原子物理学
原子物理学 褚圣麟 第二章
碰撞截面：描述原子碰撞概率的物理量 碰撞频率：描述原子碰撞次数的物理量
弹性碰撞：碰撞后粒子动能和动量守恒
非弹性碰撞：碰撞后粒子动能和动量不守恒
弹性碰撞的特点：碰撞前后粒子的动量、 动能、速度、方向均不变
非弹性碰撞的特点：碰撞前后粒子的动量、 动能、速度、方向均发生变化
核聚变： 两个原子 核结合成 一个新的 原子核释 放出大量 能量
核裂变： 一个原子 核分裂成 两个或更 多的原子 核释放出 能量
粒子加速 器：利用 电磁场加 速粒子研 究高能物 理现象
宇宙射线： 来自宇宙 的高能粒 子研究宇 宙起源和 演化
原子激发态：原子从低能 级跃迁到高能级释放能量
高能物理：研究高能粒子 的相互作用和运动规律
原子发射光谱法：通过测 量原子发射光谱来测定元 素的种类和含量
原子荧光光谱法：通过测 量原子荧光光谱来测定元 素的种类和含量
原子质谱法：通过测量原 子质谱来测定元素的种类 和含量
原子光谱实验技术的应用： 在化学、物理、生物等领 域都有广泛的应用
实验原理：利用高能粒子与原子核的碰撞研究原子核的结构和性质 实验设备：加速器、探测器、数据处理系统等 实验步骤：选择合适的粒子源、调整加速器参数、进行碰撞实验、收集数据、分析结果 应用领域：核物理、粒子物理、天体物理、材料科学等
,
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原子物理学是研究原子及其内部结构的科学 包括原子核、电子、质子和中子等基本粒子 研究原子的性质、结构和相互作用 原子物理学是物理学的一个重要分支对现代科学和技术的发展具有重要意义
原子物理学是物理学的基础学科之 一对于理解物质世界的本质具有重 要意义。
原子物理学
通过这些数据可知，原子大小的数量级约为1010 m ，不同的 原子的大小略有差别。 我们也可以通过其他方法来求，得到的结果是数量级不变。
§1.2 原子的核式结构
汤姆逊原子结构模型
认为原子的带正电部分是以均匀的体密度分布在大小等于整个 原子（即1010 米数量级）范围内，象是一个有弹性的、冻胶状的 球，而带负电的电子则以微粒的形式浸在球体里，这些电子在 它们的平衡位置上做简谐振动。
1、金箔中是否存在原子核前后遮掩问题；
2、 粒子是通过一次散射穿过金箔的吗？
3、电子对散射有没有影响。
关于第一个问题
金箔是很薄的，厚度可薄到5107 m 表面上看有上
金原子的直径只有31010 m
千个原子那么厚
原子核是原子的 1/100000～1/10000
一栋立方体楼房，长 50 米，他的万分之一是 0.005 米=0.5 厘米， 大约为一个黄豆粒那么大，一栋楼房代表一个原子，在其中放 一个黄豆粒代表原子核，
原子物理学
主 讲：林 海
绪论
1、原子物理学在物理学中的地位
原子物理学是物理专业学生必修的一门课程，它是普通物理学的 最后一部分，也是近代物理学的开始，是今后学好近代物理的基础， 地位比较重要。
2、原子物理学的研究对象
它的研究对象是原子的结构、性质、运动规律等问题。
3、原子物理学的发展情况
黑体辐射
关于第三个问题
因为 粒子比电子质量达 7300 倍，故电子 粒子散射影响是微
不足道的。
可见，卢瑟福的核式结构模型是符合客观实际的。
作业：第20页1、2、3、5、8题 补充：汤姆逊原子结构模型与卢瑟福原子结构模型的区别。
第一章学习要求 1、知道汤姆逊原子结构模型与卢瑟福原子结构模型的区别
原子物理学知识点总结
原子物理学知识点总结原子物理学是研究原子结构和性质的一门物理学科，它是现代物理学的分支之一。
原子理论自古希腊时代就已经存在，但直到19世纪末到20世纪初，人们才开始对原子的结构和性质有了深入的了解。
本文将介绍原子物理学的基本知识点，包括原子的结构、原子核、原子的性质以及原子与分子之间的相互作用等内容。
1. 原子的结构原子是一切物质的基本单位，它主要由电子、质子和中子组成。
根据基本粒子理论，电子、质子和中子是构成原子的基本粒子。
电子是带负电荷的粒子，质子是带正电荷的粒子，中子是不带电的粒子。
在原子结构模型中，质子和中子集中在原子核中，而电子则绕核轨道运动。
根据量子力学理论，电子在轨道上的运动是离散的，即只能位于某些特定的能级上。
这些能级被称为电子壳层，不同的电子壳层对应不同的能量。
2. 原子核原子核是原子的中心部分，它由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。
质子和中子是由夸克组成的，它们之间通过强相互作用相互吸引。
在原子核中，质子带正电，中子不带电，它们通过强相互作用相互结合在一起。
原子核的直径通常在10^-15米的数量级上，而原子的直径通常在10^-10米的数量级上，原子核的大小远远小于原子的大小。
3. 原子的性质原子的性质主要包括原子的质量、原子的电荷、原子的半径、原子的稳定性等。
原子的质量主要取决于原子核中质子和中子的质量，而电子的质量可以忽略不计。
原子的电荷等于质子数减去电子数，因此原子的电荷通常为正数或负数。
原子的半径通常用原子量子半径或科学常数玻尔半径来描述。
原子的稳定性与原子核的内部结构有关，对于较轻的原子来说，稳定的原子核通常满足质子数和中子数之比在1:1附近，而对于较重的原子来说，稳定的原子核通常含有更多的中子以保持稳定。
4. 原子与分子之间的相互作用原子与分子之间的相互作用是原子物理学研究的另一个重要内容。
原子和分子之间存在分子间力，包括范德华力、静电吸引力、静电斥力等。
范德华力是由于分子极化而产生的吸引力，静电吸引力是由于正负电荷之间的相互作用而产生的吸引力，静电斥力则是由于同性电荷之间的相互作用而产生的斥力。
原子物理学(Atomic Physics) 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》
e 1.60217733(49)1019 C
根据电子的电量及荷质比e/me，可定 出电子的质量为：
me 9.1093897(54) 1028 g
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 极射线的偏转。且算出构成阴极射线微粒的荷质比为氢离子荷 质比的千倍以上。但他不敢相信自己的测量结果，而觉得“阴 极射线粒子质量只有氢原子的千分之一还不到”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 却较氢离子大。
此 粒子的运动基本不
受电子影响。
显微镜
实验结果表明：绝大部分粒子经金箔 散射后，散射角很小（2~3），但 有1/8000的粒子偏转角大于90 ，甚 至被反射回来。
汤姆逊模型无法解释 粒子散射实验中的大角度散射
对于汤姆逊模型， 粒子受到原子正电荷的最大作用力为：
2Ze2
F 40R2
R为原子半径。
用不同方法估算出的原子半径有一定的偏差，但数 量级相同，都是10-10米。
1.2 电子的发现
1833年，法拉第(M．Faraday)提出电解定律，依此推得：一 摩尔任何原子的单价离子永远带有相同的电量。这个电量，就 是法拉第常数F，其值是法拉第在实验中首次确定的。
1874年，斯通尼(G. J. Stoney)指出，电离后的原子所带的电 荷为一基本电荷的整数倍，并推算出这一基本电荷的近似值 (e=F/N0)。在1881年，斯通尼提出用“电子”命名基本电荷。
+Ze
vf vi
dv
42Ze02Lr0d
(其中 vi
和 vf
分别代表 粒子
的初速度和末速度)
并代入
r0
原子物理学第五章多电子原子
原子序数增加
能级双 分配(2)
j - j 耦合
Em Ee
轻元素,低激发态 重元素,基态
能级差主要是由 于静电作用
原子态: 2S+1LJ
重元素,高激发态
能级差主要是由 于磁效应
原子态: ( j1 j2 )J
第三节：泡利原理
泡利原理
我们知道，电子在原子核外是在不同轨道上 按一定规律排布的，从而形成了元素周期表。中 学阶段我们就知道，某一轨道上能够容纳的最多 电子数为2n2，为什么这样呢？
碳族元素在激发态时,PS电子各能级比较:
C Si Ge Sn Pb
2 p3s
3 p4s
4 p5s
5 p6s
6 p7s
31 ( 2 , 2)1
1 P1 3 P2 LS 耦合 3 P1 3 P0
(
3 2
,
1 2
)
2
j - j 耦合
(
1 2
,
1 2
)1
11
(2 , 2)0
能级单 分配(3)
LS 耦合
Ee Em
Mg 原子光谱和能级结构与He原子相似，也有差异。
5.2 具有两个价电子的原子态
一.电子组态 1.电子组态的表示
处于一定状态的若干个（价）电子的组合 n1 1n2 2n3 3.... Na : 基态电子组态： 1s2 2s22p63s1 简记：3s1
激发态电子组态: 1s2 2s22p63p1 1s2 2s2 2p6 4s1
根据原子的矢量模型 Ps1 , Ps2合成 Ps，Pl1 Pl2合成PL ； 最后Pl与Ps 合成 J，所以称其为 L S耦合。 L S 耦合通常记为:
(s1s2 )(l1l2 ) (PS , PL ) PJ
原子物理学第一章
Atomic Physics 原子物理学
背景知识 在此基础上，1893年道尔顿提出了他的原 子学说，他认为:
1.一定质量的某种元素，由极大数目的该元 素的原子所构成；
2.每种元素的原子，都具有相同的质量，不 同元素的原子，质量也不相同； 3.两种可以化合的元素，它们的原子可能按
几种不同的比率化合成几种化合物的分子。
Atomic Physics 原子物理学
背景知识 1808，法国盖· 吕萨克定律告诉我们，在每 一种生成或分解的气体中，组分和化合物气 体的体积彼此之间具有简单的整数比； 1811，意大利阿伏伽德罗发现气体的体积 与其中所含的粒子数目有关。同温同压下， 相同体积的不同气体含有相等数目的分子； 1826，英国布朗观察到液体中的悬浮微粒作 无规则的起伏运动---布朗运动；
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
dn 在同一散射角， d
dn 4 Sin 常数 d 2
② 用同一粒子源和同一种材料的散射物，
t
dn 4 ③ 用同一个散射物，在同一个散射角， v 常数 d
3．散射截面的物理意义
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： N＇ NAt
近似：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。 则N’个原子把粒子散射到d中的总有效散射截面为：
d N `d NAtd
n A
dn d
dn dn d Ntd d n A nNt
问题： (l) d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) 卢瑟福模型与汤姆逊模型的主要区别是什么?
原子物理学
原子物理学原子和原子核佚名【电子】就是一种最轻的带电粒子。
它也就是最早被人们辨认出的基本粒子。
拎负电，电量为，1.602189×10-19库仑。
就是电量的最轻单元。
质量为9.10953×10-28克。
常用符号e则表示。
电子在原子中，紧紧围绕于原子核外，其数目与核内的质子数成正比，亦等同于原子序数。
导线中电流的产生即为就是电子流颤抖的结果。
一安培的电流相等于每秒通过6.24×1018个电子。
利用电场和磁场，能够按照人们的建议掌控电子的运动（特别是在真空中），从而生产出来各种电子仪器和元件，例如各种电子管，电子显像管、正电子的质量和电子相等，它的电量的数值和电子相等而符号相反，即带正电。
一个电子和一个正电子相遇会发生湮没而转化为一对光子，即一对正负电子，常称作正负电子对（电子偶）。
能量少于1.02mev（兆电子伏特）的光子沿着铅板时，可以产生电子一正电子对，这个反应则表示为电子的运动质量m与静止质量m0的关系为这里v就是电子运动速度，c就是光速，这就是相对论的公式。
【原子】组成单质和化合物分子的最小粒子。
不同元素的原子具有不同的平均质量和原子结构。
原子是由带正电的原子核和围绕核运动的、与核电荷核数相等的电子所组成。
原子的质量几乎全部集中在原子核上。
在物理化学反应中，原子核不发生变化。
只有在核反应中原子核才发生变化。
【汤姆逊的原子核模型】汤姆逊的原子核模型就是最早明确提出的原子核模型，他指出：形成原子的正电荷就是均匀分布于球状原子内，原子大小乃是此正电荷球之大小，电子则埋于此正电荷中，当电子受外界鞭策时，它即以平衡位置为中心并作振动而升空光。
当a粒子沿着此原子时，a粒子将受反射，因电子质量很小，这项散射之主要原因是正电荷之斥力作用。
由电磁理论预示加速的带电物体如振动的电子等会发射电磁辐射，故根据汤姆生模型，便可了解受激原子会发射电磁辐射的性质。
在实际计算其可能发射的辐射能谱，即发现此模型所导致的结果，与实验观察到的能谱在数值上并不相符。
原子物理学(原子的精细结构电子自旋)
旋极化材料。
自旋电子学
利用电子自旋的特性，开发新型 自旋电子学器件，如自旋晶体管
和自旋存储器等。
磁性材料研究
通过研究电子自旋的磁学性质， 有助于深入了解磁性材料的微观
结构和物理性质。
05 原子物理学的发展前景与 挑战
原子物理学与其他学科的交叉研究
原子核位于原子的中 心，电子围绕原子核 运动。
原子的电子排布
电子在原子核外的不同能级轨道 上运动，离原子核越远的轨道，
其能量越高。
电子按照一定的规律填充在不同 的能级轨道上，形成电子排布。
电子排布决定了原子的化学性质 和电子状态，是研究原子结构的
重要内容。
原子的能级与光谱
原子的能级是指原子内部电子 运动的能量状态，不同的能级 具有不同的能量。
原子物理学在新能源与技术中的应用
太阳能电池技术
01
原子物理学在太阳能电池技术中的应用，通过优化材料结构和
提高光电转换效率，为可再生能源的发展提供支持。
核聚变能源
02
通过原子物理学对核聚变反应过程的研究，实现可控核聚变能
源的开发，为未来能源供应提供可持续的解决方案。
磁约束核聚变装置
03
利用原子物理学的原理和技术，设计和建造磁约束核聚变装置，
当原子从一个能级跃迁到另一 个能级时，会吸收或释放一定 频率的光子，形成光谱。
光谱分析是研究原子能级结构 和性质的重要手段，可以用于 元素分析和化学分析等。
02 原子核的结构与性质
原子核的组成
01
02
03
质子和中子
原子核由质子和中子组成， 质子带正电荷，中子不带 电。
中考原子物理知识点归纳
中考原子物理知识点归纳原子物理是物理学中研究原子结构和性质的分支学科，对于中考物理来说，原子物理的知识点主要包括原子结构、原子核结构、原子光谱以及原子的能级等。
以下是中考原子物理知识点的归纳：原子结构原子由原子核和电子组成。
原子核位于原子中心，由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电。
电子围绕原子核运动，带负电。
原子核的体积很小，但质量很大，几乎集中了整个原子的质量。
原子核结构原子核由质子和中子组成，质子数决定了元素的类型。
质子数相同的原子称为同位素。
原子核的稳定性与核内质子和中子的比例有关，通常较重的元素更不稳定。
原子光谱原子光谱是原子吸收或发射光时所显示的谱线。
每种元素都有其特定的光谱线，这是由于电子在不同能级间跃迁时释放或吸收特定能量的光子造成的。
光谱分析是研究原子结构的重要手段。
原子的能级电子在原子内按照特定的能级排列，每个能级对应一定的能量。
电子在不同能级间的跃迁伴随着能量的吸收或释放。
能级的概念是量子力学的基础之一。
原子的电离当原子吸收足够的能量时，电子可以从原子中脱离出来，形成带正电的离子。
这个过程称为电离。
电离可以由热、光、电场等多种因素引起。
原子的结合能结合能是指将原子核中的核子（质子和中子）分离所需的能量。
结合能的大小与核子的排列方式有关，通常较重的原子核具有较高的结合能。
放射性衰变某些原子核不稳定，会通过放射性衰变释放能量，转变为更稳定的原子核。
放射性衰变有α衰变、β衰变等多种形式。
结束语原子物理学是物理学中一个重要的分支，它不仅帮助我们理解物质的基本组成和性质，还广泛应用于化学、生物学、医学和材料科学等领域。
掌握原子物理的基本概念和原理，对于深入理解自然界的微观现象具有重要意义。
《原子物理学》(褚圣麟)第一章 原子的基本状况
4. 量子力学和现代原子物理学 （薛定谔、狄拉克）
第1章 原子的基本状况
原子物理学的地位、作用和研究前景
1.原子物理学在材料科学中的应用 2.原子物理学在宇观研究领域中应用：星际分子、宇宙 起源等 3.原子物理学在激光技术及光电子研究领域的应用 4.原子物理学在生命科学领域中的应用 5.原子物理学化学研究领域的应用 ……… 学习原子物理学应注意的问题 1.实践是检验真理的标准 2.科学是逐步地不断地发展的 3.对微观体系不能要求都按宏观规律来描述 4.要善于观察、善于学习、善于动脑、开拓进取，不断 创新
第1章 原子的基本状况
1.2 原子的核式结构
卢瑟福1871年8月30日生于新西兰的纳尔 逊，毕业于新西兰大学和剑桥大学。 1898年到加拿大任马克歧尔大学物理学教 授，达9年之久，这期间他在放射性方面的 研究，贡献极多。1907年，任曼彻斯特大学 物理学教授。1908年因对放射化学的研究荣 获诺贝尔化学奖。1919年任剑桥大学教授， 并任卡文迪许实验室主任。1931年英王授予 他勋爵的桂冠。1937年10月19日逝世。
第1章 原子的基本状况
θ
假设α粒子以速度v入射，并且在原子附近度过的整个时间内 都受到力Fmax的作用，那么会产生多大角度的散射呢？ 由动量定理得 Fmax
t P
，
其中 t 2vR ，表示α粒子在原子附件度过的时间 1 Ze 代入Fmax的值，得： P 4 2R ( 2vR )
1 4
0
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：
F
2 Ze r
2
2
2
F
1 4 0
1
2 Ze R
3
原子物理学褚圣麟课件
原子物理学的发展也促进了其他学科的 发展。例如，在化学、生物学和地球科 学等领域，原子物理学的理论和方法被
广泛应用。
原子物理学的研究有助于深入了解物质 的基本性质和行为，为解决一些重要的
科学问题提供了重要的思路和方法。
原子物理学的发展历程
• 原子物理学的发展始于19世纪末期，当时科学家开始研究原子的结构和性质。
确和更深入的方法。 • 当前，原子物理学的研究仍然是一个活跃的领域。随着新的理论和实验技术的不断出现，原子物理学的研究将继续取得更多的重要成果和进展。
02
原子的基本结构与性质
原子的粒子结构
原子由原子核和核外电子组成 ，原子核由质子和中子组成。
原子核位于原子的中心，电子 围绕原子核运动。
电子的数量决定了元素的种类 ，而质子和中子的数量决定了 同位素的种类。
原子光谱的特征
原子光谱的特征取决于原子的能级结构。不同的原子具有不 同的能级结构，因此它们的发射光谱和吸收光谱也各不相同 。
原子光谱的应用与实例
原子光谱的应用
原子光谱在多个领域都有应用，如化学分析、天文学、量子力学等领域。通过 分析原子光谱，可以确定物质的成分、结构和性质等。
原子光谱的实例
氢原子的发射光谱是最为人们所熟知的原子光谱之一。当氢原子被激发时，它 会发射出特定波长的光线，形成氢原子的发射光谱。通过对氢原子的发射光谱 进行分析，可以确定氢气的成分和浓度等参数。
原子核的衰变规律可以用半衰期来描述，其数值范围从微秒级到宇宙尺 度的亿年。
原子核的裂变与聚变
原子核的裂变是指重核在特定条件下分裂成两个较轻的原子核，同时释放出大量的能量。
原子核的聚变是指轻核在特定条件下结合成质量较大的原子核，同时释放出大量的能量。
原子物理学与分子物理学
原子物理学与分子物理学原子物理学与分子物理学是研究物质的微观结构和性质的学科。
这两个学科密切相关且相辅相成，为我们了解和解释物质的行为提供了重要的理论基础。
本文将分别介绍原子物理学和分子物理学的基本概念、研究方法以及它们的应用领域。
一、原子物理学原子物理学是研究原子内部结构、性质和相互作用的学科。
原子是构成物质的基本单位，了解原子的性质对于理解物质的宏观特性至关重要。
原子物理学的核心内容包括原子的核外电子结构、原子的能级和谱系以及原子之间的相互作用等。
同时，原子物理学还涉及到原子的激发和辐射等现象。
原子物理学的研究方法主要包括实验和理论两大方面。
实验上，科学家通过扫描隧道显微镜、原子力显微镜等先进的仪器设备，观察和测量原子的行为和性质。
而在理论上，科学家通过运用量子力学理论和分子轨道理论等来解释和预测原子的行为。
原子物理学在许多领域有着广泛的应用。
在材料科学领域，原子物理学可以帮助我们理解并开发新型材料，提高材料的性能和功能。
在核能领域，原子物理学为核能的开发和利用提供了理论支持。
此外，在光谱学、量子计算以及天体物理学等领域，原子物理学的研究也具有重要的应用价值。
二、分子物理学分子物理学是研究分子结构、性质以及分子之间相互作用的学科。
在原子物理学的基础上，分子物理学进一步研究了由原子组成的分子的特性和行为。
分子是构成物质的基本单位之一，了解分子的结构和性质对于探究物质的化学性质至关重要。
分子物理学的研究方法也包括实验和理论两个方面。
实验上，科学家通过分子光谱技术、激光技术等手段，观察和测量分子的结构和行为。
理论上，科学家通过量子化学理论和分子动力学模拟等方法，解释和预测分子的性质和相互作用。
分子物理学的应用十分广泛。
在化学领域，分子物理学为化学反应的机理研究提供了重要的理论支持。
在生物领域，分子物理学可以帮助我们理解生物大分子（如蛋白质和核酸）的结构和功能。
此外，在材料科学、环境科学以及能源领域，分子物理学的研究也具有重要意义。
物理学中的原子物理学与分子物理学
物理学中的原子物理学与分子物理学概述原子物理学和分子物理学是现代物理学中的两个重要分支。
原子是构成物质的最小单位，原子核和电子构成了原子的主要组成部分。
分子是由两个或更多原子紧密结合而成的，可以是同种元素的原子或不同种元素的原子。
原子物理学的研究重点是原子及其内部的结构、性质和相互作用的基本规律，其研究内容包括电子结构、原子光谱、原子核结构和原子反应等。
分子物理学主要研究分子的结构、振动、转动、电子结构、光谱学和分子反应等。
本文将从原子物理学和分子物理学的基础及应用方面进行探讨。
原子物理学的基础研究电子结构电子结构是原子物理学的基础研究之一，它探讨的是原子中电子的分布和排布。
原子核中的质子和中子对电子的吸引作用形成了原子中电子的运动轨道，这些运动轨道对应着不同的能级，越靠近原子核的轨道能级越低，反之轨道能级越高。
其中，n表示主量子数，l表示角量子数，m表示磁量子数，s表示自旋量子数。
电子的物理特性决定了原子的化学性质和化学反应的进行情况。
研究电子的结构和分布有助于理解化学反应的机理和动力学。
原子光谱原子光谱是原子物理学中的一个重要领域。
在空气中电极放电、光电子轰击等能量输入的条件下，原子会发射出一系列具有特殊谱线的光。
过去，科学家们通过观察和测量这些谱线的频率和波长来研究原子结构和特性。
现代技术的发展，如激光和微波辐射等，使得原子光谱研究的精度和广度大大提高。
研究原子光谱不仅可以增加对原子结构信息的了解，还可以成为分析和检测材料的一种有效方法。
原子核结构是原子物理学的关键问题之一。
原子核由质子和中子组成，质子带正电，中子是中性粒子。
物理学家通过实验研究发现，原子核表现出明显的壳模型结构。
原子核壳模型中的核子填充方式类似于原子的电子填充方式，不同的是原子核壳层类型和个数都比原子壳层少。
通过研究原子核结构，可以了解原子核的稳定性、核反应和核能的利用和消耗等问题。
原子反应原子反应可以看作是原子核与物质相互作用的基本过程。
原子物理学-第一章
例题 2 的质子射向金箔， 若用动能为 1 MeV 的质子射向金箔，问质子和金 箔原子核（ 箔原子核（Z=79）可以达到的最小距离多大？又问 ）可以达到的最小距离多大？ 如用同样能量的氕核代替质子，最小距离为多大？ 如用同样能量的氕核代替质子，最小距离为多大？ 解：
发现电子的实验
• 1897年，汤姆孙(J.J.Thomson)测定了阴极 射线中粒子的荷质比，成为电子的发现者 • 1909年前后，密立根(likan)和他 的学生对单个电子的电荷进行了精密的测 量（密立根油滴实验）
• 目前最精密的实验给出电子的电荷和质量 (1986年国际推荐值)分别为：
• 由牛顿第二定律出发推导散射公式：
v v F = ma
v Z1 Z 2 e v 0 dv r =m 2 4πε 0 r dt
2
r的单位矢量
• 由于库仑力是中心力，而中心力满足角 动量守恒，即：
dϕ mr = L(const ) = mvb dt
2
v v mvb dv Z1 Z 2 e v 0 dv dϕ = 2 r =m 2 4πε 0 r dϕ dt r dϕ
a 2 dΩ c dρ (θ ) = ⋅ nAt θ 16 A sin 4 c 2
3，N个α粒子打到 Ω 的粒子数 ， 个 粒子打到d
a dΩ c dN = N θ 16 A sin 4 c 2
2 '
1 Z1 Z 2 e nAt = Nnt 4πε 4E 0
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晶体结构
• 假设晶体中的原子 是互 相接触的球体，密度为ρ， mol质量为A,则
4 3 V0 = = πr N 0 ρ 3
《原子物理学》PPT课件
40 2Z 1.44fmMeV/0.1nm 3105 Z rad
E (MeV)
E
15
1-2-3 解释 粒子散射实验(4)
• 带正电物质散射（汤氏模型）(4)
–电子对α粒子的偏转的贡献（对头撞）(1)
动量、动能守恒
m v0 m v1 meve ,
1 2
m v02
1 2
m v12
1 2
meve2
2
28
1-3-2 卢瑟福公式的推导 (3)
• 空心圆锥体的立体角 ~ d
ds 2 r sin rd ;
d
ds r2
2
sin d
2 b | db
A
|
a2d 16 Asin4
2
29
1-3-2 卢瑟福公式的推导 (4)
• 薄箔内有许多环: 核 ~ 环;
• 薄箔体积: At; 薄箔环数: Atn • 粒子打在Atn环上,散射角 相同
• 一个粒子打在薄箔
上被散射到 ~ -d
的几率
dp(
)
16
a2d
4
Asin
nAt
2
30
1-3-2 卢瑟福公式的推导 (5)
• N个粒子打在薄箔上测量到 ~ -d 的粒子数
dN
N a2d 16 A sin 4
nAt
ntN
1
4 0
Z1Z2e2 4E
2
d
sin4
2
2
• 微分截面(卢瑟福公式)
–重复散射也不会产生大角度
• 重复散射为随机, 平均之后不会朝一个方向 特别不会稳定地朝某一方向散射
–汤姆逊原子模型与实验不符!
18
物理学中的原子物理和凝聚态物理学
物理学中的原子物理和凝聚态物理学在自然科学领域中，物理学被认为是最基础的学科之一。
而物理学又包含了许多分支学科，比如：力学、电学、热学等等。
其中，原子物理和凝聚态物理学是两个比较重要的研究领域。
它们研究的是微观世界中微粒（如：原子、分子）的运动，以及它们如何组成宏观物质的规律。
本文将从物理学入手，探讨原子物理和凝聚态物理学这两个学科的研究内容和应用领域。
一、原子物理原子物理学是研究原子结构、原子谱线和原子碰撞等基础理论和实验，它用来解释许多重要的物理现象，如：能谱学、电介质迁移现象和等离子体物理学。
原子物理学内部领域很多，涵盖了原子的结构，原子中电荷的分布，原子的振动，自旋等等多个方面。
原子的结构是原子物理学的基础，它研究的是原子的成分和组成、各种原子元素的性质以及它们如何相互作用。
原子由电子、质子、中子组成，而电子是构成物质的基本粒子。
原子物理学最早是由约瑟夫·汤姆逊提出了原子模型，认为原子由电子和原子核组成，但随后由于发现了质子和中子等粒子，原子模型也相应地被及时地修正。
原子的振动和自旋也是原子物理中的重要研究内容。
原子具有波粒二象性，且它在气态状态下振动的方式和它的几何结构有很大的关系。
典型的振动包括电子的振动和原子中电荷的分布的振动。
而原子的自旋是指原子中电子围绕自己的轴向旋转速度。
自旋对原子的化学特性有着很大的影响，在光谱学、光子学和非线性光学研究时，自旋的作用也被广泛应用。
二、凝聚态物理学凝聚态物理学是研究物质如何组成凝聚物、凝聚物的特性以及凝聚物行为的科学。
它主要涉及的是凝聚态物理和材料物理学等若干个方面。
和原子物理不同的是，凝聚态物理更加注重物质的宏观形态和性质分析。
物质的状态分为固态、液态和气态等形态，凝聚态物理学主要关注的是固态物质中凝聚态的物理特性。
这些特性包括固体各种性质，如密度、电导率、热导率、摩擦系数等等。
凝聚态物理在新材料研发、半导体领域应用广泛，是当今信息科技、纳米科技等各领域的基础之一。
《原子物理学》(褚圣麟)
原子物理学介绍原子物理学是研究原子的性质、结构和行为的科学。
它是物理学的一个重要分支，对于了解物质的微观结构和性质具有重要意义。
在原子物理学的研究中，人们经过多年的努力探索，得到了许多重要的理论成果和实验发现，从而推动了科技的发展和人类社会的进步。
原子结构原子是物质的基本单位，由原子核和围绕核旋转的电子组成。
原子核是由质子和中子组成的，而电子则带有负电荷。
根据原子的结构，可以将原子分为几个主要的部分：质子、中子和电子。
•质子：质子是具有正电荷的粒子，它们组成了原子核。
质子的质量为1个质子质量单位（amu），电荷为+1。
•中子：中子是没有电荷的粒子，它们组成了原子核。
中子的质量也为1个质子质量单位（amu）。
•电子：电子是具有负电荷的粒子，它们围绕原子核旋转。
电子的质量很小，可以忽略不计，电荷为-1。
原子模型的发展历程人们对原子的认识是在经过长期的研究和探索后逐步建立起来的。
自古以来，人们对物质的构成和性质就有着一定的认识，但直到19世纪末20世纪初，原子模型的发展才取得了重大突破。
没有内部结构的原子模型早期的原子模型认为原子是没有内部结构的，认为原子是不可分割的基本粒子。
这一观点首先由希腊哲学家德谟克利特提出，他认为物质是由一种无可分割的基本粒子组成的。
这种观点影响了很长一段时间，直到17世纪末，英国科学家道尔顿提出了“道尔顿原子论”，认为原子是一个球状的固体物质，不可再分割。
汤姆逊的原子模型19世纪末20世纪初，英国科学家汤姆逊的实验发现了电子，他提出了第一个完整的原子模型。
汤姆逊采用了“西瓜糖果模型”，认为原子是一个正电荷均匀分布的球体，而电子则像西瓜糖果中的干果一样分布在正电荷球体内部。
卢瑟福的原子模型在汤姆逊的原子模型基础上，卢瑟福进行了阿尔法粒子散射实验，并发现了原子核。
卢瑟福的实验结果表明，原子核是非常小而密集的，而电子则围绕在原子核周围。
根据这一实验结果，卢瑟福提出了著名的“卢瑟福原子模型”，也称为“行星模型”。
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2 2 2 mvb 2 0 b 1 2 2 m m v 0 2
1-4-2 原子核大小的估计(2)
a r b 0 • 求解 r m
2 m 2
a a 2 4b 2 rm , rm 0 2 a a 4b 2 a 2 rm 1 2 (1 1 cot ) 2 2 a 2 2 a 1 (1 ) 2 a sin b cot 2 2 2
2 b| db| 2 a a 2 1 cot csc d A A2 2 2 22 2 a sind
2
16Asin
4
2
1-3-2 卢瑟福公式的推导 (3)
• 空心圆锥体的立体角 ~ d
ds 2r sin rd; ds d 2 2 sind r
2 2 12 2
• 微分截面(卢瑟福公式)
1Z Z e 1 d () d N 1 2 ( ) C d N n t d 4 Es 4 0 4 i n 2
2 2
1-3-2 卢瑟福公式的推导 (6)
• 微分截面的物理意义 2 2 1Z Z e 1 d () d N 1 2 () C d N n t d 4 Es 4 0 4 i n 2
原子物理学
• • • • • • 第一章 原子的位型: 卢瑟福原子模型 第二章 原子的量子态: 玻尔模型 第三章 原子的精细结构: 电子自旋 第四章 多电子原子:泡利原理 第五章 X射线 第六章 原子核物理概论
第一章 原子的位型: 卢瑟福原子模型
1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 背景知识 卢瑟福模型的提出 卢瑟福散射公式 卢瑟福公式的实验验证 行星模型的意义及困难
散射后的粒子
散射后的电子
2 m v 2 m v 0 0 v 2 v e 0 m m m e p m v m v m v 2 m v 0 1 e e e 0
1-2-3 解释 粒子散射实验(5)
• 带正电物质散射（汤氏模型）(5)
–电子对α 粒子的偏转的贡献（对头撞）(2)
d mr L dt
2
2
中心力角动量守恒
2 ZZe d vd 0 1 2 r m 2 4 r d d t 0
2 2 Z e Z Z e 1 Z 0 0 1 2 d v d r 1 2 d r 4 4 L 2d 0m 0 r d t
1-3-1 库仑散射公式的推导(5)
3
1-3 卢瑟福散射公式
1. 库仑散射公式的推导 2. 卢瑟福公式的推导
1-3-1 库仑散射公式的推导(1)
• 远离靶核的入射能量E,电荷Z1e的带电粒子与电 荷Z2e的靶核散射
瞄准距离 碰撞参数 散射角
1-3-1 库仑散射公式的推导(2)
• 库仑散射公式
a b ctg 2 2
Z 1Z 2e a 4 0 E
1. 原子正负电荷如何分布? 2. 粒子散射实验 3. 解释 粒子散射实验
1-2-1 原子正负电荷如何分布? (1)
• 汤姆逊原子模型
正电荷均匀分布在整个原子球体内， 电子镶嵌在其中（同心球壳上）。
• 卢瑟福的核型结构模型
原子是由带正电的原子核和核外 作轨道运动的电子组成
1-2-2 粒子散射实验(1)
1-1 背景知识
1. 电子的发现 2. 电子的电荷和质量 3. 原子的大小
1-1-1 电子的发现
• 汤姆逊阴极射线实验 +
–实验装置
D C E P1 -
H⊙
A ,B +
P2
–阴极射线(C)狭缝(A,B)金属板(D,E)荧光屏 –D,E加电场 E 射线P1 P2 阴极射线带负电 –再加磁场H 射线P2 P1 Hev=Ee v=E/H –去掉电场 射线半径r mv2/r= Hev e/m=v/Hr
1
sin 2
4
,
2
• 同一(粒子源,材料的散射体,散射角)
dN t d
• 同一(散射体,散射角)
dN 1 2 d E
dN ~ Z 22 d
• 同一(粒子源,散射角, nt)
1-4-1 盖革 — 马斯顿实验(2)
• 盖革 — 马斯顿实验证实了上述规律
1-4-2 原子核大小的估计(1)
ZZ 0 1 2e dv 40L r d;
2
d v vvvv e
f i f i u
1 2 1 2 E m v m v v v v ; vf v vs in i f i f i 2 2 2 2
1-3-1 库仑散射公式的推导(6)
r d ( i c o s j s i n ) d 2 c o s i s i n j c o s 2 2 2
– 对于单位面积内每个靶原子核 ,单位入射粒子 ,单位 立体角内的散射粒子数 –微分截面有面积的量纲,表示粒子散射到 方向单 位立体角内每个原子的有效散射截面 –微分截面的单位: (m2/sr)(米2/球面度) 2 8 2 3 12 –截面的单位: 靶恩(靶, b): 1 b 1 0 m , 1 m b 1 0 m 微分截面的单位: b/sr
1 2Ze2 F 4 0 R2
p’
p
p
–散射角
p p
–动量的变化~力乘以粒子在原子度过的时间2R/v
1-2-3 解释 粒子ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ射实验(3)
• 带正电物质散射（汤氏模型）(3)
–相对动量的变化
2
2 2 Z e /(4 0R ) p 2F R/ v E 1 p mv 2 mv R 2 2Z 1 .4 4 fm M eV /0 .1 n m 5 Z 3 1 0 rad E eV ) E (M
2 1 2 e 1 2 ZZ 1 2 v E m v m 0 m 2 2 4 0r m m vmr 0b m m L v
2 Z Z e L 12 2 2 2 r r ; r a r b 0 m m m m 2 m E4 E 0 2
2 ZZe a 1 2 , 4 0E
2
库仑散射因子
1-3-1 库仑散射公式的推导(3)
• 假定：
1. 2. 3. 4. 单次散射 点电荷，库仑相互作用 核外电子的作用可略 靶原子核静止（靶核重，晶体结构牢固）
1-3-1 库仑散射公式的推导(4)
• 推导库仑散射公式
Z Z e 0 d v 1 2 F m a 2r m 4 r d t 0
1-1-2 电子的电荷和质量(2)
• 密立根油滴实验 (2)
–原子呈中性，原子中具有带负电的电子， 必定有带正电的物质(对于氢原子，这 种带正电荷的物质称为质子)
原子 = 正电物质 + 负电物质 + 不带电物质
1-1-2 电子的电荷和质量(3)
• 原子质量单位 [u]
–1[u] ≡ 1个12C 原子质量/12 . 12 克 1 24 [ 克 ] 1 . 66 10 [ 克 ] 12 N N A A
2 4
16Asin
2
nAt
1-3-2 卢瑟福公式的推导 (5)
• N个粒子打在薄箔上测量到 ~ -d 的粒子数
1Z d Z e a d d N N n A t n t N 4 4 E 4 4 0 1 6s A i n s i n 2 2
2b | db | a2d A 4 16Asin 2
1-3-2 卢瑟福公式的推导 (4)
• 薄箔内有许多环: 核 ~ 环; • 薄箔体积: At; 薄箔环数: Atn • 粒子打在Atn环上,散射角 相同 • 一个粒子打在薄箔 上被散射到 ~ -d 的几率
dp() a d
0
0
eu
1-3-1 库仑散射公式的推导(7)
Z Z e 1 Z Z e 1 v s i n c o s c o s 24 L 24 m v b 2
2 12 2 12 0 0
a b ctg 2 2
Z 1Z 2e 2 a 4 0 E
mv E 2
– 原子的正电荷Ze对入射的 粒子(2e)产生的力
1 4 0 F 1 4 0 2Ze2 r2 2Ze2 r 3 R rR rR
R r
原子半径
1-2-3 解释 粒子散射实验(2)
• 带正电物质散射（汤氏模型）(2)
– 正电荷Ze对粒子(2e)的最大力
1-4 卢瑟福公式的实验验证
1. 盖革 — 马斯顿实验 2. 原子核大小的估计
dN • 同一(粒子源, 散射体) d
1-4-1 盖革 — 马斯顿实验(1) 2 2 1Z Z e 1 d () d N 1 2 () C d N n t d 4 Es 4 0 4 i n
•实验装置
α 粒子散射实验：
探测器
α 粒子
金原子
1-2-2 粒子散射实验(2)
• 实验结果：
–绝大多数 粒子散射角： ~ 2º- 3º –1/8000的 粒子散射角：> 90º
• 奇怪
–相当于炮弹被一张纸反弹回来一样！
1-2-3 解释 粒子散射实验(1)
• 带正电物质散射（汤氏模型）(1)
1-1-2 电子的电荷和质量(1)
• 密立根油滴实验 (1)
–测得电子电量为：e = 1.6×10-19 C (库仑) 电子质量 me = 9.1×10-31 kg –密立根首次发现了电荷的量子化 • 电荷只能是 e 的整数倍 e + –若知H (质子）的荷质比 m p me 1