原子物理课件绪论第一章 原子的核式结构
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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F。 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.
原子物理学
1
课程说明
原子物理学是物理学专业的一门重要基础课程。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， 讲述量子物理的基本概念和物理图象，以及支配物质运动 和变化的基本相互作用，并在此基础上，利用量子力学的 思想和结论，讨论物质结构在原子、原子核以及基本粒子 等结构层次的性质、特点和运动规律。
/B BqE E 再加磁场H后，射线不偏转， q
去掉电场E后，射线成一圆形轨迹， 2 E /rB q/m 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 电子
19
二、电子的电荷和质量
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”。 e =1.60217733×10-19C， me =9.1093897×10-31kg。 根据法拉第电解定律，可算出氢离子的荷质比e/mp ，结 合e/me，可导出 mp =1.6726231×10-27kg。 按照相对论给出的质能关系 E=mc2,可得 me=0.51099906MeV/c2 mp=938.27231MeV/c2
2
若 E=5.0 MeV ， Z金=79 ，θmax<10-3弧度≈0.057o。 要发生大于90o的散射，需要与原子核多次碰撞，其几 率为10-3500！但实验测得大角度散射的几率为1/8000 ， 为此，卢瑟福提出了原子有核模型。
31
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；散射角大于 90°的约为 10-3500. 必须重新寻找原子的结构模型。
7
研究方法
从光谱及实验资料入手，提出假设，建立模型，然后再 进行实验验证，最后形成理论。正如恩格斯所说：“只 要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。”
二、 原子物理学的发展历史
1. 古代的原子论： 中国古代的原子论 古希腊的原子论 2. 近代原子说 3. 19世纪末—20世纪初的原子说 4. 量子力学和现代原子物理学
30
p F t 粒子受原子作用后动量发生变化： max
2R t ——α 粒子在原子附近度过的时间. v 2 1 2 Ze 2 R p 2 ( ) 代入Fmax，解得: 4 0 R v
所以
Ze /4 0 r p 2 5 Z tg 3 10 p E E 2
10
参 考 书
原子物理学 褚圣麟 编著 人民教育出版社 1979年
近代物理（上册） 郑广垣 编著 复旦大学出版社 1991年 量子物理学（上册） [美] R .埃斯伯格、R .瑞斯尼克著 1987年 近代物理基础及其应用 P. A. Tipler 著 上海科技出版社 1981年 近代原子物理学（上、下） [法] B. 凯格纳克 J.裴贝 E.裴罗拉 著 科学出版社 1982年
25
一、汤姆逊原子模型
汤姆逊提出原子的布丁模型,认为正电荷均匀分布 在半径 为R 的原子球体内,电子像布丁镶嵌在其中,如下图
1903年英国科学家 汤姆逊提出 “葡萄干 蛋糕”式原子模型或
称为“西瓜”模型。
汤姆逊正在进行实验
26
二、α粒子散射实验
目的
原理 检验汤姆逊模型的正确性 带电粒子射向原子,探测出射粒子的角分布。
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。
27
实 验 装 置 和 模 拟 实 验
( a) 侧视图 (b) 俯视图
11
第一章 原子的位形： 卢斯福模型
12
教学内容
§1.1 背景知识 §1.2 原子的核式结构模型 §1.3 卢斯福散射公式 §1.4 卢斯福散射公式的实验验证 §1.5 行星模型的意义及困难
13
教学要求
（1）掌握原子的静态性质；理解阿伏加德罗常数 的物理意义。 （ 2 ）掌握电子的发现、 α 粒子散射实验等实验事 实。 （ 3）掌握库仑散射公式和卢瑟福散射公式的推导。 （4）掌握卢瑟福公式的实验验证、原子核大小的 估计和原子的核式结构。
不 同 原 子 的 半 径 元素 原子量 质量密度 Βιβλιοθήκη Baidu子半径
Li
Al
7
27
0.7
2.7
0.16
0.16
Cu S Pb
63 32 207
8.9 2.07 11.34
0.14 0.18 0.19
23
§1.2 卢斯福模型的提出
一、汤姆逊原子模型 二、 粒子散射实验
24
卢瑟福（Rutherford）
通过原子物理学课的学习，不仅要掌握原子世界的基 本规律，培养良好的自学能力和科研素质，还要学习物理 学家们那种创造性研究问题的思想和方法，借以培养自己 的创新能力。
2
目录
绪论 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章 原子的基本状况 原子的能级和辐射 量子力学初步 碱金属原子 多电子原子 磁场中的原子 原子的壳层结构 X 射线 原子核 基本粒子简介
17
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e/m的测量，汤姆逊（J.J.Thomson） 预言了电子的存在。
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.”
汤姆逊正在进行实验
18
_
E
B
+
加电场E后，射线偏转，
阴极射线带负电。
2 q B m /r
宏观单位 微观单位
21
法拉第常量F与电子电荷e的关系：
F N e A
宏观量 微观量
玻尔兹曼常量k与普适气体常数R的关系：
R N Ak
宏观量
微观量
阿伏加德罗常数NA是联系宏观与微观的一个物理量。
22
四、 原子的大小
4 3 将原子看作是球体，其体积为 r ,1mol原子占体积为 3 4 3 A (g) (g/cm 3 ) 是原子质量密度。 r NA , 3 3A 原子的半径为 r 3 4 N A
20
三、 阿伏加德罗常数
阿伏加德罗常数是联系宏观与微观的一个物理量。 1mol (12g)12C中含有NA个12C原子，则每个12C的质量为
12 g NA
若以u为质量单位，则12C的质量为12u，则
1 27 2 1u g 1.660 10 kg 931.5MeV/c N A
1g N u A
2
37
pi
pf
vf
p
Z1e
/2 /2
2
vf vi
初末速度矢量图
vi
初态：α 粒子从无限远来。
末态：α 粒子经库仑力作用后又飞向无穷远。
初末状态机械能守恒，动量守恒，角动量守恒。
38
对α粒子,由牛顿第二定律可得:
d v F m a m dt
8
三 、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. 原子物理学在化学研究领域的应用
9
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
困难：作用力F太小，不能发生大角散射。
解决方法：减少带正电部分的半径R，使作用力增大。
32
结论
正电荷集中在原子中 心
33
三、原子核式结构模型—卢瑟福模型
原子序数为Z的原子的中心,有一个带正电荷的核(原子核), 它所带的正电量Ze ,它的体积极小但质量很大,几乎等于整 个原子的质量,正常情况下核外有Z个电子围绕它运动。
34
§1.3 卢斯福散射公式
一、库仑散射公式
二、卢瑟福散射公式
35
一、库伦散射公式
设入射粒子为α 粒子，在推导库仑散射公式之 前，我们对散射过程作如下假设： 1.假定只发生单次散射。 散射现象只有当α粒子与原子核距离相近时，才会 有明显的作用，所以发生散射的机会很少； 2.假定粒子与原子核之间只有库仑力相互作用； 3.忽略核外电子的作用。 这是由于核外电子的质量不到原子的千分之一， 同时粒子运动的速度比较高，核外电子对散射的 影响极小，所以可以忽略不计； 4.假定原子核静止。这是为了简化计算。
2
( 1 )
1 2 Z Z e d v 1 2 r m ( 2 ) 即 0 2 4 r dt 0
因为F 为有心力,对离心O 的力矩为 0 ,所以 α 粒子对原子的角动量守恒,
5
一、原子物理的研究对象、内容、研究方法
研究对象 原子介于分子和原子核之间。
原子物理学属近代物理学课程，它是是研究原子 的结构、运动规律及相互作用的物理学分支。 即主要研究原子结构与性质；原子光谱；原子之 间或与其他物质的碰撞过程和相互作用。 它是关于物质微观结构的一门科学。
6
研究内容
由原子物理和原子核两部分组成。 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 的运动规律和排布。 原子核部分主要研究核的整体性质、核力、核模型、 核衰变、核反应、核能的开发和利用、以及基本粒 子的一些知识。
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:
v
m
2 1 2 Ze r ( ) (r R ) 2 R R 4 0 F (r) 2 1 2 Ze 2 (r R ) r 0 4
2 1 2 Ze F ( r R ) max 2 4 0 R
14
重 点
α粒子散射实验 库仑散射公式 卢瑟福散射公式 原子的核式模型。
难 点
库仑散射公式 卢瑟福散射公式推导
15
§ 1.1 背景知识
一、 二、 三、 四、 电子的发现 电子的电荷和质量 阿伏加德罗常数 原子的大小
16
一、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NA个。
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。
R:放射源 F:散射箔 B:圆形金属匣 S:闪烁屏 A:代刻度圆盘 C:光滑套轴 T:抽空B的管 M:显微镜
28
结 果
大多数散射角很小，约1/8000散射大于90°； 极个别的散射角等于180°。
29
下面我们通过计算来看一看，按照汤姆逊模型， α粒子的最大偏转角可能是多少？
p
P
F
+Ze
3
教学内容
一、原子物理学的研究对象、内容和研究方法 二、 原子物理学的发展历史 三 、原子物理学的地位、作用和研究前景
4
教学要求
（ 1 ）掌握原子物理的研究对象、内容、特点和研
究方法。
（ 2 ）了解原子物理的发展历史及在材料科学、激
光物理、生物物理等学科的应用
（3）了解原子物理正在发展的学科前沿。
36
库仑散射：动能为EK 的α粒子从无穷远以瞄准距离b射向原 子核；在核库仑力作用下，偏离入射方向飞向 无穷远。出射与入射方向夹角θ称散射角。 瞄准距离b：入射粒子与固定散射体无相互作用下的最小 直线距离。
库伦散射公式
Z1e
a b ctg 2 2
Z1Z2e a 4 E 0 1
原子物理学
1
课程说明
原子物理学是物理学专业的一门重要基础课程。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， 讲述量子物理的基本概念和物理图象，以及支配物质运动 和变化的基本相互作用，并在此基础上，利用量子力学的 思想和结论，讨论物质结构在原子、原子核以及基本粒子 等结构层次的性质、特点和运动规律。
/B BqE E 再加磁场H后，射线不偏转， q
去掉电场E后，射线成一圆形轨迹， 2 E /rB q/m 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 电子
19
二、电子的电荷和质量
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”。 e =1.60217733×10-19C， me =9.1093897×10-31kg。 根据法拉第电解定律，可算出氢离子的荷质比e/mp ，结 合e/me，可导出 mp =1.6726231×10-27kg。 按照相对论给出的质能关系 E=mc2,可得 me=0.51099906MeV/c2 mp=938.27231MeV/c2
2
若 E=5.0 MeV ， Z金=79 ，θmax<10-3弧度≈0.057o。 要发生大于90o的散射，需要与原子核多次碰撞，其几 率为10-3500！但实验测得大角度散射的几率为1/8000 ， 为此，卢瑟福提出了原子有核模型。
31
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；散射角大于 90°的约为 10-3500. 必须重新寻找原子的结构模型。
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研究方法
从光谱及实验资料入手，提出假设，建立模型，然后再 进行实验验证，最后形成理论。正如恩格斯所说：“只 要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。”
二、 原子物理学的发展历史
1. 古代的原子论： 中国古代的原子论 古希腊的原子论 2. 近代原子说 3. 19世纪末—20世纪初的原子说 4. 量子力学和现代原子物理学
30
p F t 粒子受原子作用后动量发生变化： max
2R t ——α 粒子在原子附近度过的时间. v 2 1 2 Ze 2 R p 2 ( ) 代入Fmax，解得: 4 0 R v
所以
Ze /4 0 r p 2 5 Z tg 3 10 p E E 2
10
参 考 书
原子物理学 褚圣麟 编著 人民教育出版社 1979年
近代物理（上册） 郑广垣 编著 复旦大学出版社 1991年 量子物理学（上册） [美] R .埃斯伯格、R .瑞斯尼克著 1987年 近代物理基础及其应用 P. A. Tipler 著 上海科技出版社 1981年 近代原子物理学（上、下） [法] B. 凯格纳克 J.裴贝 E.裴罗拉 著 科学出版社 1982年
25
一、汤姆逊原子模型
汤姆逊提出原子的布丁模型,认为正电荷均匀分布 在半径 为R 的原子球体内,电子像布丁镶嵌在其中,如下图
1903年英国科学家 汤姆逊提出 “葡萄干 蛋糕”式原子模型或
称为“西瓜”模型。
汤姆逊正在进行实验
26
二、α粒子散射实验
目的
原理 检验汤姆逊模型的正确性 带电粒子射向原子,探测出射粒子的角分布。
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。
27
实 验 装 置 和 模 拟 实 验
( a) 侧视图 (b) 俯视图
11
第一章 原子的位形： 卢斯福模型
12
教学内容
§1.1 背景知识 §1.2 原子的核式结构模型 §1.3 卢斯福散射公式 §1.4 卢斯福散射公式的实验验证 §1.5 行星模型的意义及困难
13
教学要求
（1）掌握原子的静态性质；理解阿伏加德罗常数 的物理意义。 （ 2 ）掌握电子的发现、 α 粒子散射实验等实验事 实。 （ 3）掌握库仑散射公式和卢瑟福散射公式的推导。 （4）掌握卢瑟福公式的实验验证、原子核大小的 估计和原子的核式结构。
不 同 原 子 的 半 径 元素 原子量 质量密度 Βιβλιοθήκη Baidu子半径
Li
Al
7
27
0.7
2.7
0.16
0.16
Cu S Pb
63 32 207
8.9 2.07 11.34
0.14 0.18 0.19
23
§1.2 卢斯福模型的提出
一、汤姆逊原子模型 二、 粒子散射实验
24
卢瑟福（Rutherford）
通过原子物理学课的学习，不仅要掌握原子世界的基 本规律，培养良好的自学能力和科研素质，还要学习物理 学家们那种创造性研究问题的思想和方法，借以培养自己 的创新能力。
2
目录
绪论 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章 原子的基本状况 原子的能级和辐射 量子力学初步 碱金属原子 多电子原子 磁场中的原子 原子的壳层结构 X 射线 原子核 基本粒子简介
17
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e/m的测量，汤姆逊（J.J.Thomson） 预言了电子的存在。
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.”
汤姆逊正在进行实验
18
_
E
B
+
加电场E后，射线偏转，
阴极射线带负电。
2 q B m /r
宏观单位 微观单位
21
法拉第常量F与电子电荷e的关系：
F N e A
宏观量 微观量
玻尔兹曼常量k与普适气体常数R的关系：
R N Ak
宏观量
微观量
阿伏加德罗常数NA是联系宏观与微观的一个物理量。
22
四、 原子的大小
4 3 将原子看作是球体，其体积为 r ,1mol原子占体积为 3 4 3 A (g) (g/cm 3 ) 是原子质量密度。 r NA , 3 3A 原子的半径为 r 3 4 N A
20
三、 阿伏加德罗常数
阿伏加德罗常数是联系宏观与微观的一个物理量。 1mol (12g)12C中含有NA个12C原子，则每个12C的质量为
12 g NA
若以u为质量单位，则12C的质量为12u，则
1 27 2 1u g 1.660 10 kg 931.5MeV/c N A
1g N u A
2
37
pi
pf
vf
p
Z1e
/2 /2
2
vf vi
初末速度矢量图
vi
初态：α 粒子从无限远来。
末态：α 粒子经库仑力作用后又飞向无穷远。
初末状态机械能守恒，动量守恒，角动量守恒。
38
对α粒子,由牛顿第二定律可得:
d v F m a m dt
8
三 、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. 原子物理学在化学研究领域的应用
9
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
困难：作用力F太小，不能发生大角散射。
解决方法：减少带正电部分的半径R，使作用力增大。
32
结论
正电荷集中在原子中 心
33
三、原子核式结构模型—卢瑟福模型
原子序数为Z的原子的中心,有一个带正电荷的核(原子核), 它所带的正电量Ze ,它的体积极小但质量很大,几乎等于整 个原子的质量,正常情况下核外有Z个电子围绕它运动。
34
§1.3 卢斯福散射公式
一、库仑散射公式
二、卢瑟福散射公式
35
一、库伦散射公式
设入射粒子为α 粒子，在推导库仑散射公式之 前，我们对散射过程作如下假设： 1.假定只发生单次散射。 散射现象只有当α粒子与原子核距离相近时，才会 有明显的作用，所以发生散射的机会很少； 2.假定粒子与原子核之间只有库仑力相互作用； 3.忽略核外电子的作用。 这是由于核外电子的质量不到原子的千分之一， 同时粒子运动的速度比较高，核外电子对散射的 影响极小，所以可以忽略不计； 4.假定原子核静止。这是为了简化计算。
2
( 1 )
1 2 Z Z e d v 1 2 r m ( 2 ) 即 0 2 4 r dt 0
因为F 为有心力,对离心O 的力矩为 0 ,所以 α 粒子对原子的角动量守恒,
5
一、原子物理的研究对象、内容、研究方法
研究对象 原子介于分子和原子核之间。
原子物理学属近代物理学课程，它是是研究原子 的结构、运动规律及相互作用的物理学分支。 即主要研究原子结构与性质；原子光谱；原子之 间或与其他物质的碰撞过程和相互作用。 它是关于物质微观结构的一门科学。
6
研究内容
由原子物理和原子核两部分组成。 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 的运动规律和排布。 原子核部分主要研究核的整体性质、核力、核模型、 核衰变、核反应、核能的开发和利用、以及基本粒 子的一些知识。
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:
v
m
2 1 2 Ze r ( ) (r R ) 2 R R 4 0 F (r) 2 1 2 Ze 2 (r R ) r 0 4
2 1 2 Ze F ( r R ) max 2 4 0 R
14
重 点
α粒子散射实验 库仑散射公式 卢瑟福散射公式 原子的核式模型。
难 点
库仑散射公式 卢瑟福散射公式推导
15
§ 1.1 背景知识
一、 二、 三、 四、 电子的发现 电子的电荷和质量 阿伏加德罗常数 原子的大小
16
一、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NA个。
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。
R:放射源 F:散射箔 B:圆形金属匣 S:闪烁屏 A:代刻度圆盘 C:光滑套轴 T:抽空B的管 M:显微镜
28
结 果
大多数散射角很小，约1/8000散射大于90°； 极个别的散射角等于180°。
29
下面我们通过计算来看一看，按照汤姆逊模型， α粒子的最大偏转角可能是多少？
p
P
F
+Ze
3
教学内容
一、原子物理学的研究对象、内容和研究方法 二、 原子物理学的发展历史 三 、原子物理学的地位、作用和研究前景
4
教学要求
（ 1 ）掌握原子物理的研究对象、内容、特点和研
究方法。
（ 2 ）了解原子物理的发展历史及在材料科学、激
光物理、生物物理等学科的应用
（3）了解原子物理正在发展的学科前沿。
36
库仑散射：动能为EK 的α粒子从无穷远以瞄准距离b射向原 子核；在核库仑力作用下，偏离入射方向飞向 无穷远。出射与入射方向夹角θ称散射角。 瞄准距离b：入射粒子与固定散射体无相互作用下的最小 直线距离。
库伦散射公式
Z1e
a b ctg 2 2
Z1Z2e a 4 E 0 1