原子物理0名师优质课赛课一等奖市公开课获奖课件

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第1页物理学是研究物质结构、相互作用和物质运动最基本、最普遍规律科学，它研究对象十分广泛。

空间尺度（相差1046）

1026

m（约150亿光年）（宇宙）——10-20m（夸克）时间尺度

（相差1045）1018

s（150亿年）（宇宙年纪）——10-27

s（硬射线周期）速率范围

0（静止）——3108m/s（光速）不一样尺度和速度范围对象要用不一样物理学研究第2页第3页102510-2510-1510-2010-1010-511051015102010101021041061081010相对论物理经典物理量子物理?人类活动尺度(cm)速度(cm/s)第4页物质世界结构实物分子原子原子核质子中子夸克电子(轻子)场规范粒子宇宙大爆炸标准模型粒子物理标准模型宇宙费米子第5页1m10-2010-1510-1010-5101510510101025

1020W++粒子微观介观宏观宇观山太阳系地球星系团星系原子原子核DNA人第6页

原子物理学是研究原子结构、性质及其运动规律一门科学。第7页“原子”一词来自希腊文，含义是“不可分割”。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，并把它看成物质最小单元。第8页18，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小球，它们是物质世界基本结构单元，是不可分割。In1807,anEnglishscientistcalledJohnDaltonputforwardhisideasaboutatoms.Fromhisexperimentsandobservations,hesuggestedthat:Atomswereliketiny,hardballs.Eachchemicalelementhaditsownatomsthatdifferedfromothersinmass.Daltonbelievedthatatomswerethefundamentalbuildingblocksofnatureandcouldnotbesplit.Inchemicalreactions,theatomswouldrearrangethemselvesandcombinewithotheratomsinnewways.第9页道尔顿用他学说说明了化学中物质不灭定律等。道尔顿原子说是依据事实概括结果，能够用来研究和发觉新现象，所以比古代原子说更深入。第10页十九世纪末二十世纪初，一些试验现象相继发觉，如电子、X射线和放射性元素发觉表明原子是能够分割，它含有比较复杂结构。那么，原子是怎样组成？原子运动规律怎样？这就是原子物理学要研究问题。第11页ThetopphysicistsofalltimePhysicsWorld第12页第1章原子基本情况1.1原子质量和大小各种原子质量不一样．在化学和物理学中惯用它们质量相对值。现在把碳在自然界中最丰富一个同位素质量定为12.000个单位作为原子质量标准，其它原子质量同碳12比较，定出质量，称为原子量。比如氢原子量是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。第13页知道了原子量，就能够求出原子质量绝对值：其它原子质量可一样算出，最大原子质量是这个值二百几十倍。由(1)式可算出氢原子质量为：(1)其中，A

为原子量，MA为原子质量，N0为阿伏伽德罗常数。第14页原子大小可按下述几个方法预计：(1)对任意一个原子AX，A克X原子含有N0个X原子，假如这种原子质量密度是(克/厘米3)，设原子半径为r，则有：(2)依据气体分子平均自由程由试验测出及分子数密度n，即可算出r。简单分子半径数量级与组成该分子原子半径相同。对单原子分子，r就是原子半径。第15页(3)由范德瓦尔斯方程：b值按理论应等于分子所占体积四倍，由试验测出b，就可算出分子直径，其数量级和原子半径相同。用不一样方法估算出原子半径有一定偏差，但数量级相同，都是10-10米。第16页1.2电子发觉1833年，法拉第(M．Faraday)提出电解定律，依此推得：一摩尔任何原子单价离子永远带有相同电量。这个电量，就是法拉第常数F，其值是法拉第在试验中首次确定。1874年，斯通尼(G.J.Stoney)指出，电离后原子所带电荷为一基本电荷整数倍，并推算出这一基本电荷近似值(e=F/N0)。在1881年，斯通尼提出用“电子”命名基本电荷。第17页1897年，英国物理学家汤姆逊(JosphJohnThomson)从试验确认了电子存在，测出了电子菏质比e/me。因为电子发觉，汤姆逊被人们誉为：“一位最先打开通基本粒子物理学大门伟人。”并所以被授予19诺贝尔物理奖。J.J.Thomson，19诺贝尔物理奖得主第18页19，美国物理学家密立根(R.A.Millikan)经过著名“油滴试验”准确地测定了电子电量。以后又经过几年重复测定，得出：现在公认值为：依据电子电量及荷质比e/me，可定出电子质量为：美国物理学家密立根(R.A.Millikan)，因电子电荷测定被授予1923年诺贝尔物理奖。第19页两个小插曲：

早在1890年，休斯特(A．schuster)就曾研究过氢放电管中阴极射线偏转。且算出组成阴极射线微粒荷质比为氢离子荷质比千倍以上。但他不敢相信自己测量结果，而以为“阴极射线粒子质量只有氢原子千分之一还不到”结论是荒谬；相反，他假定：阴极射线粒子大小与原子一样，而电荷却较氢离子大。1897年，德国考夫曼(W．Kaufman)做了类似试验，他测到e/me数值远比汤姆逊要准确，与当代值只差1％。他还观察到e/me值随电子速度改变而改变。不过，他当初没有勇气发表这些结果，因为他不认可阴极射线是粒子假设。直到19，他才把结果公布于世。第20页电子发觉之后，人们意识到原子中存在电子，它质量只是整个原子很小一部分；电子带负电，而原子是电中性，这就意味着原子中还有带正电部分，它占有着原子绝大部分质量。那么原子中带正电部分，以及带负电电子，在大小为10-10米范围内是怎样分布、怎样运动呢？汤姆逊发觉电子之后，人们对原子中正、负电荷怎样分布问题，提出了许多看法。1.3原子核式结构第21页1898年，Thomson提出了“布丁模型”(也被称为“西瓜模型”)。汤姆逊模型第22页19，德国物理学家林纳德(P.Lenard)在试验中发觉“原子内部是十分空虚”。P.Lenard(1862~1947),19诺贝尔物理奖得主。在P.Lenard基础上，长冈半太郎(HantaroNagaoka)提出了原子土星模型，认为原子内正电荷集中于中心，电子绕中心运动，但他没有深入下去。长冈半太郎土星模型第23页长冈土星模型HantaroNagaoka第24页19，英国物理学家卢瑟福(E.Rutherford)在他学生盖革(H.Geiger)和马斯登(E.Marsden)帮助下，发觉粒子轰击原子时，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试验结果做出解释。卢瑟福依据试验结果于19提出了原子“核式结构模型”(也被称为“卢瑟福行星模型”)E.Rutherford，19诺贝尔化学奖得主，外号：鳄鱼。卢瑟福核式结构模型(行星模型)第25页1.3.1粒子散射试验

粒子为氦核，以~c/15轰击金箔，在原子中带电物质电场力作用下，使它偏离原来入射方向，从而发生散射现象。氦核质量是电子质量7300多倍，所以粒子运动基本不受电子影响。试验结果表明：绝大部分粒子经金箔散射后，散射角很小（2~3），但有1/8000粒子偏转角大于90，甚至被反射回来。粒子镭放射源荧光屏显微镜金箔第26页汤姆逊模型无法解释粒子散射试验中大角度散射

第27页对于汤姆逊模型，粒子受到原子正电荷最大作用力为：R为原子半径。粒子每次碰撞最大偏转角为：依据上式，能量为5MeV粒子在金(Au,Z=79)箔上散射，每次碰撞最大偏转角即使要引发1偏转，也必须经过屡次碰撞才有可能。因为每次碰撞偏转方向是随机，所以发生大角度偏转概率是非常低，计算表明，发生90散射概率为10-3500！而试验结果却是1/8000。pp第28页依据汤姆逊模型能够估算出粒子散射试验中发生90散射概率为10-3500，粒子被反射回来“就象一枚15英寸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）第29页为了解释粒子散射试验结果，卢瑟福提出了“核式结构模型”。第30页第31页1.3.2粒子散射理论b+Ze+2emvr设有一个粒子射到一个原子附近，二者之间有库仑斥力。在原子核质量比粒子质量大得多情况下，能够认为前者不会被推进。粒子受库仑力作用而改变运动方向，以下列图所表示。图中v是粒子原来速度，b是原子核离粒子原运动路径延长线垂直距离，称为瞄准距离。由力学原理能够证实粒子偏转角与瞄准距离b有以下关系：(1)式中m是粒子质量。(1)第32页下面我们来证实(1)式由牛顿定律有：由库仑定律有：xy依据上两式可知：(*)b+Ze+2emvr第33页因库仑力是中心力，而中心力满足角动量守恒，所以有其中L为常数，代表粒子角动量大小。把上式代入(*)式并整理，可得：上式两端同时积分(其中和分别代表粒子初速度和末速度)并代入可得：b+Ze+2emvr第34页由此可见而由矢量图可知b+Ze+2emvr第35页所以可知即最终再把代入上式即可得出：此即(1)式。从(1)式能够看出，

与

b有对应关系：b

大，

就小；b小，

就大；对其一b，有一定与之对应。第36页(2)凡经过图中所表示以b为外半径、b-db为内半径那个环形面积粒子，必定散射到角度在和+d之间一个空心圆锥体之中。环形面积等于那些瞄推距离在b和b-db之间粒子，散射后，必定向着和+d之间角度射出，以下列图所表示。第37页此即卢瑟福散射公式。d是粒子散射到与+d之间立体角d内每个原子有效散射截面，又称微分截面。(2)式可用空心圆锥体立体角表示以代替d。由下列图可知，这里立体角与d有以下关系：代入(2)式，可得(3)第38页试验中是用粒子轰击金箔(即金薄膜)中金原子核，设薄膜面积为A，厚度为t，假如单位体积中原子数为N，那么薄膜中原子核总数是设薄膜很薄，这些原子核前后不相互遮蔽，每个原子核都对应着一个面积为d环面，打在这些环面上粒子都将被散射到~+d之间立体角d内，所以薄膜上散射到~+d之间总有效散射截面是At假如有n个粒子射在这薄膜全部而积A上，其中有dn个散射到~+d之间，则应有：(4)第39页把(4)式代入(3)式，可得(5)

实际测量时，不取与+d之间全部立体角，也就是不采取图6中环形带所张全部立体角。测量荧光屏只在不一样方向张了一个小立体角d，实际测得粒子数是在d中dn

。但很轻易了解，相同时，dn

／d

＝dn／d。所以(5)式与试验查对时，用dn

／d

代替dn／d。第40页粒子散射公式惯用形式：第41页1.3.3卢瑟福理论试验验证假如卢瑟福模型是有道理，那么试验结果应该与理论公式(5)相符合。从(5)式能够看到以下四种关系：(1)在同一粒子源和同一散射物情况下，(dn

／d

)sin4(/2)＝常数；(2)用同一粒子源和同一个材料散射物，在同一散射角处，(dn

／d

)与散射物厚度t成正比；(3)用同一散射物，在同一散射角，(dn

／d

)v4＝常数；(4)用同一粒子源，在同一散射角，对同一Nt值，dn

／d与Z2成正比。19盖革和马斯顿又仔细地进行了粒子散射试验，所得结果完全证实了上述前三项关系，关于第四项当初未能准确测定，过了几年也证实了。第42页表1粒子在不一样角度散射第43页1.3.4原子核大小推断由此式，知道了散射物Z和粒子原有速度v，从观察到散射角，就能够推算粒子离原子核最近距离rm，越大，rm越小。按理论来推算粒子到达离原子核最小距离，这也就是原子核半径上限。设粒子离原子核很远时速度是v，到达离原子核最小距离rm处速度是v。按能量守恒定律，(6)又因为物体在有心力场中运动，角动是守恒。所以可知(7)由(6)、(7)及(1)式可得：(8)第44页

从以上讨论可见，粒子散射试验与理论充分证实了原子核式结构。在这个结构中，有一个带正电中心体原子核，所带正电数值是原子序数乘单位正电荷。原子核半径在10-15到10-14米之间。原子核外边散布着带负电电子。但原子质量绝大部分是原子核质量。这么一个原子核式模型在卢瑟福提出后很快被大家接收，认为它代表了原子真实情况。第45页原子核电子卢瑟福原子模型第46页卢瑟福手迹第47页卢瑟福“行星模型”意义1.最主要意义是提出了原于“核式结构”，即提出了以核为中心慨念，从而将原子分为核外与核内两个部分，并发大胆地认可了高密度原子核存在。卢瑟福散射不但对原子物理起了很大作用，而且这种以散射为伎俩研究物质结构方法对近代物理一直起着巨大影响。卢瑟福散射为材料分析提供了一个伎俩。第48页卢瑟福“行星模型”困