原子物理学_课件..
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哈工大原子物理学课件第一章
狭义相对论与自然单位制
狭义相对论是基于物理学家爱因斯坦的理论，它描述了高速运动物体的特殊相对性原理。原子物理学中使用自 然单位制来简化计算和表达。
光的物理学
光是电磁波的一种，具有波粒二象性。光的干涉与衍射现象揭示了光的波动 特性。波长、频率与能量之间有着密切的关系。
光谱学
光谱学是研究物质与光之间相互作用的科学。通过测量光谱数据，可以对物 质进行分析和识别。
原子模型
原子模型是对原子内部结构的理论描述。玻尔原子模型和波尔-索末菲黑原子模型为我们理解原子的结构和性 质提供了重要的基础。
原子能级
原子能级指的是原子内部的电子能量水平。氢原子的能级结构较为简单，而 的发射光谱、吸收光谱和荧光光谱可以揭示原子内部的能级跃迁过程。这些光谱在实际应用中具有重要的 作用。
总结
通过学习原子物理学的基本概念和原子能级与光谱的关系，我们能够更好地 理解微观世界的奥秘，并应用于相关领域。
哈工大原子物理学课件第 一章
哈工大原子物理学课件第一章介绍了原子物理学的导言，狭义相对论，光的 物理学，光谱学，原子模型，原子能级，原子光谱，以及对哈尔滨工业大学 相关课程的概述。
原子物理学研究对象及意义
原子物理学是研究微观世界中的物质结构、性质和相互作用的学科。它的研究对象包括原子、分子和原子核等 微观粒子，具有重要的科学和应用价值。
原子物理学课件--第四章
l = l1 + l2 , l1 + l2 −1,⋯,| l1 −l2 |
l1 = 0, l2 = 1;
l = 1;
s1 = s2 = 1/ 2
1 → j = 2,1, 0; → P0 , P , P2 1 s= 1 0 → j =1 → P 1
3 3 3
4.2.5.由电子组态到原子态 4.2.5.由电子组态到原子态(2) 由电子组态到原子
4.2.1.电子组态(1) 4.2.1.电子组态(1) 电子组态
• 电子组态:原子中各个电子所处的状态 电子组态: • 电子状态用nl 两个量子数描述 电子状态用 •例
–氢原子基态的电子组态: 1s 氢原子基态的电子组态: 1s 氢原子基态的电子组态 –氦原子基态的电子组态: 1s1s=(1s)2 氦原子基态的电子组态 氦原子基态的电子组态: 1s1s=(1s)
两种耦合得到的J值相同 两种耦合得到的 值相同 耦合得到的 两种耦合得到的原子态数相同 两种耦合得到的原子态数相同 耦合
4.2.5.由电子组态到原子态 4.2.5.由电子组态到原子态(3) 由电子组态到原子
• 例三 L-S 耦合 组态 例三: 耦合pd
l1 = 1, l2 = 2;
s1 = s2 = 1/ 2
3 3 3
3 l = 2; 1
1 s= ; 0
4.2.5.由电子组态到原子态(4) 4.2.5.由电子组态到原子态 由电子组态到原子
• 例四 L-S 耦合 组态 例四: 耦合ss 1 3 S0 , S1 • 例五 L-S 耦合 组态 例五: 耦合pp 1 S0 , 3S1 ; 1P , 3 P2,1,0 ; 1D2 , 3 D3,2,1 1 • 为什么电子组态一定,有两套能级? 为什么电子组态一定,有两套能级?
原子物理学课件--第五章
• 为什么电子组态一定,有两套能级?
–两个电子,给定电子组态 合成的原子态分为两类: 一类为三重态,自旋平行(S=1) 一类为单一态,自旋反平行(S=0)
5.2.5.由电子组态到原子态(5)
• L-S 偶合与 j-j 偶合
– L-S偶合一般适用于较轻的原子和低激发态； – j-j偶合一般适用于较重的原子和高激发态
两种耦合得到的J值相同
两种耦合得到的原子态数相同
5.2.5.由电子组态到原子态(3)
• 例三: L-S 耦合pd 组态
l1 1, l2 2;
s1 s2 1/ 2
J 4,3, 2 3 F4 , 3 F3 , 3 F2 1 J 3 F3 J 3, 2,1 3 D , 3 D , 3 D 3 2 1 1 D2 J 2 J 2,1, 0 3 P , 3 P , 3 P 2 1 0 1 P 1 J 1
ml1 1, 0, 1 ml2 1, 0, 1
ml ml1 ml2
l l1 l2 , l1 l2 1,L ,| l1 l2 |
l1 = 1, l2 = 1 l = 2, 1, 0
5.2.4.选择规则(1)
• L-S 耦合选择规则
S = 0 L = 1 J = 0 , 1 ( 0 0 的跃迁除外)
5.1.3.理解能级图（2）
• 电子组态一定,有两套能级:
–单一态（S = 0），三重态（S = 1) –三重态能级小于单一态能级
• 选择定则: S 0
–单重态和三重态之间无跃迁; –套内跃迁两套线系: 仲氦(单一态), 正氦 (三 重态)
5.1.3.理解能级图（3）
• 三重态中,无 (1s)2 13S1 态 • 存在亚稳态
原子物理 杨福家 课件
例 如 氢 的 原 子 量 是 l.0079、 碳 是 1 2 . 0 11 7 、 氧 是 15.999、铜是63.54。原子量可用化学方法测定。
知道了原子量，就可以求出原子质量的绝对值：
A M A N0
(1)
其中，A 为原子量，MA为原子质量，N0 为阿伏伽德罗常数。
由(1)式可算出氢原子的质量为：
“原子”一词来自希腊文，含义是“不可分 割的”。公元前四世纪，古希腊哲学家德谟 克利特(Democritus)提出了这一概念，并把 它当作物质的最小单元。
1807年，英国科学家约翰 ·道尔顿(John Dalton)提出原子论。 他认为原子类似于刚性的小球，它们是物质世界的基本结构单元， 是不可分割的。
原子物理学(Atomic Physics)
主讲：侯春风 教授 哈尔滨工业大学物理系
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》，高等教育出版社 周尚文，《原子物理学》，兰州大学出版社 赵凯华、罗蔚茵，《量子物理》，高等教育出版社
物理学是研究物质结构、相互作用和物质运动最基 本、最普遍的规律的科学，它的研究对象十分广泛。
1897年，德国的考夫曼(W．Kaufman)做了类似的实验，他测到 的e/me数值远比汤姆逊的要精确，与现代值只差1％。他还观察 到e/me值随电子速度的改变而改变。但是，他当时没有勇气发 表这些结果，因为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。
1.3 原子的核式结构
4 0R3
rR rR
FR
Z1Z2e2
4 0r 2
1.3.2 粒子散射理论
设有一个 粒子射到一个原子附近，二者之间有库仑斥力。 在原子核的质量比 粒子的质量大得多的情况下，可以认为前 者不会被推动。 粒子受库仑力的作用而改变运动方向，如下 图所示。图中 v 是 粒子原来的速度，b 是原子核离 粒子原运 动路径的延长线的垂直距离，称为瞄准距离。由力学原理可以证
知道了原子量，就可以求出原子质量的绝对值：
A M A N0
(1)
其中，A 为原子量，MA为原子质量，N0 为阿伏伽德罗常数。
由(1)式可算出氢原子的质量为：
“原子”一词来自希腊文，含义是“不可分 割的”。公元前四世纪，古希腊哲学家德谟 克利特(Democritus)提出了这一概念，并把 它当作物质的最小单元。
1807年，英国科学家约翰 ·道尔顿(John Dalton)提出原子论。 他认为原子类似于刚性的小球，它们是物质世界的基本结构单元， 是不可分割的。
原子物理学(Atomic Physics)
主讲：侯春风 教授 哈尔滨工业大学物理系
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》，高等教育出版社 周尚文，《原子物理学》，兰州大学出版社 赵凯华、罗蔚茵，《量子物理》，高等教育出版社
物理学是研究物质结构、相互作用和物质运动最基 本、最普遍的规律的科学，它的研究对象十分广泛。
1897年，德国的考夫曼(W．Kaufman)做了类似的实验，他测到 的e/me数值远比汤姆逊的要精确，与现代值只差1％。他还观察 到e/me值随电子速度的改变而改变。但是，他当时没有勇气发 表这些结果，因为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。
1.3 原子的核式结构
4 0R3
rR rR
FR
Z1Z2e2
4 0r 2
1.3.2 粒子散射理论
设有一个 粒子射到一个原子附近，二者之间有库仑斥力。 在原子核的质量比 粒子的质量大得多的情况下，可以认为前 者不会被推动。 粒子受库仑力的作用而改变运动方向，如下 图所示。图中 v 是 粒子原来的速度，b 是原子核离 粒子原运 动路径的延长线的垂直距离，称为瞄准距离。由力学原理可以证
原子物理学-第一章PPT课件
，但是随着社会生产的发展，如：冶金，内燃机，蒸汽机
等的采用，促进了科学的迅速发展，一方面提出了新的科
学问题，另一方面也为科学工作提供了更好的条件．因此
，物理学在这个时期以后得到了迅速发展．
①．光谱资料的大量积累．
②．许多重大发现产生．
1885年 巴耳末发现光谱线规律。
1887年 赫兹发现光电效应
.
2
.
18
高高等 等学学校校试试用用教教材材
粒子受原子作用后动量发生变化：
pFmaxt
4Ze2
40RV
最大散射角： tg p p40 4 R Z2V eV M 40 4 R Z2 M eV2 ~104
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；如果考虑多次小角散射合成， 散射角大于90°的概率约为10-3500. 必须重 新寻找原子的结构模型。
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 的千分之几，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。
( a) 侧视图 (b) 俯视图。 R:放射源；F:散射箔； S:闪烁屏；B:金属匣
§1.1 原子的质量和大小 原子质量 1. 相对质量－－原子量
把碳在自然界中最丰富的一种同位素12 C的质量定为 12.0个单位作为原子质量的标准，其它原子的质量同 其相比较，定出质量值，这个数值称为原子量． 例， Ｈ：1.0079 O ： 15.999 Cu ：63.54 原子量可以用化学方法测得．
说是：
（1） 实践理论再实践再理论．．．．．．，或者说：实
践是检验真理的标准．
原子物理学褚圣麟PPT课件
Z*e
r
H
e•
v
m
Z*e
H
r •e
轨道角动量 pl mvr sin
附加能量
Bpl
s
Els p jsB cos
p s
cos
B
0Z *ev
4πr 2
sin
p2j pl2 ps2
2 pl ps
第22页/共42页
4.4 电子自旋同轨道运动的相互作用
➢ 附加能量按相对论处理结果（1925年）
n 相同，l 不同的能级高低差别很大
第8页/共42页
4.1 碱金属原子的光谱
例 Na 原子的基态为3S，已知其共振线波长为 589.3nm, 漫线系第一条的波长为819.3nm, 基线系第 一条波长为1845.9nm, 主线系的系限波长为241.3nm, 试求 3S、3P、3D、4F 各谱项的项值。
p,l 1 n* 1.960 2.956 3.954 4.954
T
12202. 5 6862. 5 4389. 2
d,l 2 n*
2.999 3.999 5.000
f ,l
3
T
n*
6855. 5 4381. 2
4.000 5.004
3499. 6 2535. 3
5.599 6.579
3094. 4 2268. 9
V
1.85V
辅线系
~
n
~
R n*2
n*
~
n
~
E hc
第一激发 态能量
eU2
E
hc
5.6 4 8 81 019 J
U2 3.52V U U1 U2 5.38V
第27页/共42页
原子物理学课件
原子物理学课件第一部分：原子结构原子是物质的基本组成单位，由原子核和电子组成。
原子核位于原子的中心，由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电。
电子带负电，围绕原子核运动。
原子的结构可以用波尔模型来描述。
波尔模型认为，电子在原子核周围的运动是量子化的，即电子只能处于特定的能级上。
当电子从一个能级跃迁到另一个能级时，会吸收或发射特定频率的光子。
原子物理学的研究对象包括原子、分子和凝聚态物质等。
原子物理学的研究方法包括实验和理论计算。
实验方法包括光谱学、散射实验和原子碰撞实验等。
理论计算方法包括量子力学、量子场论和统计力学等。
原子物理学的研究对于理解物质的基本性质和结构具有重要意义。
原子物理学的研究成果在许多领域都有应用，如材料科学、化学、生物学和天文学等。
第二部分：量子力学与原子量子力学是描述原子和亚原子粒子的运动和相互作用的物理理论。
在量子力学中，粒子的位置和动量不能同时精确测量，这就是著名的海森堡不确定性原理。
在原子物理学中，量子力学被用来解释电子在原子中的运动。
根据量子力学，电子不是像波尔模型那样在固定的轨道上运动，而是在原子核周围形成概率云。
电子在原子中的能级是量子化的，这意味着电子只能处于特定的能级上。
量子力学在原子物理学中的应用还包括解释原子光谱和原子碰撞现象。
原子光谱是原子发射或吸收光子时产生的光谱线，这些光谱线可以用来确定原子的能级结构。
原子碰撞是指原子之间或原子与其他粒子之间的相互作用，这些相互作用可以导致原子能级的变化。
量子力学是原子物理学的基础，它为我们理解原子的性质和行为提供了重要的理论工具。
量子力学的研究成果不仅对原子物理学的发展具有重要意义，也对其他物理学领域的研究产生了深远的影响。
第三部分：原子物理学的发展与应用原子物理学的发展历程可以追溯到19世纪末20世纪初，当时科学家们开始研究原子的结构和性质。
随着量子力学的发展，原子物理学逐渐成为一门独立的学科。
原子物理学的研究成果在许多领域都有应用，如材料科学、化学、生物学和天文学等。
原子物理学PPT课件
这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是
这些谐振子只可能处于某些分立的状态中，
谐振子的能量并不象经典物理学所允许的
可具有任意值。
黑体内的驻波
Planck假设：振子振动的能量是不连
续的，只能取最小能量ε0 的整数倍 ε0, 2ε0, 3ε0, …, nε0, 即 E =nε=nhv ， 其 中
n=1，2，3…称为量子数，式中h为一个
e
e +
能量辐射损失
4
原子稳定性困难(续)
r
核 离心力与库仑力平衡 式
me
v2 r
Ze2
4 0r2
模 角动量 型
L mevr
的 困 难
经典电动力学，单 位时间内辐射能量
P
2 3
1
4 0
e2 c3
a2
2 ( 1 )7
3 4 0
e2 c3
me2
(Ze2 )6 L8
动能耗尽
P
1 2
mev2
电子加速运动辐射电磁波，能量不断损失，电子回转半径
瞬时性问题 按经典理论，电子逸出金属所需的能量，需要有
一定的时间来积累，一直积累到足以使电子逸出金属
表面为止.与实验结果不符 .经典的驰豫时间50min，
光电效应的不超过1ns
27
二 光子 爱因斯坦方程
（1） “光量子”假设 光子的能量为 h
（2） 解释实验
爱因斯坦方程 h 1 mv2 W
2
31
光源
分光器
记录仪
棱镜摄谱仪示意图
32
（三）光谱的类别
光谱分类
线状谱 带状谱
连续谱
原子谱. 如:钠灯 分子谱
固体.如:白炽灯
原子物理学PPT课件
.
18
原子物理学
第九章 分子结构与分子光谱
9.2 分子光谱和分子能级
二、分子内部的运动状态及能级分类
3、分子的转动和转动能级
这是分子的整体转动，对双原子分子要考虑的转动是 转动轴通过分子质量中心并垂直于分子轴(原子核间的联线) 的转动。对多原子分子的转动，如果分子的对称性高，也 可以进行研究。转动能量也是量子化的，但比前二种能量 要小得多，转动能级的间隔只相当于波长是毫米或厘米的 数量级。
以上简单地叙述了原子结成分子的几种方式。
.
15
原子物理学
第九章 分子结构与分子光谱
9.2 分子光谱和分子能级
从分子的光谱可以研究分子的结构，分子光谱比原子 光谱要复杂得多。就波长的范围说，分子光谱可以有如下 三类别。
一、分子光谱的类别
（1）远红外光谱，波长是厘米或毫米的数量级。
（2）近红外光谱，波长是构与分子光谱
9.2 分子光谱和分子能级
二、分子内部的运动状态及能级分类
2、构成分子的诸原子之间的振动和振动能级
这也就是原子核带同周围的电子的振动，在9.1 节已 经提到双原子分子沿着轴线振动。多原子分子的振动就比 较复杂，是多种振动方式的叠加。振动的能量是量子化的， 振动能级的间隔比电子能级的间隔小。如果只有振动能级 的跃迁，而没有电子能级的跃迁，所产生的光谱是在近红 外区，波长是几个微米的数量级。
起着势能作用。这个“势能”随原子核距离的变化如果
出现最低值，分子就能构成，如果没有最低值，分子就
不能构成。
分子中的电子可以处在激发态，这也可以由分离原
子变到联合原子的相应激发态来考虑。同样也只有那些
“势能”随原子核距离的变化具有最低值的才是分子的
原子物理学杨福家ppt课件
如果两个平面的距离是 d asin
n 2d cos 2asin cos asin 2 asin
n a sin ——布拉格公式。
因此由加速电压就可以求得波长。将波长带入布拉 格关系式中，得
n1.226 a sin
Ek
E1 2 k
n 1.226
a sin
nk
所以上式中右端是一个常数的整数倍。式子表示， 当V值逐渐变化，其平方根等于一个常数的整数倍时，接 收器收到的电子数量应增加。这与实验结果符合得很好。
射的图样，并证明了测量准确度范围内 h p 的正确性。
实验原理
衍射图象
1937年，戴维逊和汤姆逊因电子的衍射现象，证实了 电子波而共同获得了诺贝尔物理学奖。
此后，琼森(Jonsson)实验作了大量电子的单缝、双 缝、三缝和四缝衍射实验。
单缝 双缝 三缝 四缝
基本 a 0 .3μ m d 1μ m 数据 V 5 0 kV 5 .0 1 0 3 n m
(2)当不变时，I与V的关系如 右图，当V改变时，I亦变；而 且随着V周期性的变化。
电子在晶体中的散射是射线 的一个特例，这时的散射平面既 是一个镜面，又是一个晶面，这 种面被称为布拉格面，所产生的 衍射又称为布拉格衍射。由两平 面衍射的波应该有相同的位相， 就是说两束波的波程差应该等于 波长的整数倍。
在玻尔理论中，原子中的电子的角动量、能量都只
能取一些值的整数倍，如电子轨道的角动量 L n ，
他认为这种整数现象是波的特征，如波的衍射现象。
在1923年9-10月，德布罗意一连写了三篇论文，提 到所有的物质粒子都具有波粒二象性，认为任何物体伴随 以波，而且不可能将物体的运动和波的传播分开。
给出粒子的动量p与这伴随着的波的波长λ之间的关 系为：
n 2d cos 2asin cos asin 2 asin
n a sin ——布拉格公式。
因此由加速电压就可以求得波长。将波长带入布拉 格关系式中，得
n1.226 a sin
Ek
E1 2 k
n 1.226
a sin
nk
所以上式中右端是一个常数的整数倍。式子表示， 当V值逐渐变化，其平方根等于一个常数的整数倍时，接 收器收到的电子数量应增加。这与实验结果符合得很好。
射的图样，并证明了测量准确度范围内 h p 的正确性。
实验原理
衍射图象
1937年，戴维逊和汤姆逊因电子的衍射现象，证实了 电子波而共同获得了诺贝尔物理学奖。
此后，琼森(Jonsson)实验作了大量电子的单缝、双 缝、三缝和四缝衍射实验。
单缝 双缝 三缝 四缝
基本 a 0 .3μ m d 1μ m 数据 V 5 0 kV 5 .0 1 0 3 n m
(2)当不变时，I与V的关系如 右图，当V改变时，I亦变；而 且随着V周期性的变化。
电子在晶体中的散射是射线 的一个特例，这时的散射平面既 是一个镜面，又是一个晶面，这 种面被称为布拉格面，所产生的 衍射又称为布拉格衍射。由两平 面衍射的波应该有相同的位相， 就是说两束波的波程差应该等于 波长的整数倍。
在玻尔理论中，原子中的电子的角动量、能量都只
能取一些值的整数倍，如电子轨道的角动量 L n ，
他认为这种整数现象是波的特征，如波的衍射现象。
在1923年9-10月，德布罗意一连写了三篇论文，提 到所有的物质粒子都具有波粒二象性，认为任何物体伴随 以波，而且不可能将物体的运动和波的传播分开。
给出粒子的动量p与这伴随着的波的波长λ之间的关 系为：
原子物理学(X射线)ppt课件
– K系列:谱线: K , K , K , … , – L系列:谱线: L , L , L , … , – M系列:谱线: M , M , M , … , – N系列:谱线: N , N , N , … ,
• K谱线频率莫塞莱经验公式
K 0.2461016(ZK)2H z K1
莫塞莱定律提供了精确测量Z的方法 .
• 康普顿散射的实验装置 • 康普顿散射的实验规律 • 经典考虑 • 量子解释 • 几点讨论 • 康普顿散射与基本测量
.
5.3.1.康普顿散射的实验装置
X 射线在石墨上的散射
X 射线管
晶体
光阑
散射波长
0
j
探
测
器
石墨体 (散射物质. )
X 射线谱仪
.... .. .............................................................................
h
0
n0
h
n
m
v
h0 e j
m0
自由电子(静止)
mv
m c2m oc2h(0-)m oc2hc( 1 0- 1)
(m c2 )2 (m o c2 )2 2 m o c 3 h (1-1) (h c )2 (1-1)2
0
0
(mv)2(h0)2(h)22h02 cosj .
5.3.4.量子解释(3)
5.1.4.X射线的衍射(1)
• 电磁波通过狭缝衍射
–要求波长与狭缝的大小同数量级
• X射线波长数量级:0.1nm
– 0.1nm的狭缝难以制造
• 晶体: 原子(格点)有规则排列的结构
– 晶格常数d : 相邻格点的距离 – 晶格常数d的数量级与X射线波长数量级相同
• K谱线频率莫塞莱经验公式
K 0.2461016(ZK)2H z K1
莫塞莱定律提供了精确测量Z的方法 .
• 康普顿散射的实验装置 • 康普顿散射的实验规律 • 经典考虑 • 量子解释 • 几点讨论 • 康普顿散射与基本测量
.
5.3.1.康普顿散射的实验装置
X 射线在石墨上的散射
X 射线管
晶体
光阑
散射波长
0
j
探
测
器
石墨体 (散射物质. )
X 射线谱仪
.... .. .............................................................................
h
0
n0
h
n
m
v
h0 e j
m0
自由电子(静止)
mv
m c2m oc2h(0-)m oc2hc( 1 0- 1)
(m c2 )2 (m o c2 )2 2 m o c 3 h (1-1) (h c )2 (1-1)2
0
0
(mv)2(h0)2(h)22h02 cosj .
5.3.4.量子解释(3)
5.1.4.X射线的衍射(1)
• 电磁波通过狭缝衍射
–要求波长与狭缝的大小同数量级
• X射线波长数量级:0.1nm
– 0.1nm的狭缝难以制造
• 晶体: 原子(格点)有规则排列的结构
– 晶格常数d : 相邻格点的距离 – 晶格常数d的数量级与X射线波长数量级相同
原子物理学_课件PPT课件
总的微分散射截面
d ' md nAtd
第35页/共48页
d
dN I
a 4
2
1
sin4
d
2
d ' md dN '
I
d
'
nAt
a 4
2
1
sin4
d
2
dN ' I
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2
1
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AId
nt
a 4
2
1
sin 4
2
2
dN '
Nd
nt
a 4
2
1
sin4
第12页/共48页
Sir Joseph John Thomson
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.”
J.J. Thomson 1897 放电管
1906诺贝尔物理学奖
第13页/共48页
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， qB qE E / B 。
第8页/共48页
1833年 法拉第电解定律
W M Q F
1857年德国玻璃工海因里希·盖斯勒发明了更好的泵来抽 真空，由此发明了盖斯勒管
1858德国普吕克利用“盖斯勒管”研究气体放电，辉光现 象随磁场变化改变形状
1869其学生西多夫10万分之一大气压下，物体置入阴极 与荧光屏之间会有影子，射线起源于阴极，射线直线传播
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机械原子学说 17世纪 Newton
原子
有质量的球形微粒 通过吸引力机械地结合成宏观物体
原子的运动是机械位移，遵守力学定律
d ' md nAtd
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d
dN I
a 4
2
1
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2
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1
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Sir Joseph John Thomson
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.”
J.J. Thomson 1897 放电管
1906诺贝尔物理学奖
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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， qB qE E / B 。
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1833年 法拉第电解定律
W M Q F
1857年德国玻璃工海因里希·盖斯勒发明了更好的泵来抽 真空，由此发明了盖斯勒管
1858德国普吕克利用“盖斯勒管”研究气体放电，辉光现 象随磁场变化改变形状
1869其学生西多夫10万分之一大气压下，物体置入阴极 与荧光屏之间会有影子，射线起源于阴极，射线直线传播
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机械原子学说 17世纪 Newton
原子
有质量的球形微粒 通过吸引力机械地结合成宏观物体
原子的运动是机械位移，遵守力学定律
《原子物理学》PPT课件
R
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
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
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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
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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(
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a2d
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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
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Z1Z2e2 4E
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2
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• 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!
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原子物理学全套精品课件
发现电子——汤姆逊栆糕模型——卢瑟福的 散射实验——否定了汤姆逊模型——无法解释大 角散射——卢瑟福提出核式结构模型——由卢瑟 福模型进一步推出散射理论——散射理论被实验 验证——卢瑟福提出核式结构模型正确。
三、学习原子物理学需要注意的问题：
1、掌握原子物理学研究问题的方法： 根据事实提出合理的假设，看这个 假设能否说明实验事实或与进一步的实验 事实相符或由此推出较深的理论，由进一 步的实验验证理论的正确性。这是一个理 论与实践多次反复的过程。
原子物理学
原子物理学绪论
一、原子物理课程说明
课程性质：原子物理学是物理学专业的一门重要的基础课程。 学时: 48
考试成绩构成说明： 期末考试成绩: 70% 30% 平时成绩（作业、出勤、学习态度、课堂提问）:
二、原子物理学的研究对象、内容、研究方法：
1、 原子物理学的研究对象 原子物理学属于近代物理学课程，它主要研究物质在原子 层次内： （1）由什么组成； （2）各种组成成分间有怎样的相互作用； （3）各物质是怎样的运动形态。 等理论，是研究物质微观结构的一门科学。
原子的半径r= 10-10m ∴研究的空间在10-10m数量级以下。
这导致微观世界与宏观世界有很大的不同。具体的 体现就是量子化现象。
2、研究内容：（原子物理、核物理） （1）原子物理部分： 从原子光谱入手研究价电子的运动规律 从元素周期律和X射线入手研究内层电子的排布和运动规律
（2）核物理部分 主要研究核的整体性质如：核力、核模型、核衰变、核反应、 核能的开发和利用及基本粒子的相关知识。
四、原子物理学的发展历史
原子物理学的发展可以分为几个时期： 1、古代的原子论： （1）古希腊的原子论 最具代表性的是公元前4世纪古希腊的哲学家留基伯 （Leucippus）和他的学生得莫克利特（Democritus）提出： 物质结构不是连续的而是分立的学说。他们认为物质是由 许多极小的简单的不可分割的微粒组成。这种微粒称为原子。 这只是一种假设没有试验依据。
原子物理(00003)市公开课金奖市赛课一等奖课件
第三章：量子力学初步
第四节：薛定谔方程
定态薛定谔方程
由
1 u
2 2m
2u
Vu
i f
f t
E
得
i f E f t
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(t )
Fe
iE
t
定态 力学量算符
2 2u Vu Eu 2m
定态薛定谔方程
xyzt
u
xyz
e
iE
t
back
next
目录 结第束23页
第三章：量子力学初步
第四节：薛定谔方程
d d
称为几率密度
波函数意义
波函数特性
波函数与玻尔轨 道量子化条件
back
next
目录 结第束16页
第三章：量子力学初步
第三节：波函数及其物理意义
按照波函数物理意义，波函数应当满足条件: 连续、单值、有限、归一化
d 1
波函数意义
波函数特性
波函数与玻尔轨 道量子化条件
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next
目录 结第束17页
第三章：量子力学初步
第五节：量子力学问题简例
一维无限深势井中粒子
V x
uI
(x)
C
cos
n
a
D
sin
n
a
x x
uII (x) 0
n 1,3,5,
II n 0,2,4,6,
I V 0
a 2
II 无限势井 简谐振子
势垒
ax
2
使用归一化条件：
u2 xdx 1
a 2 C 2 cos2 n xdx 1
自由粒子波函数：
k
0cos
t
rk V
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1871年，瓦莱发现阴极射线能为磁铁偏转，是带负电的。
1874年，Stoney提出电荷的最小单位
W M Q F
Q W N n F M NA
Q F e N NA
F N Ae
1881年，Stoney命名电量子为电子
1887年克鲁克斯得到了百万分之一 个克鲁克斯管”，他在实验中不仅 验证了阴极射线是带电的，还发现 阴极射线具有热效应并具有动量。
F N Ae
R N Ak
• 原子的大小
3A 4 3 A r NA r 3 4 N A
1/ 3
二、 汤姆逊原子模型－布丁模型 1903年Thomson提出 “葡萄干蛋糕”式原子 模型或称为“西瓜”模型－原子中正电荷和质量 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。
qB m 2 / r
• 电子电荷及质量及阿佛伽德罗常数
核质比 e E C 2 2 1011 m rB kg
19
e 1.03 10
1909年
C
e 1.602177 33 49 1019 C
Millikan油滴实验 em 1.59 1019 C
me 5.15 1031 kg
Ernest Rutherford
1908年诺贝尔化学奖
卢瑟福 盖革 马斯顿 粒子散射实验（ 1909年）
me 9.1093897(54) 1031 kg
质子与电子质量比 mp / me 1836.152701(37)
原子质量单位 1 u 1.660 540 2(10) 10-27 kg
1eV 1.60217733(49) 1019 J=11601.57K
Avogadro常数 N A 6.0221367(36) 1023
绪论
古代原子学说 B. C. 4世纪 Democritus 组成物质的最小单元，永恒不变
原子（Atom）
端，体之无序最前者也。 ------------ 《墨经》
至大无外，谓之大一；其小无内，谓之小一。 ------------ 惠子 人之生，气之聚也;聚则为生，散则为死。 ------------ 《庄子· 知北游》
该模型对原子发光现象的解释－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。
诺贝尔奖得主的幼儿园 卢瑟福一生至少培养了10位诺贝尔奖得主 •尼尔斯.玻尔，1922年诺贝尔物理奖 •保罗.狄拉克，1933年诺贝尔物理奖 •詹姆斯.查德威克, 1935年诺贝尔物理奖 •布莱克特,1948年的诺贝尔物理奖 •沃尔顿和考克劳夫特,1951诺贝尔物理奖 •索迪，1921年诺贝尔化学奖。 •赫维西，1943年诺贝尔化学奖。 •哈恩，1944年诺贝尔化学奖。 •鲍威尔，1950年诺贝尔物理奖。 •贝特，1967年诺贝尔物理奖。 •卡皮查，1978年诺贝尔化学奖。
原子物理
大连理工大学 物理与光电工程学院
李崇
参考书
褚圣麟
Paul Tipler, C.J. Foot 陈宏芳
原子物理学
Modern Physics Atomic Physics 原子物理学
安 排
a.
b.
作业、平时表现 20%
期末考试 80%
c.
常规答疑两周一次
地点：物理系219室
时间：周四下午
Email: lichong@
机械原子学说
原子
17世纪 Newton
有质量的球形微粒
通过吸引力机械地结合成宏观物体 原子的运动是机械位移，遵守力学定律 困难：不能解释光、电、热等物理现象和燃烧等化学过程
化学原子学说
1808年 Dalton 化学反应中，原子不可分解，性质不变；
不同元素的原子不同，每种原子有确定原子量。
1811年 Avogadro 气体由分子组成，分子由原子组成。 同温同压的同体积气体含相同数目的分子。 1869年 Mendeleev 发现元素周期律，预言新元素
1833年
法拉第电解定律
W
M Q F
1857年德国玻璃工海因里希· 盖斯勒发明了更好的泵来抽 真空，由此发明了盖斯勒管 1858德国普吕克利用“盖斯勒管”研究气体放电，辉光现 象随磁场变化改变形状 1869其学生西多夫10万分之一大气压下，物体置入阴极 与荧光屏之间会有影子，射线起源于阴极，射线直线传播 德国物理学家哥尔德斯坦称这种射线为“阴极射线”
1891年赫兹发现了阴极射线能够穿透金属薄片 勒纳德为阴极射线管开了一个0.000265厘米厚铝箔的窗口，把 阴极射线引到管外空间，使几厘米远处的荧光屏发出荧光。
1897年英国物理学家汤姆逊测定阴极射线的质荷比，
1897年德国物理学家布劳恩（Kari Ferdinand Braun）发 明阴极射线管，被用于一台示波器中首次与世人见面
现代原子学说 19世纪末 三大发现——X射线、放射性和电子
原子是物质结构的一个层次，介于分子和原子核之间。
1911年 1913年 Rutherford Bohr 原子核式结构模型
原子量子理论 解释氢光谱 成功解释原子现象
1923-1927
量子力学诞生
1960’s 激光器的发明
激光与原子的相互作用 激光制冷 超冷原子BEC
Sir Joseph John Thomson
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.”
J.J. Thomson 1897 放电管
1906诺贝尔物理学奖
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， qB qE E / B 。 去掉电场E后，射线成一圆形轨迹， q / m E / rB 2求出荷质比。
学习方法
学而不思则罔，思而不学则殆
《论语。为政》
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第一章
• 电子的发现
卢瑟福模型
1.1 背景介绍
1650年奥托· 冯· 格里克发明真空泵后物理学家开始在稀薄空 气中做电的试验 1676年法国 良卡德 发现水银荧光现象 1705年豪克斯对此进行实验研究，在部分真空中运动产生摩 擦才有荧光 1833年法拉第 改进 抽真空的玻璃管置入电极 辉光放电