1、,原 子 物 理,明 德 博 学，求 是 志 远,教 学 为 本 ，质 量 立 校,绪 论,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,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。 原子是物质结构中的一个层次，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）二千四百年前：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
2、为：物质是可以无限止地分割下去的。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,中国 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。 （2）十九世纪初：道尔顿的原子论 1807年，英国化学家道尔顿（Dalton，1766-1844）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（Avogadro，177
3、6-1856）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。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,（3）十九世纪末：原子物理学开始迅速发展 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，与居里夫妇（发现放射性元素镭和钋）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
4、发展可以说是突飞猛进的。,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（J.J.Thomson)发现电子提出枣糕模型 1911年卢瑟福(E.Rutherford)提出原子的核式结构模型 1913年，丹麦物理学家玻尔(N.Bohr)提出原子的玻尔模型,科学发现,1806年，法国普鲁斯特(J.L.Prust)发现化合物分子的定组成定律：一种化合物，不论是天然存在的还是人工合成的，不论是用哪种方法制备的，它的化学组成总是确定的。 1807年，英国道尔顿(J.Dalton)发现倍比定律，并第一次明确提出原子论。如
5、果甲、乙两元素能相互化合生成几种不同的化合物，则与一定量甲元素相化合的乙元素的质量互成简单整数比。这是人们承认原子学说的重要依据。 1808年，法国盖吕萨克(J.L.Gay-Lussac)发现气体化合时，各气体的体积成简比的定律，并由之认为元素气体在相等体积中的重量应正比于它的原子量。 1811年，意大利化学家阿伏伽德罗(A.Avogadro)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。进而指出阿伏伽德罗数是 1摩尔物质所含的分子数，其数值是 6.02213671023，是自然科学的重要的基本常数之一。,科学发现,1833年，英国法拉第(M.Faraday)提出电解定律，是基本
6、电荷存在的有力证据。电解第一定律：在电极上析出（或溶解）的物质的质量同通过电解液的总电量（即电流强度与通电时间的乘积）成正比。电解第二定律：当通过各电解液的总电量相同时，在电极上析出（或溶解）的物质的质量 同各物质的化学当量（即原子量与原子价之比值）成正比。电解第二定律也可表述为物质的电化学当量同其化学当量成正比。 1869年，俄国门捷列夫提出元素周期律。指明元素的化学和物理性质随原子序数周期性变化, 原子表现为电中性，最小的原子为氢原子。,返回,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
7、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,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： 粒子物理 原子核物理 原子与分子物理 凝聚态物理 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,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,3两点建议 掌握一个规律：分析观察到的实验事实和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，解释事实和现象- 推出新的理论-预测新的实验现象-实验验证五步循环发展
8、。 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。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,第一章 原子的核式结构 1.1原子的质量和大小 一、原子的质量 质量最轻的氢原子：1.67310-27kg 含量最丰富的原子12C：1.99410-26kg 原子质量的数量级：10-27kg10-25kg 1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
9、量为1/12： 1u=1.99410-26kg/12=1.66110-27kg 原子量A： ，A是原子质量的相对值，MA是原子质量的绝对值 根据质能关系，也用能量单位表示质量。如：， ，,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,2阿伏伽德罗定律 1811年，意大利物理学家阿伏伽德罗提出：一摩尔任何原子的数目都是 ， ，称为阿伏伽德罗常数。元素的质量为该元素的原子量A（g），所以：，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A联系了起来，关于这一点，在以后的学习中大家会逐步体会到的。 是联系宏观与微观的一个物理量(1) (2)(3
10、) (4),高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,当进行任何微观世界物量量的测量时，由于实验是在宏观世界里进行的，因此都必须与借助于 ； 之巨大，正说明了微观世界之细小。 正是因为 如此重要，所以关于他的精确测量也就随之变得重要起来了。的测量方法很多，在此介绍一种较早的测量方法。 1838年，伟大的英国物理学家法拉第（Faraday，1791-1867）在总结大量实验结果的基础上，确定了法拉第电解定律：任何一摩尔单价离子，永远带有相同的电量F，F称为法拉第常数，经实验测定，F的值为： ，结合阿伏伽德罗定律可知： ， ，e为电子电量，测出e，就可以求出 ，此处， 将宏观世界观量F
11、与微观电量e联系起来了。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,二、原子的大小 原子大小也可以用各种方法求得。 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：此处， 又成了 与A、 的纽带。经计算, 在10-10m范围内。 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。 3从范德瓦尔斯方程测定原子的大小其中 ，定出 ，算出 ， 是分子体积。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,二、原子的大小 原子大小也可以用各种方法求得。 1设原子的半径为 ，在晶体中按一定的
12、规律排列，晶体的密度为 ，原子量为A，则 原子的体积为：, , 此处， 又成了 与A、 的纽带。经计算， 在10-10m范围内。 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。 3从范德瓦尔斯方程测定原子的大小其中 ，定出 ，算出 ， 是分子体积。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,三电子的发现 法拉第电解定律：任何一摩尔单价离子，永远带有相同的电量F，F称为法拉第常数， 。 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， 。 每个单价离子所带的电荷为 都是相同的，这应当是电的最小单位 “电的原子
13、” 电子。1897年，由英国著名物理学家J.J.汤姆逊（Thomson，1856-1940）真正从实验上确认电子的存在。 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 。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,不过，汤姆逊被誉为“一位打开通向基本粒子物理学大门的伟人”的主要原因，还不仅仅在于测出了e/m数值，而在于他第一个大胆地承认了电子的存在。1890年，曼彻斯特大学物理学教授A.休斯脱（Schuster，1851-1934）就曾研究过氢放电管中阴极射线的偏转，并且算出构成阴极射线微粒的荷质比为氢离子荷
14、质比的千倍以上。但他不敢相信自己的测量结果，而觉得“阴极射线质量只有氢原子质量的千分之一还不到”的结论是荒谬的；相反他假定阴极射线粒子的大小与原子一样，而电荷比氢离子大。1897年德国W.考夫曼（Kaufman，1871-1947）做了类似的实验，他测到的远比汤姆逊的要精确，与现代值只差1%，他还观察到了e/m值随电子速度的改变而改变（ ，爱因斯坦1905年在相对论中预言），但是，他当时没有勇气发表这些结果：他不承认阴极射线是粒子的假设。直到1901年，他才把结果公布于世。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,汤姆逊勇敢地作出了“有比原子小得多的微粒存在”正确结论。 汤姆逊在
15、测定后不到两年，即分别测定了电子的电荷和质量。电子电荷的精确测定是在1910年由R.A.密立根（Millikan）作出的，即著名的“油滴实验”。电子电荷的现代值为：e=1.6021773310-19C，电子的质量是m=9.109389710-31kg。特别重要的是密立根发现电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整数倍。E是任何客体能携带的最小的电荷量。电子的发现具有划时代的意义，它说明原子并非“不可分割”，原子必然存在内部结构，人们必将冲破千百年来认为原子是组成物质的最小单元的陈旧观念，而去了解物质结构更深的层次。因此这一发现连同X射线和放射性的发现，极大的震动了经典物理学，把物理学带到了伟大变
16、革的边缘，成为新物理学革命的前奏曲。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,河西学院物理系,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,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，原子中带正电的部分以及带负电的电子。 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？,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,1.2卢瑟福的核式结构模型 汤姆逊模型：1903年，汤姆逊提出，原子中正电荷
17、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，这种模型被称为“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。 元素周期表：假设电子分布在一个个圆环 上，第一只环上只可放5个电子，第二只 环上可放10个。假如一个原子有70个电 子，那么必须有6个同心环。 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。,一、 粒子散射实验 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
18、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。 1实验结果 1909年，在卢瑟福的指导下， 盖革和马斯登第一次观测到粒子束透过金属薄膜后在各方向上散射分布的情况。 实验结果：绝大部分粒子进入金箔后直穿而过( =0)或基本直穿而过( 很小，约在2-3度之间)，也有少数 粒子穿过金属箔时，运动轨迹发生了较大角度的偏转。还有个别的 粒子(大约八千分之一)，其散射角 90o，有的竟沿原路完全反弹回来， 180o。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,2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
19、虑原子中带正电而质量大的部分对 粒子的影响。 近似2：只受库仑力的作用。 设原子半径为R，正电荷Ze均匀地分布在这个球体之中； 粒子带+2e电荷。 粒子与原子带正荷部分的相互作用相当于一个点电荷与一个均匀带电球体的作用，根据库仑定律: 当rR时，原子受的库仑斥力为： 当rR时，原子受的库仑斥力为：当r=R时，原子受的库仑斥力最大：,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,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,必须重新寻找原子的结构模型。 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。 3卢瑟福的核式模
20、型* 1911年，卢瑟福受“大宇宙与小宇宙相似”的启发，把太阳系和原子结构进行类比，提出了著名的原子有核模型的假设：原子象一个小太阳系，每个原子都有一个极小的核，核的直径在10-1510-14米左右，这个核几乎集中了原子的全部质量，并带有Z单位个正电荷，原子核外有Z个电子绕核旋转，所以一般情况下，原子显中性。这个模型的图象颇象一个微小的太阳系，所以有人也称之为行星模型。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,定性地解释：由于原子核很小，绝大部分粒子并不能瞄准原子核入射，而只是从原子核周围穿过，所以原子核的作用力仍然不大，因此偏转也很小，也有少数粒子有可能从原子核附近通过，这时，
21、较小，受的作用力较大，就会有较大的偏转，而极少数正对原子核入射的粒子，由于 很小，受的作用力很大，就有可能反弹回来。所以卢瑟福的核式结构模型能定性地解释粒子散射实验。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,二、卢瑟福散射公式 1库仑散射公式粒子与原子核之间是平方反比的斥力，根据理论力学，其运动轨迹是双曲线的一支，Ze为其一焦点。 瞄准距离b： 粒子开始时的运动路径的延长线离原子核的垂直距离，它反应了 粒子对核的瞄准程度。 可以想象， 和 之间的对应关系应该是 越小，瞄得越准， 越大，偏转就越大；反之， 越大，瞄得越不准， 就越小，偏转就越小。和 之间的依赖关系，可以经过严密的推
22、导求出来： 库仑散射公式一目了然的反应出 和 的对应关系。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,P.8例l： ，Z=79，1fm=10-15m10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 10-15 0.019 0.19 1.7 16.9 112 172.3 可见，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： 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。 2卢瑟福散射公式 通过 圆环形面积的 粒子， 必定散射到 之间的一个空心 圆锥体中。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学
23、校试用教材,问题：环形面积和空心圆锥体的立体角之间有何关系呢? 环形面积：空心锥体的立体角：与 的对应关系： 卢瑟福散射公式 公式的物理意义：被每个原子散射到 之间的空心立体角 内的 粒子，必定打在 之间的 这个环形带上。亦即，只有打在 之间的 这个环形带上的 粒子，才能被薄膜中的原子散射在 之间的空心立体角内，所以 称为有效散射截面(膜中每个原子的)。又因为它以微分形式表示，故又称为微分截面。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,问题：卢瑟福公式的上述表达形式仍不能和可以观测的值联系起来，还须进一步向下推导： 设有一薄膜，单位体积内的原子数为N，则薄膜中的总原子数是： A是
24、薄膜表面积,t是薄膜厚度。 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。 每个原子把 粒子散射到 中的有效散射截面为 ，则 个原子把 粒子散射到 中的总有效散射截面为：一个原子来说，散射到 之间的 粒子必定打在面积；而对N个原子来说，散射到 之间的 粒子必定打在面积上 。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,设有 个 粒子打在薄膜的全部面积A上，其中 个散射到 之间的立体角 中，那么这 个 粒子必定打在面积 上，则：所以 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 的物理意义。将卢瑟福散射公式代入并整理得：这就是卢瑟福散射公式的另一
25、种表达形式。式中：,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,(1) ：荧光屏单位立体角内所记录的粒子数，可以测量。(2)与粒子源有关的量： 、M 、 ，三个量均可测或可知。 (3) 与散射物有关的量：N、t、Z，三个量均可测或可知。 所以，这个公式就是我们要寻找的可以与实验结果相比较的公式，它是否正确，就看其与实验结果的符合情况。 问题： (l) 的物理意义？ (2) 库仑散射公式为什么不能直接检验? (3) 如果 粒子以一定的瞄准距离b接近原子核时，以90o角散射，当 粒子以更小的瞄准距离接近原子核时，散射角的范围是什么? (4) 卢瑟福依据什么提出他的原子模型? (5) 卢瑟
26、福模型与汤姆逊模型的主要区别是什么?,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,三、卢瑟福散射公式的实验验证 从卢瑟福公式，可以看到以下四种关系（ 是确定的）： 1同一 粒子源（ 一定），同一散射物（ 一定）的情况下：2同一 粒子源（ 一定），同一种材料的散射物 （ 一定），同一散射角（ 一定）的情况下： 3同一散射物（ 一定），同一散射角（ 一定）的情况下：4同 一粒子源（ 一定），同一散射角（ 一定），同一 的情况下：,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,结论1的实验验证：实验结果P.13表1.2.1所示 1） 角在 的范围内，实验与理论基本相符。 2） 时，
27、实验与理论有明显偏差,为什么？（多次散射） 表中显示， 小时， 粒子数多； 大时， 粒子数少。不同的 ， 粒子数相差很多，但 却基本上是常数。 结论2的实验验证： 实验结果表明：对于任一元素来说，单位时间内在一定角度散射的粒子数与箔片的厚度成正比。 结论3的实验验证：,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,实验结果下表所示。 表：粒子散射与其初速度的关系,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,结论4的实验验证： 用卢瑟福公式测出的原子的核电荷数Z，与从其它角度对原子结构所做的考虑相比较，来决定它的合理性，若相符合，那么也应验证了卢瑟福公式所表达的散射与Z2的关系
28、了。 1920年，查德威克设计了一个很准确地测定Z的实验装置，他分别用铜、铝、铂等进行了验，结果如P.13页表1.2.2所示。这个结果不仅测出了原子的核电荷数，还指明某元素的核电荷数Z刚好等于该元素的原子序数。这些结果与其他完全不同的方法所得的结果完全相符合，因此也就验证了卢瑟福公式的正确性。 总而言之，卢瑟福的散射公式是经得起实验验证的。至此我们也完成了一个循环中的所有步骤。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,（以下部分讨论） 实验事实和现象： 粒子散射实验的结果，特别是其中的大角散射。 假设：卢瑟福的原子核式模型，它能简单地解释 粒子散射实验。 理论：从假设出发推出了较
29、为深入的卢瑟福散射理论。 实验验证：实验的结果证实了理论的正确性，也就证实了假设的正确性。 因此理论和假设就可以被肯定下，作为下一步工作的基础和依据，科学就是这样一步一步向前发展的。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,四、原子核大小的估计 在 粒子散射实验中，具有一定能量的 粒子，接近原子核，我们可以进一步计算 粒子可能达到的离原子中心的最小距离 ，由此可以估计原子核的大小。 设 粒子在离原子核很远时的速度为 ，达到离原子核最小距离 处的速度为 ，则有： 能量守恒：角动量守恒：,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,由能量守恒和动量守恒的表达式消去 ， 得：
30、这就是散射角为时， 粒子距原子核的最小距离。小 大 小 粒子距原子核越近；0 180o,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,这就是 粒子所能达到的最小距离，由此我们就可以估计原子核的大小，其数量级就为 的数量级。经实验测定，这个数量级为10-15-10-14m，和后来从其它实验测出的原子核的数量级相符。 利用卢瑟福公式来推测原子核的大小，也是卢瑟福理论的贡献之一，它更进一步完善了原子核式结构的假设。 最后我们再对整个研究过程做一点讨论。在推导卢瑟福公式的过程中，曾做过一些假设： 1薄膜中的原子核前后不互相覆盖。 2只发生一次散射。 3核外电子的作用可以忽略。 4靶核不动。 5
31、只有库仑斥力，平方反比在微观领域内依旧可用。 这些假设体现在何处？讨论这些假设的合理性和可行性。,七、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,卢瑟福模型提出了原子的核式结构，在人们探索原子结构的历程中踏出了第一步，可是当我们进入原子内部准备考察电子的运动规律时，却发现了与已建立的物理规律不一致的现象。 1.原子的稳定性 经典物理学告诉我们，任何带电粒子在作加速运动的过程中都要以发射电磁波的方式放出能量，那么电子在绕核作加速运动的过程就会不断地向外发射电磁波而不断失去能量，以致轨道半径越来越小，最后湮没在原子核中，并导致原子坍缩。然而实验表明原子是相当稳定的。 2.原子的同一性 任何元素的原子都是确定的，某一元素的所有原子之间是无差别的，这种原子的同一性是经典的行星模型无法理解的。 3.原子的再生性 一个原子在同外来粒子相互作用以后，这个原子可以恢复到原来的状态，就象未曾发生过任何事情一样。原子的这种再生性，是卢瑟福模型所无法说明的.,
