原子物理學(xué)1.0

1、原子物理學(xué)（Atomic Physics ）,古代原子學(xué)說,B. C. 4世紀(jì),Democritus,機(jī)械原子學(xué)說,17世紀(jì),Newton,組成物質(zhì)的最小單元，永恒不變,有質(zhì)量的球形微粒,通過吸引力機(jī)械地結(jié)合成宏觀物體,原子的運(yùn)動(dòng)是機(jī)械位移，遵守力學(xué)定律,困難：不能解釋光、電、熱等物理現(xiàn)象和燃燒等化學(xué)過程,原子（Atom）,原子物理學(xué)的發(fā)展,1811年,Avogadro,化學(xué)原子學(xué)說,1807年,Dalton,化學(xué)反應(yīng)中，原子不可分解

2、，性質(zhì)不變；,不同元素的原子不同，每種原子有確定原子量。,氣體由分子組成，分子由原子組成。,1869年,Mendeleev,發(fā)現(xiàn)元素周期律，預(yù)言新元素,分子運(yùn)動(dòng)論,同溫同壓的同體積氣體含相同數(shù)目的分子。,1827年,Brown 分子的布朗運(yùn)動(dòng),：認(rèn)識到原子是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)層次,原子是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)層次，介于分子和原子核之間。,1911年,Rutherford,原子核式結(jié)構(gòu)模型,1913年,Bohr,原子量子理論,解釋氫光譜,1923-

3、1927,量子力學(xué)誕生,成功解釋原子現(xiàn)象,現(xiàn)代原子學(xué)說,19世紀(jì)末,三大發(fā)現(xiàn)——X射線、放射性和電子,：建立了嚴(yán)格的原子物理理論,對原子這一層次的認(rèn)識，從實(shí)驗(yàn)到理論獲得比較完全的認(rèn)識,原子物理學(xué)是一門古老又年輕的學(xué)科，對其他學(xué)科的發(fā)展以及社會(huì)進(jìn)步起著重要的作用！,粒子物理學(xué),原子——原子核——基本粒子（質(zhì)子、中子、中微子等）——夸克——。。。。。。。,1．原子結(jié)構(gòu)和玻爾模型,2．單電子原子,3．多電子原子,原子物理—主要內(nèi)容,4. 磁

4、場中的原子,5. 原子的殼層結(jié)構(gòu)和原子核,課程特點(diǎn),研究原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)、性質(zhì) 及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支（近代物理學(xué)的一門主要課程）,新的概念、原理較抽象，不夠直觀,重實(shí)驗(yàn)，理論由實(shí)驗(yàn)簡歷，不完全靠邏輯推理從理論推到出實(shí)驗(yàn)結(jié)果（光譜是研究原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)與電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主要實(shí)驗(yàn)手段）,了解與掌握現(xiàn)代高科技的基礎(chǔ),如：宇宙起源與演化，星際分子，激光技術(shù)及光電子領(lǐng)域，材料科學(xué)，醫(yī)學(xué)，化學(xué)，生命科學(xué)中的應(yīng)用,教材及參考書,褚圣麟 《原子物理學(xué)》

5、 高等教育出版社楊福家 《原子物理學(xué)》 高等教育出版社,考試（100%）,考勤+作業(yè)（自編習(xí)題）（10％）月考（三次） （30％）期末（閉卷考試） （60％）,,課程要求：,,第一章 原子的基本狀況,原子的質(zhì)量和大小 原子的核式結(jié)構(gòu),原子的質(zhì)量：,原子的大小：,10-10m 的量級,NA=6.022169×1023 (mol)-1,MH=1.67367×10-27 (kg),§1．

6、原子的質(zhì)量、大小和基本組成,不同的原子有不同的質(zhì)量,原子質(zhì)量的相對值：,原子質(zhì)量的絕對值：,,原子量,電子（electron）的發(fā)現(xiàn),電子是一切原子的組成部分之一,電子的發(fā)現(xiàn),原子是不能分割的嗎？,J. J. Thomson (1856-1940),in recognition of the great merits of his theoretical and experimental investigations on the co

7、nduction of electricity by gases,The Nobel Prize in Physics 1906,,,,,“一位最先打開通向基本粒子物理學(xué)大門的偉人”,1909年,Millikan油滴實(shí)驗(yàn)精確測定 ，并發(fā)現(xiàn)電荷是量子化的,The Nobel Prize in Physics 1923,for his work on the elementary charge of electricity and

8、on the photoelectric effect,R. Millikan (1868-1953),原子中存在一定數(shù)量的電子，帶負(fù)電。,原子電中性，必定帶有相同電量的正電荷，承擔(dān)了絕大部分質(zhì)量。,正電部分和電子如何分布與相對運(yùn)動(dòng)？,電子的電荷和質(zhì)量,me= 9.10956×10-31 kg,e=1.602×10-19 C,e: 電荷的最小單位,§2 原子的核式模型,,原子模型,Thomson模型（1

9、898年）,西瓜模型,葡萄干布丁模型,正電荷均勻分布于原子球體內(nèi)，電子嵌于其中。,Rutherford模型（1911年）,核式結(jié)構(gòu)模型 行星模型,正電荷集中于占原子線度1/104的核內(nèi)，電子繞核運(yùn)動(dòng)。,Bohr 模型（1913年）,定態(tài)假說：原子的半徑、角動(dòng)量、能量是量子化的，原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)會(huì)發(fā)射或吸收一個(gè)光子,1909年,Geiger和Marsden操作的,E. Rutherford (1871-1937),?粒子

10、的散射實(shí)驗(yàn),α粒子：氦原子核，質(zhì)量是氫原子的四倍，帶兩個(gè)單位的正電荷。,?粒子的散射實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)?zāi)康模悍穸藴愤d模型，建立了核式模型,實(shí)驗(yàn)結(jié)果：,Geiger和Marsden發(fā)現(xiàn)?粒子經(jīng)鉑原子散射后，絕大部分是小角散射，但有1/8000的?粒子偏轉(zhuǎn)大于900，有的甚至接近1800,“就像一枚15英寸的炮彈打在一張紙上又被反射回來一樣，……”,實(shí)驗(yàn)裝置：,,,Thomson模型：,重元素原子正電部分近似固定不動(dòng),?粒子進(jìn)入原子內(nèi)部時(shí)，電子

11、的影響可忽略,易穿過原子，只能發(fā)生小角度散射。,?粒子偏轉(zhuǎn)大于900的幾率僅為10-3500,距核愈近力愈大，可能被大角度散射。,Rutherford模型：,盧瑟福是怎樣定量地回答這一問題的呢？,?粒子散射理論,假設(shè)：忽略電子的作用（M>>me) 粒子和原子核看作點(diǎn)電荷，二者之間有庫侖作用力 原子核不動(dòng) (m>>M) 一次散射結(jié)果,b：瞄準(zhǔn)距

12、離θ : 偏轉(zhuǎn)角,粒子反射,庫侖散射公式：,,,盧瑟福散射公式,微分散射截面,盧瑟福散射公式,空心圓錐體,粒子被散射到?角上的幾率？？,靶：很薄的金屬箔,核不相互遮掩，都起散射作用。入射粒子最多被散射一次。,厚度,原子數(shù)密度,Rutherford公式,粒子打在這個(gè)環(huán)上的幾率：,那整個(gè)金屬箔的散射結(jié)果呢？？,,參考文獻(xiàn)： 尹建武 “盧瑟福散射公式的幾種推導(dǎo)方法” 黃岡師范學(xué)院學(xué)報(bào) 23（3） 31 （2003） 楊福

13、家 《原子物理學(xué)》 高教出版社,盧瑟福理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,蓋革－馬斯頓實(shí)驗(yàn)（1913年）,驗(yàn)證：,靶不變，粒子能量不變：,改變靶厚：,改變粒子能量：,改變靶材,1920年,Chadwick改進(jìn)儀器，測靶材原子序數(shù),實(shí)驗(yàn)確認(rèn)“核式模型”的正確性,例題：,例題1：在同一α粒子源和散射靶的條件下，觀察到α粒子被散射在900和600角方向上，單位立體角內(nèi)幾率之比是：,4:1 B.

14、 :2 C. 1:4 D. 1:8,,例題2：在α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，若把α粒子換成質(zhì)子，要想得到與α粒子相同的角分布，在散射物不變的條件下，則必須使：,質(zhì)子的速度與α粒子相同； B. 質(zhì)子的能量與α粒子相同C. 質(zhì)子的速度是α粒子的一半； D. 質(zhì)子的能量是α粒子的一半,,,α散射理論在對小角散射不成立,多次散射,多次接近原子核的機(jī)會(huì)不大,大角散射：1次大角散

15、射+多次小角散射小角散射：多次小角散射,（可忽略 ）,（不可忽略）,注意：,原子核大小的估計(jì),盧瑟福公式成立條件,E愈大，θ越大，估計(jì)愈準(zhǔn)確。,能量守恒定律：,角動(dòng)量守恒：,,29Cu,10-15m < r <10-14m,例題：,,動(dòng)能為4.5MeV的α粒子與金核對心碰撞時(shí)的最小距離是多少？,解：,原子核大小：,作業(yè)： 3、4,結(jié)論：,原子的核式結(jié)構(gòu)：,有一個(gè)帶正電的中心體原子核，所帶正電的數(shù)值是原子序數(shù)乘單元電荷數(shù)。

16、原子核的半徑在10-15到10-14米之間。原子核外邊散布著帶負(fù)電的電子。但原子質(zhì)量的絕大部分是原子核的質(zhì)量。,重要實(shí)驗(yàn)：α粒子散射實(shí)驗(yàn),本章小結(jié)：,二．原子的核式結(jié)構(gòu),以小角散射為主，也存在大角散射,1．盧瑟福模型,核（占原子線度1/104）+電子,2．α 粒子散射實(shí)驗(yàn),一．原子的質(zhì)量和大小,Me=9.10956×10-31Kg,MH=1.67367×10-27Kg,R原子~10-10m

17、 R原子核~10-15m,原子穩(wěn)定性困難,電子加速運(yùn)動(dòng)輻射電磁波，能量不斷損失，電子回轉(zhuǎn)半徑不斷減小，最后落入核內(nèi)，原子塌縮。,核式模型的困難,原子壽命：,核式模型的困難,光譜分立性困難,電磁波頻率等于電子回轉(zhuǎn)頻率，電子繞核運(yùn)動(dòng)頻率,發(fā)射光譜為連續(xù)譜。,參考書中27頁,J. J. Thomson (1856-1940),重要貢獻(xiàn)：,發(fā)現(xiàn)電子質(zhì)譜方法 卓越的教師和科研事業(yè)領(lǐng)導(dǎo)人,E. Rutherford (1871-1937

18、),,,,,三大貢獻(xiàn)：,放射性的研究原子的有核結(jié)構(gòu)模型人工核反應(yīng),a粒子在不同角上的散射,,小角度偏差較大,,a粒子散射與其初速度的關(guān)系,,,保持常數(shù),LiAlCuSPb,7276332207,0.160.160.140.180.19,,,,,,,,原子半徑,,不同原子的半徑幾乎都差不多?,Thomson測量陰極射線電荷的裝置,,立體角,一個(gè)錐面所圍成的空間部分稱為“立體角”。立體角是以錐的頂點(diǎn)為心，半徑為1