原子物理 绪论课

1、原子物理学田振 主讲Tel:Email:研究对象绪 论一、课程定位整个宇宙各层次的尺寸（ 单位m） 1026 宇宙 1020 银河系 1012 日地距离 106 地球半径 100 人 10-3 尘埃 10-6 细胞、大分子、分子 10-10 原子 10-15 原子核 10-18 基本粒子课程定义：研究原子内部结构、相互作用及其运动规律的物理学分支原子宇观宏观微观二、原子物理学发展简史1、古人对物质结构的探讨与认识国外 古希腊（B.C.400) 德膜克利特：万物的本原是原 子(atom)和虚空。atom，希腊文的原意就是“不可分割性” 亚里士多德：万物由水气火土（以太）组成；物质无限可分中国，年

2、 战国时期墨翟，墨经中，“端，体之无序而最前者也” 当连续递进分割过程，至先后次序将不复存在时，端将是最后的分析结果 公孙龙，一尺之棰，日取其半，万世不竭五行说：物质由金、木、水、火、土构成 阴阳说：物质由阴、阳二气组成 直觉、猜想、思辨 2、19世纪，建立了原子学说19世纪初，普鲁斯脱（法）、道尔顿（英）：定比定律、倍比定律 原子学说；阿佛伽德罗定律布朗运动 气体压强、温度、比热的解释1833年 法拉第 电解律 电的基本单元的存在 实验总结，认识到原子是物质结构的一个层次 3、19世纪末20世纪初，建立了严格的原子物理理论量子力学。重大发现有： 原子是化学元素的最小单元，一种化学元素是不能用

3、化学方法再进行细分的纯物质。1869， 周期表发现， 门捷列夫1885， 氢原子光谱规律发现，巴耳末1895， X射线发现， 伦琴1896， 放射线发现， 贝克勒耳1897， 电子发现， 汤姆逊1900， 能量子概念建立，普朗克1911，原子核式结构建立，卢瑟福1913，玻尔量子理论建立，玻尔1925前后，量子力学建立， 揭开了近代物理的序幕 原子物理的新篇章 对原子这一层次的认识，从实验到理论获得比较完全的认识。4、20世纪初至现在，对物质结构的认识不断地深入，原子-原子核-基本粒子-夸克, 第三次科技革命TEM（透射电子显微镜1931） STM image（1982）1993年“量子围栏”

4、48个铁原子排列在铜表面证明电子的波动性二.原子物理学研究方法 从光谱及实验资料入手，分析规律提出假设建立模型实验验证形成理论 1993年“量子围栏”48个铁原子排列在铜表面证明电子的波动性三.原子物理学研究方法 从光谱及实验资料入手，分析规律提出假设建立模型实验验证形成理论 五、课程目标四、课程特点1、新的概念、原理较抽象，不够直观 2、重实验，理论由实验建立，不完全靠逻辑推理从理论推导出实验结果1.初步建立描述微观世界的物理图像，2.理解适应微观世界的新概念，3.掌握处理微观世界物理问题的新方法4.为后续量子力学课程的学习奠定基础。 1.教材：原子物理学褚圣麟 编，1979年，高等教育出版

5、社2.主要参考书 :原子物理学，杨福家，高等教育出版社3.其它参考书：（1）周绍森,原子物理学，华东师范大学出版社.（2）张延惠等编，原子物理教程，山东大学出版社（3）史斌星，量子物理学 清华大学出版社（4）王正行.近代物理学.北京大学出版社,1995.1.（5）王永昌.近代物理学.高等教育出版社，2006. 六、参考文献、对课程学习的要求 第一章原子的基本状况原子的质量和大小一、原子的质量1.绝对值：用千克或克为单位表示H：1.67310-27kg 12C：1.99410-26kg2.相对值原子量 原子质量单位：原子量：原子包含原子质量单位(1u)的数目 H：1.0079 C：12.011

6、O：15.999 Cu：国际单位制(SI)原子量也等于1mol原子的绝对质量1mol物质含有的基本单元数为NA，原子量可用化学的方法测定3、阿佛加德罗常数NoNo是联系微观物理量与宏观物理量的纽带。 1假设晶体中原子是相互接触的球体， 经计算, 在10-10m范围内2利用气体的平均自由程：3范德瓦尔斯方程其中 ， 是分子体积。 二、原子的大小元素质量数A质量密度(g/cm3)原子半径r/nm不同原子的半径现代方法: 用扫描隧道显微镜和电子显微镜直接测量 晶体的X-ray 散射法数量级是相同的，都是10-10米问题：为什么不同原子的半径几乎差不多？汤姆逊的发现 1897年，汤姆逊通过阴极射线管的

7、实验，发现了电子，并进一步测出了电子的荷质比:e/m汤姆逊被誉为:“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人.” 图J.J.汤姆逊正在进行实验 1.2-1 原子的核式结构一.电子的发现B_+E阴极射线是低压放电过程中出现的一种现象。汤姆逊最杰出的贡献是测定了阴极射线带电微粒的荷质比q/m测量的原理:利用静电偏转与磁偏转平衡的条件qE=qvB -V=E/BqvB=mv2/R 由以上两式可得带电粒子的荷质比为 q/m=E/RB2微粒的荷质比为氢离子荷质比的千倍以上阴极射线质量只有氢原子质量的千分之一还不到 电子 1890年，休斯脱 , 1887年考夫曼做了类似的实验他测得的荷质比的数值比汤姆逊的还

8、要精确，他还发现荷质比随粒子速度的改变而改变。但是他当时没有勇气发表这些结果，他不相信阴极射线是由粒子组成的。直到1901年他才公布自己的实验结果.汤姆逊以惊人的胆识同传统观念决裂，勇敢地确认了有比氢原子小得多的微粒电子存在，而被誉为最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人。由此他获得了1906年诺贝尔物理学奖.1910年密立根(R.A. Millikan)在著名的“液滴实验”中，精确测定了电子电荷，他的数值为：1.591019库仑，很多年来一直被认为是最精确的数值，获1923年诺贝尔物理学奖e=1.6021773310-19C，m=9.109389710-31kg。二、 汤姆逊原子模型葡萄干蛋糕

9、模型 1903年 汤姆逊 “葡萄干蛋糕”或“西瓜”模型或“枣糕式模型”原子中正电荷和质量均匀分布在原子大小的弹性实心球内，电子就象西瓜里的瓜子那样嵌在这个球内。 成功之处：解释（1）原子发光：是电子在其平衡位置作简谐振动的结果（2）元素周期表：假设电子分布在一个个圆环上困难：该模型所预言的原子光谱与实验观测的数据完全不符，特别是粒子散射实验否定了汤姆逊的原子模型。1）长冈半太郎的土星型模型（1904）：原子内的正电荷集中于中心，电子均匀地分布在绕正电球旋转的圆环上。2）勒纳德的配对模型三、其它模型1903年起，较高速的电子很容易穿透原子四、粒子散射实验检验汤姆逊模型的正确性目的原理高速带电粒子

10、轰击原子,使之与原子发生相互作用并引起可以观察到的散射现象. 散射：粒子流射入物体，与物体中的粒子相互作用，传播方向改变的现象。1909 卢瑟福指导 盖革 马斯顿 卢瑟福187119371898年，在研究放射性时发现和射线在1903-1906年证明射线中的粒子(粒子)就是氦离子He2(氦原子核)，其速度达光速的1/15，质量约为电子质量的7300倍，因而具有很高的能量。可用这样的高速粒子作为炮弹轰击原子，来探索原子的内部结构。 1908年因对放射化学的研究荣获诺贝尔化学奖。“我观察到许多由一种物质变为另一种物质的嬗变现象，但从来没有看到过象我这样变化得这么快，一夜之间由一个物理学家转变为化学家

11、。” ( a) 侧视图 (b) 俯视图R:放射源 F:散射箔S:闪烁屏 B:圆形金属匣A:带刻度圆盘 C:光滑套轴T:抽空B的管 M:显微镜 实验装置和模拟实验2、实验装置及结果1.设计思想粒子散射应当与原子内部正电荷分布情况相关！ 结果：绝大多数散射角小于2度；约1/8000 散射角大于90度，有的几乎达180度。 大角散射是值得注意的现象。“然后，我记得是在两三天以后，盖革十分兴奋地跑来告诉我，我们已经能够看到某些散射粒子向后方跑出来了那直是我一生中从未有过的最难以置信的事件，它几乎就象你用15吋的炮弹射击一张薄纸，结果炮弹返回来击中了你那样也令人难以置信！” 卢瑟福 3.汤姆逊模型的困难

12、 近似1：不考虑电子的影响近似2：只受库仑力的作用。 当rR时当rR时当r=R时FvmP+Ze按照西瓜模型，原子只对掠过边界（R）的粒子有较大的偏转。EK= MeV ， Z(金)=79 ， max10-3弧度o。西瓜模型下，单次碰撞不可能引起大角散射！多次散射呢？ 多次散射引起的偏转角仍很小，在1度左右。 要发生大于90o的散射，需要与原子核多次碰撞，其几率为10-2000!远小于实验测得的大角度散射几率1/8000 。“而当我做出计算时看到，除非采取一个原子的大部分质量集中在一个微小的核内的系统，否则是无法得到这种数量级的任何结果的，这就是我后来提出的原子具有体积很小而质量很大的核心的想法。

13、” 卢瑟福困难：作用力F太小，不能发生大角散射。解决方法：减少带正电部分的半径R，使作用力增大。五、卢瑟福的原子模型及卢瑟福散射公式1、卢瑟福的原子核式模型1911年提出：原子由带原子全部正电荷并几乎占有原子全部质量的微小中心核以及绕核运行的电子所组成。后者认为正电荷均匀分布在整个原子体积内；前者认为正电荷集中分布在占原子大小万分之一的小范围内卢瑟福模型与汤姆逊模型的主要区别：库仑排斥力:西瓜模型核心模型对粒子散射实验的定性解释：(1)绝大部分粒子只是从原子核周围穿过，偏转角很小，(2)有少数粒子有可能从原子核附近通过，就会有较大的偏转，(3)极少数正对原子核入射的粒子就有可能反弹回来。 汤姆逊正在进行实验本节内容回顾葡萄干蛋糕模型（西瓜式模型）粒子散射实验原子的核式结构模型