原子物理课件绪论及第一章

原子物理

明德博学，求是志远教学为本，质量立校绪论

1．基本内容物理学研究物质运动的规律和物质的基本结构，原子物理学研究原子的结构、性质及其有关问题。物质的层次：物质<分子<原子<原子核、电子<质子、中子<…2．发展简史（1）朴素的古代原子论古希腊德谟克利特（Democritus，约公元前460年-370年）认为：物质都是由一些坚硬地、不可再分的微粒构成的，命名为atom，即“原子”。亚里士多德（Aristoteles，约公元前384年-322年）认为：物质是可以无限止地分割下去的。

墨翟（公元前468-376）：“端：体之无序最前者也。”即“端”是组成物体的不可分割的最原始的东西。公孙龙（公元前468-376）："一尺之棰，日取其半，万世不竭。"也就是说物质是无限可分的。中国1807年，英国化学家道尔顿提出：一切物质都由极小的微粒--原子组成。不同的物质，含有不同的原子，不同的原子具有不同的性质、大小和不同的质量。道尔顿首先创立了原子量的概念。1811年，意大利物理学家阿伏伽德罗提出了分子的概念，他认为物质是由分子构成的，分子才是由原子构成的。（2）原子物理学的发展

19世纪末的三大发现：X射线：1895年德国物理学家伦琴发现了X射线，1901年荣获首届诺贝尔物理学奖金。放射性：1896年法国物理学家贝克勒尔发现了放射性，分享了1903年诺贝尔物理学奖金。电子：1897年英国物理学家汤姆逊发现了电子，这是人类发现的第一个从原子中分离出来的更小的微粒。电子、X射线和放射性的发现，揭示出原子还有内部结构。原子的大门终于打开了，以后，原子物理学的发展可以说是突飞猛进的。（3）原子物理学迅速发展原子结构模型的建立19世纪，大量的科学发现，使人们认识到，原子是物质结构的一个层次；人们不禁要问原子的结构又怎样？1904年汤姆孙发现电子提出枣糕模型1911年卢瑟福提出原子的核式结构模型1913年，丹麦物理学家玻尔提出原子的玻尔模型科学发现1806年，法国普鲁斯特发现化合物分子的定比组成定律；1807年，英国道尔顿发现倍比定律，并第一次明确提出原子论；1808年，法国盖·吕萨克发现气体化合时，各气体的体积成简比的定律；1811年，意大利化学家阿伏伽德罗提出阿佛伽德罗假说：同体积气体在同温同压下含有同数目的分子；1833年，英国法拉第提出电解定律；1869年，俄国门捷列夫提出元素周期律。枣糕模型返回核式结构模型返回玻尔模型两条基本假设：定态假设角动量量子化假设返回原子物理学地位与辉煌诺贝尔物理学奖按年代分布原子物理学的新阶段空间技术和空间物理学激光技术原子碰撞物理研究极端物理条件（高温、低温、高压、强场等）下和特殊条件（高激发态、高离化态）下原子的结构和物性的研究

返回3.原子物理学和其他学科的关系按物质结构的层次，近代物理学可以分成五个分支学科：①粒子物理②原子核物理③原子与分子物理④凝聚态物理⑤天体物理其他重要的基础学科和技术发展也都要以原子物理为基础返回

认识发展规律：分析观察到的实验事实、自然现象与现有理论的矛盾--->做出假设，提出新的模型和概念--->推出新理论--->预测新的实验现象---->实验验证......五步循环发展。注意微观与宏观的区别：微观现象需由量子理论来描述，宏观现象是由经典理论描述的，而经典理论只是量子理论的近似。杨福家说：所谓智能，是指人们运用知识的才能；培养智能，主要是培养自学能力、思维能力、表达能力、研究能力和组织管理能力。知识的增长必然孕育着新问题的产生。4．两点建议

一、原子的质量质量最轻的氢原子：1.673×10-27kg含量最丰富的原子12C：1.994×10-26kg原子质量的数量级：10-27kg——10-25kg1．原子质量的单位原子质量单位u：规定自然界中最丰富的一种元素12C的质量为1/12：

1u=1.994×10-26kg/12=1.661×10-27kg第一章原子的核式结构§1.1原子的质量和大小

2．阿伏伽德罗定律一摩尔任何原子的数目都是，，称为阿伏伽德罗常数。元素的摩尔质量为A（g），则：

是物理学中一个很重要的常数，它是联系微观物理学和宏观物理学的纽带，如前所述，它将微观量和宏观量联系了起来。

是联系宏观与微观的一个物理量(1)(2)

1．设原子的半径为r，在晶体中按一定的规律排列，晶体的密度为,原子量为A，则原子的体积为：二、原子的大小在10-10m范围内。此处，又成了与A、的纽带。

3．从范德瓦尔斯方程测定原子的大小2．从气体分子运动论可以估计原子的大小气体的平均自由程：测出，n，求出r，其中n是单位体积中的分子数。其中，定出，是分子（所占）体积。一．电子的发现1897年，英国著名物理学家J.J.汤姆逊从实验上确认电子的存在。阴极射线产生加电场E后，射线偏转

阴极射线带负电

再加磁场B后，射线不偏转

去掉电场E后，射线成一圆形轨迹

求出荷质比。§1.2卢瑟福的核式结构模型

至今我们已了解到原子中存在电子，它的质量只是整个原子质量的极小的一部分，电子带负电，而原子则是中性的，那意味着原子中还有带正电的部分，它负担了原子质量的绝大部分。问题：在大约10-10m的范围内，带负电、质量很小的电子与带正电的、质量很大的部分是如何分布、如何运动的？

汤姆逊模型：“西瓜模型”或“葡萄干面包”模型。原子发光：是电子在其平衡位置作简谐振动的结果，原子所发出的光的频率就相当于这些振动的频率。困难：勒纳特电子散射实验，α粒子散射实验。

(a)侧视图(b)俯视图。R:放射源；F:散射箔；

S:闪烁屏；B:金属匣α粒子：放射性元素发射出的高速带电粒子，其速度约为光速的十分之一，带+2e的电荷，质量约为4MH。散射：一个运动粒子受到另一个粒子的作用而改变原来的运动方向的现象。粒子受到散射时，它的出射方向与原入射方向之间的夹角叫做散射角。

二粒子散射实验实验结果：大多数散射角很小，约1/8000散射大于90°；极个别的散射角等于180°。这是我一生中从未有过的最难以置信的事件，它的难以置信好比你对一张白纸射出一发15英寸的炮弹，结果却被顶了回来打在自己身上－卢瑟福的话三汤姆逊模型的困难

近似1：粒子散射受电子的影响忽略不计，只须考虑原子中带正电而质量大的部分对粒子的影响。当r>R时，原子受的库仑斥力为：当r<R时，原子受的库仑斥力为：当r=R时，原子受的库仑斥力最大：近似2：只受库仑力的作用。

粒子受原子作用后动量发生变化：最大散射角：大角散射不可能在汤姆逊模型中发生,散射角大于3°的比1%少得多；散射角大于90°的约为10-3500.必须重新寻找原子的结构模型。解决方法：减少带正电部分的半径R，使作用力增大。

困难：作用力F太小，不能发生大角散射。原子序数为Z的原子的中心,有一个带正电荷的核(原子核),它所带的正电量Ze,它的体积极小但质量很大,几乎等于整个原子的质量,正常情况下核外有Z个电子围绕它运动。定性地解释：原子核很小，绝大部分粒子不能瞄准原子核入射，从原子核周围穿过，原子核的作用力仍不大，因此偏转很小，少数粒子可能从原子核附近通过，r较小，受的作用力较大，有较大的偏转，极少数正对原子核入射的粒子，由于r极小，受作用力很大，有可能反弹回来。四卢瑟福的核式模型1．库仑散射公式

五、卢瑟福散射理论上式反应出b和的对应关系。b小，大；b大，小假设：忽略电子的作用、粒子和原子核看成点电荷、原子核不动、大角散射是一次散射结果

要得到大角散射，正电荷必须集中在很小的范围内，粒子必须在离正电荷很近处通过。问题：b是微观量，至今还不可控制，在实验中也无法测量，所以这个公式还不可能和实验值直接比较。例题：动能为5.00MeV的α粒子被金核以90°散射时，它的瞄准距离（碰撞参数）为多大？2．卢瑟福散射公式环形面积：→

→

问题：环形面积和空心圆锥体的立体角之间有何关系呢?空心锥体的立体角：

d与d的对应关系：公式的物理意义：被每个原子散射到+d之间的空心立体角d内的粒子，必定打在bb-db之间的d这个环形带上。d称为有效散射截面(膜中每个原子的)，又称为微分截面。近似3：设薄膜很薄，薄膜内的原子核对射来的粒子前后不互相覆盖。

设有一薄膜，面积为A，厚度为ｔ，单位体积内的原子数为N，则薄膜中的总原子数是：

则N’个原子把粒子散射到d中的总有效散射截面为：所以d也代表粒子散射到之间的几率的大小，故微分截面也称做几率，这就是d的物理意义。将卢瑟福散射公式代入并整理得：

六、卢瑟福理论的实验验证

从上式可以预言下列四种关系：（1）在同一

粒子源和同一散射物的情况下(2)用同一粒子源和同一种材料的散射物，在同一散射角，(3)用同一个散射物，在同一个散射角，

(4)用同一个粒子源，在同一个散射角，对同一Nt值，

１９１３年盖革－马斯顿实验，１９０２查德维克角动量守恒定律由上两式及库仑散射公式可得七、原子核半径的估算能量守恒定律rｍ=3×10-14m（金）rｍ=1.2×10-14m（铜）10-14m10-15m八、粒子散射实验的意义及卢瑟福模型的困难（一）意义：

1、最重要意义是提出了原子的核式结构，即提出了以核为中心的概念

2、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。3、粒子散射实验还为材料分析提供了一种手段。（二）困难1、原子稳定