原子物理学绪论..
原子物理学
《原子物理学》教学大纲学时：51 学分：3 适用专业；物理学一、课程的性质、目的和任务原子物理学是物理学专业的专业必修课程，它属物理学范畴。
在总的目标培养下，着重从物理实验规律出发，引进量子化概念，主要探讨原子的发光机理以及原子的运动规律和原子内壳层电子跃迁规律（X射线）等。
从而让学生初步了解微观世界的结构和运动规律，了解可无限分割的物质世界中的结构层次。
逐步建立用量子化的思想、概念、语言及思维方法来研究微观世界，为继续学习量子力学、近代物理实验等后续课程打下基础。
二、课程教学的基本要求（1）理解原子物理学的基本概念，掌握微观系统遵从的基本规律和处理问题的基本方法，掌握对微观系统思维方法，提高学生应用基本规律解决实际问题的能力；（2）了解原子物理学的研究对象、研究方法思维的内容及相关内容的发展状况；（3）理解原子物理学的基本概念，包括定态、能级、角动量、光谱、磁矩、自旋；（4）掌握玻尔理论及其应用、电子自旋与光谱的精细结构、塞曼效应、电子的耦合与原子的能级、泡利不相容原理、元素周期表、射线的产生机制。
三、课程教学内容（一）绪论1．原子物理学的发展2．原子物理学的地位与作用3．学习上应注意的几点（二）原子的基本状况1．原子的质量和大小2．原子的核式结构3．同位素说明：本章的重点是卢瑟福模型，α粒子的偏转角与瞄准距离的关系，难点是卢瑟福散射公式的推导。
（三）原子的能级和辐射1．光谱2．氢原子光谱和原子光谱一般情况等3．玻尔的氢原子理论和关于原子的普遍规律4．类氢离子的光谱5．夫兰克—赫兹实验与原子能级6．量子化通则7．电子的椭圆轨道与氢原子的相对论效应8．史特恩——盖拉赫实验与原子空间取向的量子化9．原子的激发与辐射激光原理*10．对应原理与玻尔理论的地位说明：本章的重点是氢原子光谱规律及巴尔末公式，玻尔基本假设、圆轨道量子化条件等，难点是类氢离子的结构及其光谱规律，索末菲量子化条件，电子的椭圆轨道与氢原子的相对论效应等。
原子物理和量子力学
原子物理与量子力学习题参考答案目录原子物理学（褚圣麟编） (1)第一章原子的基本状况 (1)7．α粒子散射问题（P21） (1)第二章原子的能级和辐射 (1)5．能量比较（P76） (1)7．电子偶素（P76） (1)8．对应原理（P77） (1)9．类氢体系能级公式应用（P77） (1)11．Stern-Gerlach实验（P77） (2)第三章量子力学初步 (2)3．de Broglie公式（P113） (2)第四章碱金属原子 (2)2．Na原子光谱公式（P143） (2)4．Li原子的能级跃迁（P143） (2)7．Na原子的精细结构（P144） (2)8．精细结构应用（P144） (3)第五章多电子原子 (3)2．角动量合成法则（P168） (3)3．LS耦合（P168） (3)7．Landé间隔定则（P169） (4)第六章磁场中的原子 (4)2．磁场中的跃迁（P197） (4)3．Zeeman效应（P197） (4)7．磁场中的原子能级（P197） (5)8．Stern-Gerlach实验与原子状态（P197） (5)10．顺磁共振（P198） (5)第七章原子的壳层结构 (6)3．原子结构（P218） (6)第八章X射线 (6)2．反射式光栅衍射（P249） (6)3．光栅衍射（P249） (6)量子力学教程（周世勋编） (7)第一章绪论 (7)1.1 黑体辐射（P15） (7)1.4 量子化通则（P16） (7)第二章波函数和Schrödinger方程 (8)2.3 一维无限深势阱（P52） (8)2.6 对称性（P52） (8)2.7 有限深势阱（P52） (9)第三章力学量 (10)3.5 转子的运动（P101） (10)3.7 一维粒子动量的取值分布（P101） (10)3.8 无限深势阱中粒子能量的取值分布（P101） (11)3.12 测不准关系（P102） (11)第四章态和力学量的表象 (12)4.2 力学量的矩阵表示（P130） (12)4.5 久期方程与本征值方程的应用（P130） (13)第五章微扰理论 (16)5.3 非简并定态微扰公式的运用（P172） (16)5.5 含时微扰理论的应用（P173） (16)第七章自旋与全同粒子 (17)7.1 Pauli算符的对易关系（P241） (17)7.2 自旋算符的性质（P241） (17)7.3 自旋算符x、y分量的本征态（P241） (17)7.4 任意方向自旋算符的特点（P241） (17)7.5 任意态中轨道角动量和自旋角动量的取值（P241） (18)7.6 Bose子系的态函数（P241） (19)原子物理与量子力学习题 (20)一、波函数几率解释的应用 (20)二、态叠加原理的应用 (20)三、态叠加原理与力学量的取值 (20)四、对易关系 (21)五、角动量特性 (22)1原子物理学（褚圣麟编）第一章 原子的基本状况7．α粒子散射问题（P21）J 106.1105.3221962-⨯⨯⨯⨯==E M υ232323030m )2/3(109.1071002.61060sin 1060sin 10----⊥-⨯⨯⨯⨯=⨯⨯=⋅⨯=A N t A N Nt s ρρ C 1060.119-⨯=e ，11120m AsV 1085.8---⨯=ε，61029-⨯=n dn32521017.412.0100.6--⨯=⨯==ΩL dS d ， 20=θ 2.48)4(sin 202422=⋅Ω⋅⋅=Nt d n dn eM Z πευθ第二章 原子的能级和辐射5．能量比较（P76）Li Li Li Li v hcR hcR E E hv E )427()211(32212=-⋅=-==H e H e H e H e hcR hcR E E 4)1/2(0221=⋅=-=++∞ +∞>H e v E E ，可以使He +的电子电离。
原子物理学绪论
物理学是研究物质运动的最一般规律和物质基本结构的 科学。原子物理学主要研究物质的一个层次； 科学。原子物理学主要研究物质的一个层次；这个层次介于 分子和原子核两层之间，称为原子。 分子和原子核两层之间，称为原子。原子概念的提出已有两 千多年的历史，但我们讲授的原子物理学是在20 20世纪初开始 千多年的历史，但我们讲授的原子物理学是在20世纪初开始 形成的一门学科，它随着近代物理学的发展而发展起来的。 形成的一门学科，它随着近代物理学的发展而发展起来的。
1911年，卢瑟福（E. Rutherford）为了解释大角度 粒子散射实验结 年 卢瑟福（ ）为了解释大角度α粒子散射实验结 提出一个新的原子模型：认为原子是一个非常小（ 果，提出一个新的原子模型：认为原子是一个非常小（~10-12cm）的带 ） 正电的居于中心位置的原子核和分布在距它很远的核外空间（ 正电的居于中心位置的原子核和分布在距它很远的核外空间（ ~10-8cm ） 的电子组成。由于电子的质量很小， 的电子组成。由于电子的质量很小，原子的全部质量实际上集中在原子 核里。 核里。
三、学习原子物理学中应注意的问题
1、原子物理学是研究微观体系的物理过程 、 微观体系遵从它特有的规律，不能直接观测， 微观体系遵从它特有的规律，不能直接观测，所以不象宏观物体的 运动一样，具有直观性。 运动一样，具有直观性。 2、原子物理学是一门实验性科学 、 物理学是一门实验性科学，原子物理学更是如此。 物理学是一门实验性科学，原子物理学更是如此。一切理论的建立 都必须以实验为基础。并遵从“实验—理论 实验”的发展原则。 理论—实验 都必须以实验为基础。并遵从“实验 理论 实验”的发展原则。
一、原子物理学的发展 1、朴素原子论的形成 、
“原子”一词来自希腊文，意思是“不可分割的”。在公元 原子”一词来自希腊文，意思是“不可分割的” 原子 世纪， 前4世纪，古希腊物理学家德漠克利特（Democritus）提出这 世纪 古希腊物理学家德漠克利特（ ） 一概念，并把它当作物质的最小单元。 一概念，并把它当作物质的最小单元。 差不多在同时代的亚里士多德（ 差不多在同时代的亚里士多德（Aristotle）, 阿那萨古腊 ） （Anaxagoras）等人却反对这种物质的原子观，他们认为物质 ）等人却反对这种物质的原子观， 是连续的，可以无限止地分割下去。 是连续的，可以无限止地分割下去。这种观点在中世纪时代占 优势。 优势。
原子物理学完整--第一章ppt课件
散射角
瞄准距离 碰撞参数
.
1-3-1 库仑散射公式的推导(2)
• 库仑散射公式 b a ctg 22
a Z1Z 2e2 4 0E
库仑散射因子
.
1-3-1 库仑散射公式的推导(3)
• 假定：
1. 单次散射 2. 点电荷，库仑相互作用 3. 核外电子的作用可略 4. 靶原子核静止（靶核重，晶体结构牢固）
p m v0 m 4000
电子引起α粒子的偏转角非常小 可以说几乎没有什么贡献
.
1-2-3 解释 粒子散射实验(6)
• 带正电物质散射（汤氏模型）(6)
– 粒子对金的散射角
E 5MeV Z=79
p 3 1 0 5Zra d < 1 0 4Zra d < 1 0 3 ra d
p
E
E
–散射角
F 1 2Ze2
40 R2
p p
p’
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 粒子散射实验(3)
• 带正电物质散射（汤氏模型）(3)
–相对动量的变化
e2
p 2FR/v 2Ze2 /(40R)
p mv
12mv2
E
R
4 0 2Z1.44fmMeV/0.1nm3105 Z rad
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 背景知识 1-2 卢瑟福模型的提出 1-3 卢瑟福散射公式 1-4 卢瑟福公式的实验验证 1-5 行星模型的意义及困难
原子物理绪论
(v)
8 4 3 KTv c
图20-3 热辐射的理论公式与实验结果的比较
26
即在低频部分与实验相符很好 ，但随频率的 增大与实验值的差距越来越大，当时v 引 起发散，这是当时有名的“紫外灾难” 另外维恩以经典物理为基础也导出一个辐射 公式，维恩公式在短波部分与实验结果符合的很 好,但是长波部分理论的值偏低. 在解释黑体辐射 实验现象上，经典物理学遇到了难以克服的困难。
29
经过近二个月的努力，普朗克在同年12月14 日的一次德国物理学会议上提出：
辐射能量的假设
E=nhv（n=1,2,3,……）
这一概念严重偏离了经典物理。因此，这一 假设提出后的5年时间内，没有引起人的注意，并 且在这以后的十多年时间里，普朗克很后悔当时 的提法，在很多场合他还极力的掩饰这种不连续 性是“假设量子论”
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。
4
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。
34
3、现代原子物理学：（20世纪初-现在） 是新量子理论诞生和发展时期 1924年，德布罗意提出物质波的概念，将光的 波粒二象性推广到实物粒子 1925年，微观体系的新理论-量子力学建立 1932年，中子发现，表明原子核有内部结构， 这之后核物理的研究核应用迅速发展 1950年，基本粒子的研究和发展成绩卓著
原子物理学 绪论 历史回顾
历史回顾重要人物
E.Fermi，意大利物理学家 (1901-1954)，1938年获得诺贝 尔奖。发明了热中子链式反应 堆。
历史回顾重要人物
R.L.Mossbauer, 德国物理学 家(1929-1976)。1961年因为 对γ辐射的共振吸收的研究和 发现的Mossbauer效应获诺 贝尔物理学奖。
历史回顾重ck发现了中子; 1934：F.&I.Joliot-Curie发现人工放射性；
1939：O.Hahn等人发现重核裂变；
1939：N.Bohr等提出液滴模型; 1942：E.Fermi发明热中子链式反应堆； 1945：原子弹试爆成功，并在广岛上空爆炸； 1952：氢弹试爆成功。
1896：H.Becquerel发现了铀(U)放射现象; 1897：P.&M.Curie发现钋(Po)和镭(Ra);
1899：卢瑟福发现a , b 射线；
1900：维拉德发现g 射线;
1903：卢瑟福证实a 射线为He2+， b 射线为电子；
1911：卢瑟福提出原子的核式模型；
1919：卢瑟福首次实现人工核反应，发现了质子。
历史回顾原子弹
“小玩意儿”钚装药重6.1千克，TNT当量2.2万 吨，试验中产生了上千万度的高温和数百亿个大 气压，致使一座30米高的铁塔被熔化为气体，并 在地面上形成一个巨大的弹坑。 在半径为400米的范围内，沙石被熔化成了黄绿 色的玻璃状物质，半径为1600米的范围内，所 有的动物全部死亡。 “原子弹之父” 奥本海默在核爆观测站里感到 十分震惊，他想起了印度一首古诗：“漫天奇光 异彩，有如圣灵逞威，只有一千个太阳，才能与 其争辉。我是死神，我是世界的毁灭者。”
学习与思考
原子物理学教程
原子质量单位 u 定义为( 1961年国际原子量委员会规定) ：
一个处于基态的中性
12 6
C 原子质量 1/12
1u 1.660 540 2(10) 10 - 27 kg 931.494 028 23 M eV / c 2
m p 1.007 276 470u
m n 1.008 644 904u
2
k B 1.380 6504 24 10－23 J/K( k BT ~ E ) 8.617 10 -5 eV/K 1eV ~ 11600 K
e / 4 0 1.440 eV nm 1.440 M eV fm
原子的大小和质量： 1. 原子的质量
长度（m，米） 质量（kg，千克） 时间（s，秒） 电流（A，安培） 热力学温度（K，开尔文） 物质的量（mol，摩尔） 发光强度（cd，坎德拉）
单位量级倍数的表示：
数值
1018 1015 1012 109 106 103
词头
exapetateragigamegakilo-
Li 0.16；Al 0.16; Cu 0.14; S 0.18; Pb 0.19，单位nm
发展简史
朴素的古代原子论?
留基伯(Leucippcus)和德谟克利特(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”。 差不多在同时代，亚里士多德(Aristotle)、阿那萨古腊 (Anaxagoras)等人却反对物质的原子观。 亚里士多德(Aristoteles，约公元前384年-322年)认为： 物质是连续的，可以无限止地分割下去。 这一观点在中世纪时占优势。但16世纪之后，随着实验技 术的发展，物质的原子观又为人们所接受。 如G Galilei, R Descartes, R Boyle, I Newton都支持。
《原子物理学》教学大纲
《原子物理学》课程教学大纲一、课程基本信息英文名称 Atomic Physics 课程代码 PHYS2030课程性质 大类基础课程 授课对象 物理学专业学 分 3 学 时 54主讲教师 修订日期 2021年9月指定教材 杨福家，原子物理学（第四版）[M]， 北京：高等教育出版社，2008.二、课程目标（一）总体目标：使学生通过以原子结构为中心，以实验事实为线索，了解原子和原子核层次的物质结构及运动和变化规律，揭示宏观现象与规律的本质；学习相关问题所需要的量子力学基本概念，掌握物质微观结构三个层次的物理过程、研究方法，培养创新思维；对物质世界有更深入的认识，获得在本课程领域内分析和处理一些最基本问题的初步能力。
（二）课程目标：课程目标1：使学生初步了解并掌握原子的结构和运动规律，了解物质世界的原子特性，原子层次的基本相互作用，为今后继续学习量子力学、固体物理学、近代物理实验等课程打下坚实基础。
课程目标2：在学习原子物理学的过程中引导学生学会近代物理的研究方法，提高其分析问题和解决问题的能力。
课程目标3：使学生了解并适当涉及一些正在发展的原子物理学科前沿，扩大视野，引导学生勇于思考、乐于探索发现，培养其良好的科学素质。
课程目标4：通过重大科学发现过程的讲授和科学家生平事迹的介绍，培养学生树立辩证唯物主义世界观。
通过探究式教学，锻炼学生的科学探究和创新能力。
通过学习和了解人类对物质结构认识的发展史、教材中的重大科学事件和物理学家的传记等，体会物理学家的物理思想和科学精神，培养学生的爱国热情，探索未知、追求真理、永攀高峰的责任感和使命感。
（三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系表1：课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表课程目标对应课程内容对应毕业要求课程目标1第一章第二章第三章第四章第五章第六章 掌握数学、物理相关的基础知识、基本物理实验方法和实验技能, 具有运用物理学理论和方法解决问题、解释或理解物理规律。
最新原子物理学1绪论和第一章教学讲义ppt
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原子物理学1绪论和第一章
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(c)：光谱的发现与大量的观察为原子物理学的建立提供强 有力的依据。 （光谱是牛顿在1666年发现的） b.原子物理学的阔步发展是在十九世纪末二十世纪初 十九世纪八十年代，物理学建立了完整的三大理论体系， 是力学，热力学，电动力学．当时认为物理学的发展已到 了尽头，已经非常完备，以后的进展只是次要问题的补充 ，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
二、 粒子散射实验
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 的十分之一，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
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2．汤姆逊模型的困难
假设有一个符合汤姆逊的带电球体，即
均匀带电。那么当α粒子射向它时，其
所受作用力 F(r)=
原子物理学绪论、第一章
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 ………
6
四、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开展的 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，
3、粒子散射实验还为材料分析提供了一种手段。
17
〔二〕困难
1、原子稳定性问题
2、原子线状光谱问题
根据经典电磁理论，电子绕核作 匀速圆周运动，作加速运动的电子将 不断向外辐射电磁波 .
原子不断地向外辐射能量， 能量逐渐减小，电子绕核旋转的频率 也逐渐改变，发射光谱应是连续谱；
e
v
F
r + e
e
由于原子总能量减小，电子 将逐渐的接近原子核而后相遇，原子
e +
不稳定 . 18
N 12 N
A
A
元素 X 的原子质量为
MA
A( g ) N0
Au
A 是原子量，代表一摩尔原子以克为单位的质量数。
阿伏伽德罗常数：1 mol 物质所含原子的数目
N06.021 22 03 m o 1 l
二、 原子的大小 将原子看作是球体
原子的半径为
r ~ 1010 m
例如
Li原子 A=7 rLi； Pb原子 A=207， rPb；
原子物理学
南京工业大学 应用物理系
1
课程说明
原子物理学是应用物理学专业的一门重要根底课程。它 上承经典物理，下接量子力学，属于近代物理的范畴。在内 容体系的描述上，原子物理学采用了普通物理的描述风格， 讲述量子物理的根本概念和物理图象，以及支配物质运动和 变化的根本相互作用，并在此根底上，利用量子力学的思想 和结论，讨论物质结构在原子及原子核结构层次的性质、特 点和运动规律。
原子物理学绪论
原子物理发展简史： 量子理论的建立
到1930年代，经过 Planck, Einstern, Bohr, de Broglie, Heisenberg, Schodinger, Dirac, Born, Feynmann等人 的努力，量子力学的完整理论基本建立起来
量子力学
相 对 论
近代物理学
与原子物理、量子力学相关的部分 诺贝尔奖获得者
我们谁都谈不上真正理解，我们只是知道怎么去运用它”。 于是我们就运用上了，于是有了计算机、洗衣机、手机、核 武器，量子创造了现代世界！
课程的考核
成绩：平时30%（考勤+作业等）+考试70%
作业：5次作业，缺2次作业无考试资格
无特殊原因迟交作业降一等 期末考试当天下午4点前交作业有效 小测验（考虑中）：见习前，随堂测验 小论文（欢迎）：讲课中随时给出建议课题或自己找题， 必须有自己的想法！可以代替作业占平时成绩 考试：有思考题、简答题、计算题等
卡文迪许实验室成功的秘密：
★追求卓越，不断开拓新的研究领域
★善于选择和培养优秀人才（超过25人获Nobel奖）
★ 优良学风（重视实验、求实与批评精神、教学与科研结合)
电子的发现：意义
原子有内部结构：突破了原子不可分的观念，原子具有
内部结构，电子是原子的组成部分
开创了原子物理学、粒子物理学的研究：
近的照相底板被曝光，但是，不重视，更没深入研究
必然：伦琴扎住了历史赋予的机遇 ☆一贯十分热爱和关注实验
☆敏锐的观察和判断能力
☆锲而不舍的工作作风 机遇总是垂青那些有准备的人
X射线的发现：相关的Nobel奖超过16项
1901年，伦琴因发现X射线(1895)
原子物理学 第一章PPT课件
那么A克原子的总体积为
(g/cm3)
一个原子占的有体积为 所以原子的半径
A/，(cm3)
4 r3 3
4 3
r
3
N
A
A
r3 3A4NA
不同原子的半径
元素 原子量 A(u)
Li
7
质量密度
(g/cm3)
0.7
原子半径 r(nm)
0.16
Al 27
2.7
0.16
Cu 63
8.9
0.14
S 32
2.07
0.18
在十九世纪，人们在大量的实验中认识了一些定律
定比定律： 元素按一定的物质比相互化合。
倍比定律： 若两种元素能生成几种化合物， 则在这些化合物中，与一定质量 的甲元素化合的乙元素的质量， 互成简单整数比。
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；
第二节：卢斯福模型的提出
Thomson模型
原子中正电荷均匀分布在原子球体内 ，电子镶嵌在其中。
原子如同西瓜，瓜瓤好比正电荷，电 子如同瓜籽分布在其中。
a 粒子散射实验 为检验汤姆逊模型是否正确,卢瑟福于1911年设计了a 粒子
散射实验
被散射的粒子大部分分布在小角度区域，但是大约有 1/8000的粒子散射角 θ>90度，甚至达到180度,发生背反射 。a粒子发生这么大角度的散射，说明它受到的力很大。
Automic Physics 原子物理学 第一章：原子的位形：卢斯福模型
第一节 背景知识 第二节 卢斯福模型的提出 第三节 卢斯福散射公式
第四节 卢斯福公式的实验验证 第五节 行星模型的意义及困难
原子物理学_课件PPT课件
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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 。
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
第3页/共48页
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
原子物理学绪论
利特。
atom，旧译“莫破”，即原子。
2、可以无限分割，物质是连续的 “一尺之棰，日取其半，万世不竭。”——
公孙龙
物质是连续的，可以无限地分割——亚里士 多德
这一观点从数学上看是正确的；
从哲学上看似乎也是正确的；
1811年，阿伏伽德罗 (Amedeo Avogadro1776–1856)（意）： Avogadro定律。
1826年， 布朗（ Brown英）：Brown运动。
1833年， 法拉第（ Faraday英）：电解定律。
1869年， 门捷列夫（ Менделее俄）：元素周期律。
从化学上提出了单个原子的存在。
按物质的层次，近代物理学可以分为五个分 支学科 1.粒子物理 2.原子核物理 3.分子和原子物理 4.凝聚态物理 5.天体物理
其它重要的基础学科和技术的发展 都要以 原子物理 为基础。
1.量子围栏（ Quantum Corral ）
用扫描隧道显微镜操控单个原子，在铜单晶体的（111）面上， 用48个铁原子做成一个半径71.3 Angstrom的围栏。围栏中的 电子由于干涉而形成驻波。
天体
光年
宇观 天体力学 广义相对论
宇宙学
原子物理学：研究原子的组成和原子的本 征规律，包括研究其组成物的运 动、相互作用。
二、认识原子的历程——漫长
公元前四世纪提出“原子”概念
十九世纪，重要发展
1、不可无限分割，存在最小的结构单元 “端，体之无序最前者也。”——《墨
经》。
端是物质的最小结构单元。
一个伟大时代的开始，原子有一定的结构！
三、原子物理学的研究方法
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原子是不能化学分解的最单纯的物质，是物质的最小单元 化学反应只改变原子的结合方式，不能使原子互相嬗变
近的照相底板被曝光，但是，不重视，更没深入研究
必然：伦琴扎住了历史赋予的机遇 ☆一贯十分热爱和关注实验
☆敏锐的观察和判断能力
☆锲而不舍的工作作风 机遇总是垂青那些有准备的人
X射线的发现：相关的Nobel奖超过16项
1901年，伦琴因发现X射线(1895)
1914年，Laue因X射线在晶体上的衍射(1912) 1915年，H.&L.Bragg父子XRD晶体结构分析（1912） 1927年，Compton因Compton效应(1923),证明光子假说 1962年生理学奖，Wason,Crick在威尔金斯DNA分子的 XRD实验基础上，提出DNA双螺旋结构（1953） 1946年生理学奖，马勒用X射线诱发果蝇基因突变 ……
发端于：19—20世纪之交的3大发现
让我们将思绪先调整到春秋战国/古希腊时期，人类第 一个思想辉煌的时代
人类认识物质结构的历史：古代
西方：
◊Atom: 物质的最小单元，“不可分割的”
古希腊： 最早由BC5世纪希腊思想家留基伯提出，其学生 Democritus德谟克利特发展 近代：Galileo伽利略—Descartes 笛卡尔 —Boyle 玻 意尔—Newton牛顿—Dalton道尔顿—
原子核：质子p+中子n
电子的发现：Thomson的实验(1897-1899)
阴极射线的本质：波？粒子流？ 德国：以太波； 英国：带负电的粒子流
实验一：证明阴极射线是带负电的粒子流
实验二：测出荷质比 e/m，比氢离子大1000多倍，只能
是一种新的粒子——电子
实验三：用云室测量电子电量e，从而质量me (~mH/1837) 汤姆逊: 一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人
J.Dalton
J.Dalton生于英格兰一个偏远的 小山村，只上过几年小学和中 学，为了生计四处漂泊 天生色盲——道尔顿症（1995 年色盲之谜才解决） 提出新的原子学说
《化学哲学新体系》
人类认识物质结构的历史：19世纪
•1833-34年，M.Faraday法拉第提出电解定律：
X射线在单晶上的衍射 H.&L.Bragg父子 1915Nobel-P
X射线在多晶上的衍射 Laue 1914 Nobel-P
1903N放射性的发现：Becquerel的意外发现 P
Becquerel(1896)：发现铀盐暴晒后发荧光，且能像X射线 一样让照相底板感光；但是，阴天也能使底片感光 新射线：穿透性强，且是铀盐本身发光，显然不是X射线 偶然与必然：B家族几代人研究荧光现象和铀盐 Becquerel的局限：以为放射性只是铀盐才有的性质 居里夫妇(1897)：扩大寻找范围，找到测量发射性的方法
关于原子内部粒子运动规律的认识：量子理论的建立
1900年, M.Planck: 能量量子假说
1905年, A.Einstein: 光(量)子photon假说 1913年，N.Bohr: 氢原子的量子理论
1918Nobel—P
1921Nobel—P 1922Nobel—P
1924年，de Broglie: 物质波假说
轰动与质疑：把镭拿来看看！
Nobel-C：M.Curie继续研究，分离出纯的金属镭！
查德威克 女儿依琳、女婿Joliot-Curie ： 1935Nobel-P ☆发现人工放射性(1934)：1935Nobel-C
J-Curie与钱三强
☆错失中子的发现(1932)：机遇只钟情有准备的头脑！
2. 中国古代没有原子论的萌芽
1.关洪，原子论的历史与现状，北京大学出版社，2006，第一章 2.何祚庥，三大论战——现代物理学研究中的哲学问题，北京师大出版社，
2000
人类认识物质结构的历史：19世纪的化学
18世纪，化学大师voisier（拉瓦锡）发现氧O,
否定燃素说，确定化学元素概念，古代炼金术 → 近代化学
◊物质无限可分：物质是连续的
古希腊：Aristotle亚里斯多德 现代: 分子—原子—基本粒子—夸克—？
人类认识物质结构的历史：古代
中国—战国时期
◊端·小一· 莫破: 物质的最小单元（梁启超的解读） 墨子：端，体之无序最前者也 惠施：其小无内，谓之小一 《中庸》、朱熹、严复：莫破，莫能破 ◊物质无限可分：物质是连续可分的 公孙龙：一尺之棰，日取其半，万世不竭
讨论：物质是无限可分的吗？
Atom(希腊字): indivsible, not+cut, 不可分割的
杨福家：“公孙龙两千多年前的臆想，正在不断得到现代科学的支持” 何祚庥：物质无限可分 = 辩证法，
夸克（即：层子），毛粒子（毛的辩证法）
关洪：1. “物质无限可分”既不合于辩证法，
亦没有得到任何物理学规律的支持；
化学亲和力的本质为电力，原子里有电荷
•1881年，H.Helmholtz霍姆赫兹：原子所带电荷是分立的 •1860-61年，G.Kirchhoff基尔霍夫等用光谱学方法帮助化学家
发现多种元素： Cs、Rb Tl、In、Ga等
•1869年，D.Mendeleev门捷列夫发现：元素周期律 说明：不同元素的原子结构具有共同的模式
放射性的发现：a、b、g射线
放射线的本质是什么？
E.Rutherford (J.J.Thomson的学生)：
1908年：发现并命名a射线 (He 核)、b 射线 (电子流)
1908年NobelC
g 射线：1900年证实其强穿透性，1902年Rutherford命名
放射性的本质：
原子核的衰变，三种射线都来自原子核
我们谁都谈不上真正理解，我们只是知道怎么去运用它”。 于是我们就运用上了，于是有了计算机、洗衣机、手机、核 武器，量子创造了现代世界！
课程的考核
成绩：平时30%（考勤+作业等）+考试70%
作业：5次作业，缺2次作业无考试资格
无特殊原因迟交作业降一等 期末考试当天下午4点前交作业有效 小测验（考虑中）：见习前，随堂测验 小论文（欢迎）：讲课中随时给出建议课题或自己找题， 必须有自己的想法！可以代替作业占平时成绩 考试：有思考题、简答题、计算题等
A
P1
S
e Eh 2 m LlB
O
P2
阴极射线实验装置示意图
P
阴极射线管
1897年, e/me = 7.61010c/kg, 而 e/mH = 9.6 107c/kg
电子的发现：启示
要敢于突破传统：其他人拘 Nhomakorabea于“原子不可分”的观念，
J.J.Thomson突破传统，承认是一种质量非常小的新粒子
原子物理学
Atomic Physics
广州大学物理与电子工程学院
皮飞鹏
___________________________ E-mail: pifeipeng@；QQ:1269142263
答疑地点：行政西楼前座401，周1上午1大节、周4下午 短号：683399
绪论
本课程的定位 原子物理发展简史
原子物理发展简史： 量子理论的建立
到1930年代，经过 Planck, Einstern, Bohr, de Broglie, Heisenberg, Schodinger, Dirac, Born, Feynmann等人 的努力，量子力学的完整理论基本建立起来
量子力学
相 对 论
近代物理学
与原子物理、量子力学相关的部分 诺贝尔奖获得者
沥青铀矿中分离出新的放射性元素(1898)：
钍Th；钋Po；镭Ra（放射性是U的百万倍）
Becquerel(法国) (1852-1908) 1903Nobel-P
M.&P. Curie 1903Nobel--P
放射性的发现：Curie家族坚持不懈的努力
1903年NobelP P.&M.Curie 4年劳作：亲手从几吨矿渣中提炼0.1g纯的 氧化镭
学习建议
参考书目 课程要求
关于本课程的定位
可以确定的：普通物理学的第5门！量子力学的基础！
不那么确定的：叫什么名字！讲什么内容！
★原子物理学：介绍原子/量子物理的发展历程，量子力学基本原理及 应用于原子、分子的结果（重点），亚原子物理。归纳法！(常见) ★量子物理：从量子力学基本原理出发，研究原子、分子的结构和规律， 介绍亚原子物理。演绎法！(费曼的体系；赵凯华的体系) ★近代物理学：原子/量子物理，有时包括相对论
19世纪末：物质由原子组成！
物理学家总更喜欢没完 没了地问这类问题！
那么，原子还有没有结构？ 原子里面有什么？怎么结合成原子？ 三大发现，揭开了物理学革命的序幕 X射线：1895，W.Rontgen 放射性：1896，H.Becquerel 电子：1897，J.J.Thomson
学习建议
原子物理学研究微观规律，概念和理论常常与常识相矛 盾，其正确性由实验验证
我们的课程：开始是按历史发展的过程，介绍物理学家 “实验—理论—实验”，逐步修正错误走向真理的过程， 然后用量子力学的结论研究原子的性质 新眼光、新思维，勤思考、多理解 盖尔曼：量子力学是一门“十米的、令人捉摸不透的学科，
X射线的发现：历史
1895.11.8, (德)W.C.Rǒntgen在研究阴极射线时意外发现一种 新的穿透性很强的射线——X射线 阴极射线穿透性差，能被磁场偏转，而新射线不被磁场偏 转，穿透性强，所以不是阴极射线（电子） 1895.12.28，第一张X射线照片(伦琴夫人的手)，轰动世界