： 其他人拘泥于其他人拘泥于“原子不可分原子不可分”的观念，的观念， J.J.Thomson突破传统，承认是一种质量非常小的新粒子突破传统，承认是一种质量非常小的新粒子o卡文迪许实验室成功的秘密：卡文迪许实验室成功的秘密： 追求卓越，不断开拓新的研究领域追求卓越，不断开拓新的研究领域 善于选择和培养优秀人才（超过善于选择和培养优秀人才（超过25人获人获Nobel奖）奖）

21、优良学风（重视实验、求实与批评精神、教学与科研结合优良学风（重视实验、求实与批评精神、教学与科研结合) 电子的发现：电子的发现：启示启示o原子有内部结构：原子有内部结构：突破了原子不可分的观念，原子具有突破了原子不可分的观念，原子具有内部结构，电子是原子的组成部分内部结构，电子是原子的组成部分o开创了原子物理学、粒子物理学的研究：开创了原子物理学、粒子物理学的研究： 电子的发现开启了原子物理研究新领域电子的发现开启了原子物理研究新领域 第一个被发现的基本粒子第一个被发现的基本粒子 开启了物理学革命的新纪元，大批开启了物理学革命的新纪元，大批Nobel奖奖 o开启了电子技术的新时代开启了电子技术

22、的新时代 我们每天的生活都离不开这一发现我们每天的生活都离不开这一发现 电子的发现：电子的发现：意义意义原子结构模型的建立原子结构模型的建立o18971897年，年，J.J.Thomson: J.J.Thomson: 发现电子发现电子 1906Nobel1906NobelP P o1898-19071898-1907年年, J.J.Thomson: , J.J.Thomson: 原子结构的原子结构的“西瓜模型西瓜模型”o19111911年，年，E.Rutherfold: E.Rutherfold: a a粒子散射，粒子散射，“行星模型行星模型”， 原子由原子核和核外电子组成原子由原子核和核外电

23、子组成o19321932年，年，J.ChadwickJ.Chadwick：发现中子，：发现中子， 1935NobelP 1935NobelP 原子核由质子原子核由质子proton和中子和中子neutron组成组成至此，原子结构确立至此，原子结构确立关于原子内部粒子运动规律的认识：关于原子内部粒子运动规律的认识：量子理论的建立量子理论的建立o19001900年年, M.Planck: , M.Planck: 能量量子假说能量量子假说 1918NobelP1918NobelPo19051905年年, A.Einstein: , A.Einstein: 光光( (量量) )子子photonphoto

24、n假说假说 1921NobelP1921NobelP o19131913年，年，N.Bohr: N.Bohr: 氢原子的量子理论氢原子的量子理论 1922NobelP1922NobelPo19241924年，年，de Broglie: de Broglie: 物质波假说物质波假说 1929NobelP1929NobelPo19251925年，年，W.Heisenberg: W.Heisenberg: 矩阵力学矩阵力学 1932NobelP1932NobelPo19261926年，年，E.SchE.Schdinger: dinger: 波动力学波动力学 1933NobelP1933NobelPo

25、19261926年，年，M.Born:M.Born:波函数的统计解释波函数的统计解释 1954NobelP1954NobelPo19281928年，年，P.Dirac: DiracP.Dirac: Dirac方程方程 1933NobelP1933NobelPo原子物理发展简史：原子物理发展简史： 量子理论的建立量子理论的建立o到到19301930年代，经过年代，经过 Planck, Einstern, Bohr, de Broglie, Planck, Einstern, Bohr, de Broglie, Heisenberg, Schodinger, Dirac, Born, Feynma

26、nnHeisenberg, Schodinger, Dirac, Born, Feynmann等人等人的努力，量子力学的完整理论基本建立起来的努力，量子力学的完整理论基本建立起来量子力学相 对 论近代物理学与原子物理、量子力学相关的部分诺贝尔奖获得者 学习建议学习建议o原子物理学研究微观规律，概念和理论常常与常识相矛原子物理学研究微观规律，概念和理论常常与常识相矛盾，其正确性由实验验证盾，其正确性由实验验证o我们的课程：开始是按历史发展的过程，介绍物理学家我们的课程：开始是按历史发展的过程，介绍物理学家“实验实验理论理论实验实验”，逐步修正错误走向真理的过程，逐步修正错误走向真理的过程，然后用量子力学的结论研究原子的性质然后用量子力学的结论研究原子的性质o新眼光、新思维，勤思考、多理解新眼光、新思维，勤思考、多理解o盖尔曼：盖尔曼：量子力学是一门量子力学是一门“十米的、令人捉摸不透的学科，十米的、令人捉摸不透的学科，我们谁都谈不上真正