原子物理课件1

1897年英国物理学家汤姆孙（J.J.Thomson)发现了电子,开创了人
类认识原子内部结构的新纪元。
1890年，休斯脱(A.Schuster)
, 1887年考夫曼(W.Kaufman)做了 类似的实验他测得的荷质比的数值比汤姆逊的还要精确，他还发现 荷质比随粒子速度的改变而改变。但是他当时没有勇气发表这些结 果，他不相信阴极射线是由粒子组成的。直到1901年他才公布自己 的实验结果
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1925年德国物理学家海森伯创立矩阵力学 1926年奥地利物理学家薛定鄂创立了波动力学 1926年玻恩等人提出了波函数的概率解释 l927年海森伯发现了不确定性原理 1928年英国物理学家狄拉克相对论波动方程 1927玻尔将不确定性原理扩展为互补原理， 使量子力学发展成为比较完善的理论体系
原子物理学
绪
“探索未知”
论
一、研究对象：
原子物理学是研究原子的结构、运 动规律及相互作用的物理学分支。它主 要研究：原子的电子结构；原子光谱； 原子之间或与其他物质的碰撞过程和相 互作用。
二、发展概况：
• 原子论由古希腊哲学家作为唯物主义主张哲学观提出来 的 • 十七世纪后,原子论建立在化学实验和理论基础上 • 1774年拉瓦锡(A.L.Lavoisier)的元素学说 • 1803年道尔顿(J.Dalton)的原子学说 • 阿佛加德罗(A.Avogadro)常数假设 • 原子论: 不同元素代表不同原子, 原子在空间上按一定 方式结合成分子, 分子进一步集聚成物体。分子的结构 直接决定物质的性质 • 近代化学的框架仍然是建立在原子分子论基础上 • 现代原子物理主要研究原子能级结构以及动力学问题
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(测量的原理是利 用静电偏转与磁偏转平 衡的条件) 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.”
图１汤姆逊正在进行实验
图2 阴极射线实验装置示意图
加电场E后，射线偏转， 阴极射线带负电。 再加磁场H后，射线不偏转， qB qE E / B 。 去掉电场E后，射线成一圆形轨迹， qB m 2 / r q / m E / rB 2 求出荷质比。 微粒的荷质比为氢离子荷质比的千倍以上阴极 射线质量只有氢原子质量的千分之一还不到 电
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在此基础上，1893年道尔顿提出了他的原子学说，他 认为: a.一定质量的某种元素，由极大数目的该元 素的原子所构成； b.某种元素的原子，都具有相同的质量，不 同元素的原子，质量也不相同；
c.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。
e=1.60217733×10-19C， m=9.1093897×10-31kg。
A MA N0
• A：以克为单位时, 一摩尔原子的质量 . 。 N0: 阿 伏 加 德 罗 常 数。(6.0221023/mol)
3A r ( ) 4N 0
1 3
质量最轻的氢原子：1.673×10-27kg 原子质量的数量级：10-27kg——10-25kg
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19世纪末 — 积累光谱数据 20世纪 — 原子分子物理作为一门独立学科 1913年 — 玻尔提出量子论。 夫兰克-赫兹利用电子束与原子气体碰撞实验 证实了原子的电子能级结构。
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量子力学 的创立 • 19世纪末，黑体辐射研究中的“紫外灾难” 等 • 1900年德国物理学家普朗克提出“能量子”假说 • 1905年爱因斯坦提出“光量子”概念，很好地解 释了光电效应，发现光的波粒二象性 • 关于原子结构问题的探索 1911年英国物理学家卢瑟福提出原子核式模型 1913丹麦物理学家玻尔提出“量子化”模型 • 1924年奥地利物理学家泡利提出不相容原理 • 1924年法国物理学家德布罗意指出了微观实物粒 子也具有二象性的假说，提出物质波概念
• 4、原子分子物理研究对于培养和训练人才来说是最 全面而有效的
四、研究内容：
《原子物理学》课程是在经典物理和近代物理之间起 纽带作用的承上启下的课程；是近代物理实验、量子力 学、核物理的基础课程。因此，它的课程体系应该包含 以下六部分内容， （I）原子的核式模型； （II）玻尔理论处理氢原子、类氢离子和碱金属原子光谱； （III）电子自旋和原子的精细结构； （Ⅳ）泡利原理和多电子原子； （Ⅴ）X射线和内壳层电子的跃迁； （Ⅵ）原子核物理和粒子物理简介。
原子的半径－ 10-1０ m（0.1nm）
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。
因此，它的课程体系应该包含以下六部分 内容， （I）原子的核式模型； （II）玻尔理论处理氢原子、类氢离子和碱 金属原子光谱； （III）电子自旋和原子的精细结构； （Ⅳ）泡利原理和多电子原子； （Ⅴ）X射线和内壳层电子的跃迁； （Ⅵ）原子核物理和粒子物理简介。
Atomic Physics 原子物理学
3、原子的大小
-
在液体和固体中：假定原子是球形的，原子的半径为r。若
其原子量为A，则A克原子具有NA原子。假设这种原子的质量 密度为 ，则A克原子的总体积为 A v =

而一个半径为r的原子的体积为4r3/3,则：
4 3 A N A r = 3
可得估算原子半径公式
3A 1 / 3 r =( ) 4N A
汤姆逊以惊人的胆识同传统观念决裂，勇敢地确认了有比氢原子
小得多的微粒——电子存在，而被誉为最先打开通向基本粒子物理 学大门的伟人。由此他获得了1906年诺贝尔物理学奖.
1910年密立根(R.A.
Millikan)在著名的“液滴实验”中，精确测 定了电子电荷，他的数值为：1.59×10－19库仑，很多年来一直被 认为是最精确的数值，密立根因此获得了1923年诺贝尔物理学奖， 直到1929年才发现它约有1%的误差，来自对空气粘滞性测量的偏离 ，电子电荷的精确值为
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
教学要求：
掌握：原子的核式模型及实验基础、卢瑟福散射 公式及散射截面。 了解：对两种主要的原子模型的定性半定量分析、 核式模型的意义及经典物理在其中遇到的困难。
原子物理学
物理系理论物理教研组 韩慧仙
Email address: hxhan@nwu.edu.cn
教学安排: 课时：36 学时 学分: 2
成绩评定：
期末考试 70% 论文和平时成绩 30% 待定
考试时间：
教材:《原子物理学》，杨福家编、高等教育
出版社出版
参 考 书
• （1）《原子物理学》，褚圣麟编、高等教育出版 社出版; • （1）《原子物理》，郑乐民编，北京大学出版社 出版； • （2）《近代物理学基础》张庆刚等编，中国科学 技术出版社出版。 • （3）《原子和亚原子物理学》高政祥编，北京大 学出版社； • （4）《量子物理》赵凯华等编，高等教育出版社 • （5）《量子力学与原子物理学》张哲华等编，武 汉大学出版社
• 量子力学的建立，开创了原子物理发展的黄金时期
• 理论上 — 发展量子力学
• 实验上 — 利用光谱学方法研究原子的能级结构， 利用电子碰撞研究动力学问题， 发现了能级精细结构和超精细结构现象 • 化学上用量子力学解释化学反应和计算化学反应速
率。
促进了交叉学科量子化学和化学物理学的发展
• 1932年发现中子
三、原子物理的重要意义
• 1、原子分子是微观世界的第一、二层次,宏观凝聚 态物质的性质决定于原子分子的组成和结构。
• 2、工业技术发展理论、实验手段上需要原子分子物 理。 军事上尖端武器的研制需要原子分子数据。 • 3、核物理和粒子物理人才和技术转移到原子分子物 理, 使能谱和时间测量的分辨率和精度提高了几个 数量级，使原子分子物理得到很大发展。
MA = NA
可得 1u =
1 g， NA
1u (1.6605655 0.0000086) 1027 kg
当原子学说逐渐被人们接受以后，人们又面临着新 的问题： 原子有多大？
原子的内部有什么？
原子是最小的粒子吗？.... 在学习这门课的时候；一部分问题的谜 底会逐渐揭开，现在我们来粗略地估计一 下原子的大小。
可求得一些元素的原子半径为10－10m量级，即0.1nm。
不同原子的半径 元素 Li 原子量 7 质量密度 0.7 原子半径 0.16
Al
Cu S Pb
27
63 32 207
2.7
8.9 2.07 11.34
0.16
0.14 0.18 0.19
二、电子的发现
电子的发现并不是偶然的，在此之前已有丰富的 积累。 1811年，阿伏伽德罗（A.Avogadno）定律问世， 提出1mol任何原子的数目都是个。 1833年，法拉第（M.Faraday）提出电解定律， 1mol任何原子的单价离子永远带有相同的电量-即 法拉第常数。
第二节：卢斯福模型的提出
在汤姆逊(Thomson)发现电子之后,对于 原子中正负电荷的分布他提出了一个在当时 看来较为合理的模型.
Thomson模型 α散射实验 Thomson模 型的失败
即原子中带正电部分均匀分布在原子体内, 电子镶嵌在其中，人们称之为"葡萄干面包模 型".
Rutherford模 型的提出
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结束
1874年，斯迪尼（G.T.Stoney）综合上述两个 定律，指出原子所带电荷为一个电荷的整数倍，这 个电荷是斯迪尼提出，用“电子”来命名这个电荷 的最小单位。但实际上确认电子的存在，却是20多 年后汤姆逊的工作.
1897年，汤姆逊（J.J.Thomson）发现电子： 通过阴极射线管中电子荷质比的测量，汤姆逊 （J.J.Thomson）预言了电子的存在。
根据道尔顿的原子学说，我们可以对简单的 无机化学中的化合物的生成给予定量的解释， 反过来，许多实验也证实了原子学说；并且人 们发现气态物质参与的化学反应时的元素的重 量与体积也遵循上述规律。 2、原子的质量： 1 12
1u = 12 M ( 6C )
• 1mol物质含有的基本单元数为NA， 元素摩尔质 量数值上等于该元素的原子量A，则单个原子的 A 绝对质量为：
第一节：背景知识
一 原子的状况：
1、“原子”一词来自希腊文，意思是“不可分割 的”。在公元前4世纪，古希腊哲学家德漠克利特 (Democritus)提出这一概念，并把它看作物质的最 小单元。 在十九世纪，人们在大量的实验中认识了一些定 律，如：
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Leabharlann Baidu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。
• 1936年发现裂变现象
• 二次世界大战—原子核物理的研究
• 20世纪四十年代后期以后 建造了加速器, 核物理和粒子物理得到蓬勃发展, 爆炸了原子弹和氢弹, 原子能发电和放射性核素得到广泛应用, 发现了基本粒子。
• 1970年肖洛(A.L.Schawlow)等研制成功了窄带调频染料激光器 （单色、高亮度）发展了高分辨激光光谱学方法 成为研究原子分子价壳层激发态结构, 特别是跃迁概率很小 的能级的主要手段。 • 赛格巴恩(K.M.Siegbahn)发展了用高分辨电子能谱仪 测量光电子谱和俄歇电子谱的方法 研究原子的价壳层、内壳层能级结构，发现了化学位移。 • 1980年后,应用同步辐射光源研究原子分子高激发态、内壳层 和离子激发态和电离结构。它的波长可调且短到真空紫外、 软X射线和硬X射线能区 • 在X射线激光、受控核聚变和天体物理中的应用促成了原子 分子物理研究的新高潮