原子物理绪论实用教案

1、会计学1原子物理绪论原子物理绪论(xln)第一页，共27页。各章节各章节(zhngji)课时安排课时安排第五章第五章 10 10课时课时(ksh)(ksh)第六章第六章 8 8 课时课时(ksh)(ksh)第七章第七章 6 6 课时课时(ksh)(ksh)第八章第八章 2 2 课时课时(ksh)(ksh)机机 动动 8 8 课时课时(ksh)(ksh)绪绪 论论 2 2 课时课时(ksh)(ksh)第一章第一章 6 6 课时课时(ksh)(ksh)第二章第二章 10 10课时课时(ksh)(ksh)第三章第三章 10 10课时课时(ksh)(ksh)第四章第四章 10 10课时课时(ksh)(

2、ksh)第1页/共27页第二页，共27页。第2页/共27页第三页，共27页。第3页/共27页第四页，共27页。物理学全明星梦之队物理学全明星梦之队德布罗意第4页/共27页第五页，共27页。n 物理学是研究物质运动的最一般规律和物质基本结构的科学。物理学是研究物质运动的最一般规律和物质基本结构的科学。n 原子物理学是物理学的一个分支，是研究原子、分子、原子核等原子物理学是物理学的一个分支，是研究原子、分子、原子核等微观粒子运动规律的一门基础学科，也就是关于物质微观结构的一微观粒子运动规律的一门基础学科，也就是关于物质微观结构的一门科学。门科学。n 原子物理学所形成的物理思想，物理图象和实验方法原

3、子物理学所形成的物理思想，物理图象和实验方法(fngf)可为可为化学、生物、材料科学等学科提供指导。化学、生物、材料科学等学科提供指导。第5页/共27页第六页，共27页。 虽然原子概念的提出已有两千多年的历史，虽然原子概念的提出已有两千多年的历史，但是我们要讲授的原子物理学是在但是我们要讲授的原子物理学是在2020世纪初开始世纪初开始形成的一门学科，它是随着近代物理学的发展形成的一门学科，它是随着近代物理学的发展(fzhn)(fzhn)而发展而发展(fzhn)(fzhn)起来的。起来的。 原子这个层次，介于分子和原子核两层次之原子这个层次，介于分子和原子核两层次之间（如图所示）。间（如图所示）

4、。 量子量子(lingz(lingz) )阶梯阶梯 第6页/共27页第七页，共27页。 原子是物质结构的一个原子是物质结构的一个(y )层次层次L L L固态固态(gti)、液态、气态、等离子态、液态、气态、等离子态分子、离子、原子分子、离子、原子(yunz)集团集团原原 子子电子、原子核（质子、中子）电子、原子核（质子、中子）基本粒子基本粒子第7页/共27页第八页，共27页。 原子原子(yunz)物理学的研究方法物理学的研究方法 物理学是一门实验物理学是一门实验(shyn)(shyn)科学。原子的结构和运动规律科学。原子的结构和运动规律是由物理学实验是由物理学实验(shyn)(shyn)得到

5、的。得到的。转实验化学实验、阴极射线偏原子粒子散射实验核外电子原子核光谱学实验高能物理实验运动、相互作用电子的轨道运动、自旋粒子、质子、中子、其它基本第8页/共27页第九页，共27页。 原子原子(yunz)是微是微观系统观系统l 其运动规律不能简单地用经典物理学的规律描述。其运动规律不能简单地用经典物理学的规律描述。l 有关原子物理学的内容有关原子物理学的内容(nirng)(nirng)，被称为，被称为“近代物理学近代物理学”（Modern PhysicsModern Physics） 原子是一种物理原子是一种物理(wl)模模型型l 由物理实验得到物理现象由物理实验得到物理现象l 由物理现象归

6、纳出物理规律由物理现象归纳出物理规律l 由物理规律抽象出物理模型由物理规律抽象出物理模型l 由物理模型建立物理学的理论体系由物理模型建立物理学的理论体系原子模型原子模型第9页/共27页第十页，共27页。n早期早期(zoq)(zoq)的原子的原子论论 “原子原子”一词来自希腊文，意思一词来自希腊文，意思(y s)是是“不可分割的不可分割的”。 国外：两种观点国外：两种观点公元前公元前4 4世纪世纪 万物的本原是原子万物的本原是原子 (atom) 和虚空，和虚空，物质由许多极小的微粒构成，最小的原子不可再分。物质由许多极小的微粒构成，最小的原子不可再分。代表人物：代表人物：德谟克利特德谟克利特 万

7、物由水气火土（以太）组成；万物由水气火土（以太）组成；物质是连续的，可以无限地分割下去物质是连续的，可以无限地分割下去代表人物：代表人物：亚里士多德亚里士多德 “吾爱吾师，吾更爱真理吾爱吾师，吾更爱真理”； “法律是不受情欲影响的理智法律是不受情欲影响的理智” ；主张学生德智体美全面发展；主张学生德智体美全面发展第10页/共27页第十一页，共27页。我我 国：两种观点国：两种观点(gundin)(gundin)战国时期战国时期（公元前（公元前476-221476-221年年 ）墨家：主张物质墨家：主张物质(wzh)(wzh)不可无限分割不可无限分割 “端：体之无序最前者也。端：体之无序最前者也

8、。” 墨经墨经 “其小无内，谓之小一。其小无内，谓之小一。” 惠施惠施 “语小，天下莫能破焉。语小，天下莫能破焉。” 中庸中庸 公孙龙：主张物质公孙龙：主张物质(wzh)(wzh)可以无限分割的可以无限分割的 “一尺之棰，日取其半，万世不竭。一尺之棰，日取其半，万世不竭。” 五行说：五行说：物质由金、木、水、火、土构成物质由金、木、水、火、土构成 阴阳说：阴阳说：物质由阴、阳二气组成物质由阴、阳二气组成 第11页/共27页第十二页，共27页。n初期初期(chq)(chq)的原子学的原子学说说 建立在科学基础上的原子学说是到了近二三百年内才发展的。到建立在科学基础上的原子学说是到了近二三百年内才

9、发展的。到1919世纪末，人们开始确切地认识到，原子只不过是物质结构的一个层次，导致世纪末，人们开始确切地认识到，原子只不过是物质结构的一个层次，导致(dozh)(dozh)这一结论的重要发现有：这一结论的重要发现有： 18061806年，法国普鲁斯脱发现定比定律年，法国普鲁斯脱发现定比定律18071807年，英国道尔顿发现倍比定律年，英国道尔顿发现倍比定律18081808年，法国盖年，法国盖吕萨克发现吕萨克发现 气体的体积气体的体积(tj)(tj)成简比的定律成简比的定律18111811年，意大利阿伏加德罗提出阿伏加德罗定律年，意大利阿伏加德罗提出阿伏加德罗定律18261826年，英国布朗发

10、现布朗运动年，英国布朗发现布朗运动18331833年，英国法拉第提出电解定律年，英国法拉第提出电解定律18691869年，俄国门捷列夫提出元素周期律年，俄国门捷列夫提出元素周期律 实验总结，认识到原子是物质结构的一个层次实验总结，认识到原子是物质结构的一个层次 第12页/共27页第十三页，共27页。世纪之交的三大世纪之交的三大(sn (sn d)d)发现发现 1895 1895年德国物理学家伦琴（年德国物理学家伦琴（W.K.RontgenW.K.Rontgen）发现）发现(fxin)X(fxin)X射线。获得首届诺贝尔物理学奖（射线。获得首届诺贝尔物理学奖（19011901年）。年）。 189

11、7 1897年英国物理学家汤姆逊（年英国物理学家汤姆逊（J.J.ThomsonJ.J.Thomson）发现）发现(fxin)(fxin)电子。获电子。获得了得了19061906年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。 1896 1896年法国物理学家贝克勒尔（年法国物理学家贝克勒尔（A.H.BecquerelA.H.Becquerel）发现）发现放射放射性性。与居里夫妇共同获得。与居里夫妇共同获得19031903年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。第13页/共27页第十四页，共27页。n量子力学量子力学(lin(lin z z l xu)l xu)的建立的建立 1900 1900年，普朗克

12、（年，普朗克（PlanckPlanck）把多人关于黑体辐射的研究结果进一步研究以后，提出了量子论。他在德国物理学年会上）把多人关于黑体辐射的研究结果进一步研究以后，提出了量子论。他在德国物理学年会上(hu shn(hu shn) )提出了一个黑体辐射能量分布公式：提出了一个黑体辐射能量分布公式： 3381( , )1hkThTce 此式与当时测得的最精确的实验结果此式与当时测得的最精确的实验结果(ji gu)(ji gu)进行比较，发现两者以惊人的精确度相符合。进行比较，发现两者以惊人的精确度相符合。 1 1、普朗克能量子学说、普朗克能量子学说第14页/共27页第十五页，共27页。这些谐振子所

13、具有的能量是分立的，它的能量与其振动频率这些谐振子所具有的能量是分立的，它的能量与其振动频率 成正比：成正比： 。其中。其中 h h 为普朗克常数，为普朗克常数， 。 0h346.6218 10()hJ S 通过能量求和，再计算出单位体积内在附近单位频率通过能量求和，再计算出单位体积内在附近单位频率(pnl)(pnl)间隔中的辐射能量密度为：间隔中的辐射能量密度为： 581( , )1hckThcTe 这就是这就是(jish)普朗克公式普朗克公式。 为了给上述公式找到合理的理论解释，普朗克提出了能量为了给上述公式找到合理的理论解释，普朗克提出了能量(nngling)量子化的假设：量子化的假设：

14、黑体的腔壁是由无数个带电的谐振子组成的，这些谐振子不断地吸收和辐射电磁波，与腔内的辐射场交换能量黑体的腔壁是由无数个带电的谐振子组成的，这些谐振子不断地吸收和辐射电磁波，与腔内的辐射场交换能量第15页/共27页第十六页，共27页。 普朗克提出的能量量子化的假设，冲破了经典物理思想的束缚，为整个量子理论的建立开辟了道路，具有划时代的意义，它是物理学家普朗克提出的能量量子化的假设，冲破了经典物理思想的束缚，为整个量子理论的建立开辟了道路，具有划时代的意义，它是物理学家(w l xu ji)(w l xu ji)认识事物时从连续的世界向不连续的世界过渡的第一次突破。认识事物时从连续的世界向不连续的世

15、界过渡的第一次突破。 正因为普朗克在能量子学说与经典物理是如此不同，因此在普朗克公式正式提出后正因为普朗克在能量子学说与经典物理是如此不同，因此在普朗克公式正式提出后5 5年内，没有人对其加以理会，直到年内，没有人对其加以理会，直到19051905年，才由爱因斯坦作了发展，提出了光量子说支持普朗克的量子论。普朗克因此获得了年，才由爱因斯坦作了发展，提出了光量子说支持普朗克的量子论。普朗克因此获得了19181918年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 普朗克能量子学说的意义普朗克能量子学说的意义(yy)第16页/共27页第十七页，共27页。2 2、玻尔的氢原子理论、玻尔的氢原子理论(lln)(l

16、ln) 电子从能量较高的定态跃迁电子从能量较高的定态跃迁(yuqin)(yuqin)到能量较低的定态时，将放出一个光子，光子的能量等于两定态能量之差。到能量较低的定态时，将放出一个光子，光子的能量等于两定态能量之差。 定态的条件是，电子绕核运动的轨道角动量定态的条件是，电子绕核运动的轨道角动量L L必须满足量子化条件，第必须满足量子化条件，第n n个轨道角动量值为：个轨道角动量值为： ， ，这里的，这里的 n n 称为主量子数。称为主量子数。 2nhLnn1,2,3,n 在此基础上，玻尔（在此基础上，玻尔（BohrBohr）于）于19131913年提出了他的氢原子结构年提出了他的氢原子结构(j

17、igu)(jigu)理论。主要有理论。主要有3 3个要点：个要点： 应用核式模型，但突破经典物理学的限制，假定电子沿圆轨道绕核运动时，不辐射能量，而是处于稳定状态（定态）。应用核式模型，但突破经典物理学的限制，假定电子沿圆轨道绕核运动时，不辐射能量，而是处于稳定状态（定态）。第17页/共27页第十八页，共27页。玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论(lln)的意义的意义 玻尔理论突破了经典概念的束缚，提出玻尔理论突破了经典概念的束缚，提出(t ch)(t ch)了量子化条件、分立轨道、频率条了量子化条件、分立轨道、频率条件、能级跃迁等极其重要的新概念，第一次从件、能级跃迁等极其重要的新概念，第一次从理

18、论上解释了氢原子光谱频率分布的经验规律理论上解释了氢原子光谱频率分布的经验规律。 第18页/共27页第十九页，共27页。3 3、量子力学、量子力学(lin(lin z l xu)z l xu)的建立的建立这个这个(zh ge)(zh ge)理论对物理学的进一步发展起了巨大作用。理论对物理学的进一步发展起了巨大作用。 此后几年中，原子物理学发展得很快。在此后几年中，原子物理学发展得很快。在1923192319271927年间，一个关于微观体系的新理论体系年间，一个关于微观体系的新理论体系量子力学建立量子力学建立(jinl)(jinl)起来了。起来了。 从德布罗意（从德布罗意（De Broglie

19、De Broglie）的波粒二象性假设开始，起初海森堡（）的波粒二象性假设开始，起初海森堡（HersenbergHersenberg）和薛定谔（）和薛定谔（SchrodingerSchrodinger）两人几乎同时从不同的角度研究了这个问题，各自提出了自己的理论。后来证明，这两种理论是等价的。后来有其他多位学者参加，共同完善了量子力学理论。）两人几乎同时从不同的角度研究了这个问题，各自提出了自己的理论。后来证明，这两种理论是等价的。后来有其他多位学者参加，共同完善了量子力学理论。第19页/共27页第二十页，共27页。1 1、揭示物质现象和本质、揭示物质现象和本质(bnzh)(bnzh)的的基础

20、基础 事物的宏观现象丰富多彩，要揭示其内在的本质，就非从微观结构事物的宏观现象丰富多彩，要揭示其内在的本质，就非从微观结构(jigu)(jigu)入手考虑不可。很多事实都是在原子物理学发展以后，才得到了更清楚地理解。原子物理学不但对许多已知的宏观现象作了解释，而且发展了新的知识，从而使人们对物质世界有了更深入的而且比较统一的认识。入手考虑不可。很多事实都是在原子物理学发展以后，才得到了更清楚地理解。原子物理学不但对许多已知的宏观现象作了解释，而且发展了新的知识，从而使人们对物质世界有了更深入的而且比较统一的认识。 物质为什么有导体、半导体和绝缘体之分？物质为什么有导体、半导体和绝缘体之分？导热

21、率高的物体导电率也高，其内在联系是什么？导热率高的物体导电率也高，其内在联系是什么？第20页/共27页第二十一页，共27页。2 2、与其他学科、与其他学科(xuk)(xuk)的关系的关系 原子结构的知识原子结构的知识(zh shi)(zh shi)是化学与物理学的共同贡献。是化学与物理学的共同贡献。 在现代天文学中的天体物理学大部分是通过天体所发出的光谱来进行分析研究的，而光谱的理论在现代天文学中的天体物理学大部分是通过天体所发出的光谱来进行分析研究的，而光谱的理论(lln)(lln)是原子物理学中的重要内容。是原子物理学中的重要内容。 晶体结构和性质晶体结构和性质的研究需要原子结构的知识，这

22、样，原子物理学又与那些与结晶学有关系的矿物学、冶金学等学科也有关系。的研究需要原子结构的知识，这样，原子物理学又与那些与结晶学有关系的矿物学、冶金学等学科也有关系。 生物科学生物科学中引用原子物理学中的原理与技术的地方日益增加。中引用原子物理学中的原理与技术的地方日益增加。 其他科学部门，不论是基础科学或应用科学，与原子物理学也有多方面的联系。其他科学部门，不论是基础科学或应用科学，与原子物理学也有多方面的联系。 第21页/共27页第二十二页，共27页。3 3、原子、原子(yunz)(yunz)物理学物理学的作用的作用 原子物理学在生产上所起的作用是具有基本性的。原子物理学研究的是物质微观原子

23、物理学在生产上所起的作用是具有基本性的。原子物理学研究的是物质微观(wigun)(wigun)结构，这是基本知识，把它用在生产上，影响必然是深而广的。结构，这是基本知识，把它用在生产上，影响必然是深而广的。 电子器件电子器件(din z q jin)(din z q jin)电子源电子源物质的微观物质的微观结构结构 原子物理学。原子物理学。 各种金属、磁性材料、半导体等也需要原子物理学的知识。各种金属、磁性材料、半导体等也需要原子物理学的知识。 发光材料、光谱分析（冶金）、发光材料、光谱分析（冶金）、X X射线（检测）、光电管（射线（检测）、光电管（自动控制）等等，都与原子物理学有关。自动控制

24、）等等，都与原子物理学有关。 原子能和放射性的应用。原子能和放射性的应用。 原子物理学与原子物理学与现代生产有广现代生产有广泛而密切的联泛而密切的联系系 第22页/共27页第二十三页，共27页。4 4、学习、学习(xux)(xux)中应注意的中应注意的几点几点 实践是检验真理实践是检验真理(zhnl)(zhnl)的标准。的标准。 物理学发展的过程：观察到的现象物理学发展的过程：观察到的现象分析后提出假定分析后提出假定进一步推究深入的理论进一步推究深入的理论从发展的理论可以推测其他的实验结果从发展的理论可以推测其他的实验结果实验结果再反过来验证理论的正确性实验结果再反过来验证理论的正确性理论的确

25、定。理论的确定。 科学是逐步地不断地发展的。科学是逐步地不断地发展的。 对微观体系不能要求都按宏观规律来描述。对微观体系不能要求都按宏观规律来描述。 经典物理学中的规律是从宏观现象中总结出来的，不一定都适用于微观体系。微观体系自有一套规律，它不像宏观规律那样直观，我们可以通过它们所显示的宏观现象而逐步了解它们。经典物理学中的规律是从宏观现象中总结出来的，不一定都适用于微观体系。微观体系自有一套规律，它不像宏观规律那样直观，我们可以通过它们所显示的宏观现象而逐步了解它们。 要善于观察、善于学习、善于动脑、开拓进取，不断创新。要善于观察、善于学习、善于动脑、开拓进取，不断创新。第23页/共27页第二十四页，共27页。n第二章，介绍原子第二章，介绍原子(yunz)(yunz)的量子态的量子态玻尔模型。玻尔模型。n第一章，介绍第一章，介绍(jisho)