原子物理学

油滴
喷雾嘴
望远镜 X-射线
电极板
基本常数
• e=1.60217733×10^(-19)C • m=9.1093897×10^(-31)kg。
质量最轻的氢原子： 1.673×10-27kg
原子质量的数量级： 10-27kg——10-25kg
原子的半径——10-10 m（0.1nm）
N0 =6.022169×10^(23) /摩尔
物理学
固体物理学 物理化学 天体物理学 等离子体物理 生物学 地球物理学
技术方面
量子电子学 医疗技术 通讯技术
应用方面
空间研究 环境（污染检测） 能源问题 基本常数的确定
德谟克利特（Democritus，公元前460~公元前370）： 古希腊伟大的唯物主义哲学家，原子论学说的创始人
1. 原子是内部绝对充实而 不可分割的微粒；
dn' Z 2 dΩ'
原子核半径的估算(能量守恒定律)
原子的组成
核式结构——原子由原子核 及核外电子组成 原子的半径——10-10 m（0.1nm） 原子核半径－ 10-14 m 电子半径－ 10-18 m
卢瑟福原子模型的意义及困难
1.意义： ① 提出了原子的核式结构，即以核为中心的概
念； ② 粒子散射实验为人类开辟了一条研究微观粒
)2
(
Ze2 MV 2
)2
dΩ
sin4
θ 2
盖革－马斯顿实验（ α 粒子散射实验）
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：
原子量A：一摩尔原子的以克为单位质量数
汤姆逊原子模型－“葡萄干果冻”式模型
粒子散射
放射源
金箔
荧光屏 显微镜 A
D
B
C
观测 粒子散射的仪器装置示意图
汤姆逊模型的困难
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90°的
估算约为10-3500 , 而实验为1/8000. 其中有接
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。
2.困难： ① 原子稳定性问题； ② 原子线状光谱问题。
质谱仪示意图
作业：（p 20）1，2，3, 7（选做）
思考题： (1) 卢瑟福依据什么提出他的原子模型? (2) 卢瑟福模型与汤姆逊模型的主要区别是 什么?
dΣ N' dσ NAtdσ n A dn dΣ
dn dΣ Ntdσ nA
dσ dn nNt
将卢瑟福散射公式代入并整理得：
dn dΩ
sin4
θ 2
1 (
4π 0
)2 (
Ze2 MV 2
)2
nNt
Rutherford 理论的实验验证
dn dΩ
sin4
θ 2
1 (
4π 0
)2 (
Ze2 MV 2
2. 同质，只有形状、位置 和排列的区别。
电子的发现
• 1897年，汤姆逊通 过阴极射线管的实 验发现了电子，并 进一步测出了电子 的荷质比: e/m
• 汤姆逊被誉为: “一 位最先打开通向基 本粒子物理学大门 的伟人.”
电子的存在
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”。
Ek Ze 2
b
上式反映出b和的对应关系 。b小， 大； b大，小
粒子散射角与瞄准距离的关系
环形面积：
dσ 2bdb
1 π(
4π 0
)2
(
2Ze2 Mv 2
)2
cos
θ 2
sin3
θ 2
dθ
空心锥体的立体角：
d 2sind 4sin cos d
22 卢瑟福散射公式 ：
dσ
1 (
4π 0
原子物理学 Atomic Ph60%； 平时30%(随机点名)；期中10%
• 本学期讲授内容从第一章到第六章 前半部分，其余内容留待自学。
教材： 褚圣麟，原子物理学，北京： 高等教育出版社
参考教材： 杨福家，原子物理学，北京： 高等教育出版社
原子物理学
近180°的. 必须重新寻找原子的结构模型.
卢瑟福的核式模型
The Basics of an Atom
原 子 模 型
Rutherford 散射公式 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。
由理论力学得到：
ctg
θ 2
4π 0
Mυ2 2Ze 2
b
4π 0
)2 nNt
dn' dΩ'
dn dΩ
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' sin4 θ C dΩ' 2
（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：
dn' t dΩ'
dn' 4 C
dΩ'
（4）用同一个粒子源，在同一个 散射角，对同一 N t 值：