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1、原子物理學(xué)原子物理學(xué)緒論一、原子物理課程說明課程性質(zhì)：原子物理學(xué)是物理學(xué)專業(yè)的一門重要的基礎(chǔ)課程。學(xué)時：48考試成績構(gòu)成說明：期末考試成績：70%平時成績（作業(yè)、出勤、學(xué)習(xí)態(tài)度、課堂提問）：30%二、原子物理學(xué)的研究對象、內(nèi)容、研究方法:1、原子物理學(xué)的研究對象原子物理學(xué)屬于近代物理學(xué)課程，它主要研究物質(zhì)在原子層次內(nèi)：(1)由什么組成；(2)各種組成成分間有怎樣的相互作用；(3)各物質(zhì)是怎樣的運動形態(tài)。等理論，是研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的一門科學(xué)。原子的半徑r=1010E研究的空間在1010m數(shù)量級以下.這導(dǎo)致微觀世界與宏觀世界有很大的不同。具體的體現(xiàn)就是量子化現(xiàn)象。2、研究內(nèi)容：(原子物理、核物理)

2、(1)原子物理部分：從原子光譜入手研究價電子的運動規(guī)律從元素周期律和X射線入手研究內(nèi)層電子的排布和運動規(guī)律(2)核物理部分主要研究核的整體性質(zhì)如：核力、核模型、核衰變、核反應(yīng)、核能的開發(fā)和利用及基本粒子的相關(guān)知識。教學(xué)內(nèi)容目錄緒論第一章原子的基本狀況第二章原子的能級和輻射第三章量子力學(xué)初步第四章堿金屬原子第五章多電子原子第六章磁場中的原子第七章原子的殼層結(jié)構(gòu)第八章X射線第九章分子結(jié)構(gòu)和分子光譜第十章原子核基本粒子簡介3、研究方法:從光譜及實驗資料入手:原子是微觀粒子，許多事實不能直接觀察，這就要根據(jù)原子所表現(xiàn)出的宏觀現(xiàn)象和特征進行推究微觀體系的物理過程。根據(jù)事實提出合理的假設(shè)，看這個假設(shè)能否說

3、明實驗事實或與進一步的實驗事實相符或由此推出較深的理論，由進一步的實驗驗證理論的正確性。這是一個理論與實踐多次反宓的過程。如：原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說的提出發(fā)現(xiàn)電子湯姆遜棗糕模型盧瑟福的散射實驗否定了湯姆遜模型一一無法解釋大角散射一一盧瑟福提出核式結(jié)構(gòu)模型由盧瑟福模型進一步推出散射理論散射理論被實驗驗證盧瑟福提出核式結(jié)構(gòu)模型正確。三、學(xué)習(xí)原子物理學(xué)需要注意的問題:1、掌握原子物理學(xué)研究問題的方法:根據(jù)事實提出合理的假設(shè)，看這個假設(shè)能否說明實驗事實或與進一步的實驗事實相符或由此推出較深的理論，由進一步的實驗驗證理論的正確性。這是一個理論與實踐多次反復(fù)的過程。2、學(xué)習(xí)過程中對微觀世界的認識逐漸深入，理論逐

4、漸完善如：玻爾理論索莫菲理論量子理論軌道橢圓軌道幾率3、注意理論的適用范圍經(jīng)典物理學(xué)的規(guī)律是由宏觀物理現(xiàn)象總結(jié)出來的它只適用于宏觀領(lǐng)域。微觀粒子有自己的運動規(guī)律和特點。所以不能總是用宏觀領(lǐng)域里總結(jié)出來的規(guī)律來解釋微觀領(lǐng)域的問題。4、注意突破經(jīng)典物理學(xué)的一些觀念和方法宏觀客體及其物理現(xiàn)象都是可以看得見摸得著,直觀性強。微觀客體看不見摸不著，生活中無直接經(jīng)驗，因此就不可能象宏觀客體那樣有一幅清晰的物理圖像。宏觀現(xiàn)象是它們內(nèi)部結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、特征的外在表現(xiàn)。通過它們表現(xiàn)出來的宏觀現(xiàn)象來探究他們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、特征是原子物理學(xué)的基本方法四、原子物理學(xué)的發(fā)展歷史原子物理學(xué)的發(fā)展可以分為幾個時期:1、古代的

5、原子論:(1)古希臘的原子論最具代表性的是公元前4世紀古希臘的哲學(xué)家留基伯(Leucippus)和他的學(xué)生得莫克利特(Democritus)提出:物質(zhì)結(jié)構(gòu)不是連續(xù)的而是分立的學(xué)說。他們認為物質(zhì)是由許多極小的簡單的不可分割的微粒組成。這種微粒稱為原子。這只是一種假設(shè)沒有試驗依據(jù)O差不多同一時期亞里士多德(Aristotle)等人卻反對這種原子觀，他認為物質(zhì)是連續(xù)的，可以無限止分割下去。這種觀點在中世紀占優(yōu)勢。隨著實驗技術(shù)的發(fā)展，物質(zhì)的原子觀在16世紀之后又為人們所接受，著名學(xué)者伽利略、笛卡爾、玻意爾、牛頓都支持這樣的觀點。C2）中國古代的原子論在我國,早在戰(zhàn)國時期（公元前476-221）就出現(xiàn)了

6、與上面相似兩種觀點。主張物質(zhì)不可無限分割的一派，最著名的是戰(zhàn)國時期的墨家：墨經(jīng)中曾記載：“端體之無序最前者也。其中：“體”：物體；“無序”：不可分割；“最前者”：最原始的東西意思是說：“端”是組成物體的不可分割的最原始的東西。-一-可見“端”也就是最原始的微粒原子的概念。主張物質(zhì)可以無限分割的以戰(zhàn)國時期的公孫龍為代表，他說過與句名言:一尺之錘，日取其半，萬世不竭。2.近代原子說建立在科學(xué)基礎(chǔ)之上的原子說是二三百年內(nèi)的事情，這段時間可以劃分為幾個時期：(1)前期(17世紀-18世紀)這一時期主要代表性的發(fā)現(xiàn)及理論：羅蒙洛索夫提出“原子動力論”，這里的原子實際上是分子，所以應(yīng)是“分子動力論”。它揭

7、示氣體能充滿空間是分子運動的結(jié)果，例如：在一個真空容器中，打進一點有色氣體，氣體立刻充滿整個容器，這是分子運動的結(jié)果。它說明物質(zhì)是不連續(xù)的。物理學(xué)是探討物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運動基本規(guī)律的前沿學(xué)科。(2)中期(18世紀末-19世紀中)是原子物理學(xué)發(fā)展的主要時期，這一時期的重要發(fā)現(xiàn):1806年，法國的普魯斯脫發(fā)現(xiàn)化合物分子的定組成定律;1807年，英國道爾頓發(fā)現(xiàn)倍比定律，并提出原子論;1808年，法國的蓋呂薩克(J.L.Gay-lussac)發(fā)現(xiàn)氣體化合時各氣體的體積成簡比的定律，并由此認為元素氣體在相等體積中的重量應(yīng)正比于它的原子量;1811年，意大利阿伏伽德羅（A.Avogadro）提出阿伏伽德羅假說,

8、同體積在同溫同壓下含有同數(shù)分子;1826年，英布朗（R.Brown）觀察到夜體中的懸浮顆粒無規(guī)則的起伏運動，即布朗運動;1833年，英國的法拉第（M.Faraday）提出電解定律，并把化學(xué)親和力歸結(jié)為電力；結(jié)識了點的基本單元的存在。1869年，俄國門捷列夫提出元素周期律這些使人們開始確切的認識到物質(zhì)由分子或原子構(gòu)成原子分子運動論形成。（3）后期（19世紀末一20世紀初）是原子物理學(xué)闊步前進的時期經(jīng)典物埋學(xué)大約經(jīng)過30。多年的發(fā)展到19世紀末已建立了較完整的理論體系，這就是：以牛頓三定律和萬有引力為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)以麥克斯韋方程組和洛倫茲公式所表達的電磁場理論對于熱現(xiàn)象有以熱力學(xué)三大定律為基礎(chǔ)的宏

9、觀理論，又有用統(tǒng)計物理學(xué)所描述的微觀理論。192719281900Planck s Quantum 1 heoi y (Max Planck)19241926IlieWaveequation(ErwinShrociinger)IndeterminacyPrinciple(W.Heisenberg)CopenhagenInterpretation(Bohr.Heisenberg,Shrodiiiger)ComplementarityPrinciple:Knowledgeofatomicandmolecular-scalephenomenaisessentiallyincompleteuntilb

10、othparticleandwaveaspectsofitareknown.RobertOppenheimerPaulDirac3、現(xiàn)代原子物理學(xué)：（20世紀初-現(xiàn)在）是新量子理論誕生和發(fā)展時期1924年，德布羅意提出物質(zhì)波的概念，將光的波粒二象性推廣到實物粒子1925年，微觀體系的新理論-量子力學(xué)建立1932年，中子發(fā)現(xiàn)，表明原子核有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這之后核物理的研究核應(yīng)用迅速發(fā)展1950年，基本粒子的研究和發(fā)展成績卓著五、原子物理學(xué)的應(yīng)用:原子彈、氫彈：巨大的殺傷性武器,國外有人設(shè)想用原子彈深鉆地球,內(nèi)有人設(shè)想用原子彈炸開昆侖山O核能發(fā)電:時間頻標(biāo)：艷原子鐘，可達30萬年誤差不超過一秒，在航天測

11、量中有重要作用。X射線：醫(yī)學(xué)上用于檢查身體，特別是CT（斷層掃描），是與電子計算機結(jié)合的產(chǎn)物。工業(yè)上用于探傷，測厚。海關(guān)用于檢查貨箱中貨物，不用開箱就可以知道貨箱中的貨物，有效打擊走私。農(nóng)業(yè)：輻射育種，消滅害蟲。AutomicPhysics第一*:原子的基本情況怡束.;笫一*:原子的基本情況第一節(jié)：背景知識原子“原了”一詞來自希臘文，意思是“不可。電子分割的”。在公元前4世紀，古希臘哲學(xué)家德關(guān)壬盧漠克利特(Democritus)提出這一概念，并把斯福它看作物質(zhì)的最小單元。哪由口B盜算B目錄桔束第一*:原子的基本情況第一節(jié)：背景知識隨著科技的進步，人們又面臨著新的問原子有多大?【子的內(nèi)部有什么？

12、9原子9電子®關(guān)于盧斯福原子是最小的粒子嗎？.在學(xué)習(xí)這門課的時候；一部分問題的謎底會逐漸揭開，現(xiàn)在我們來粗略地估計一下原子的大小。第一節(jié)：背景知識設(shè)某元素的原子是球狀的，半徑為r米,原子之間是緊密地堆積在一起的。若該元素的原子量為A,那么Imo1該原子的質(zhì)量為A,若這種原子的質(zhì)量密度為"那么人克原子的總體積為A/p(cm一個原子占的有體積為：加3即gm八.=4/所以原子的半徑/=強/礪工，依此可以算出不同原子的半徑，如下表所示：由上式得到各原子的直徑如下:原子種類摩爾質(zhì)量數(shù)量級鋰Li7L6*10-,0m100m鋁A1271.6*10,nm10-,om硫S321.8*1010

13、lom鉛Pb2071.9*10,nmIO-10m第一節(jié)：背景知識Ernest Rutherford 1C711937盧瑟福1871年8月30日生于新西蘭的納爾遜，畢業(yè)于新西蘭大學(xué)和劍橋大學(xué).1898年到加拿大任馬克歧爾大學(xué)物理學(xué)教授，達9年之久，這期間他在放射性方面的研究，貢獻極多.1907年，任曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)教授.1908年因?qū)Ψ派浠瘜W(xué)的研究榮獲諾貝爾化學(xué)獎.1919年任劍橋大學(xué)教授，并任卡文迪許實驗室主任.1931年英王授予他勛爵的桂冠.1937年10月19日逝世.第二節(jié)：盧斯福模型的提出Thomson 模型娘散射實驗在湯姆遜(Thomson)發(fā)現(xiàn)電子之后,對于原子中正負電荷的分布他提

14、出了一個在當(dāng)時看來較為合理的模型.Thomson模即原子中帶正電部分均勻分布在原子體內(nèi)，型的失敗電子鑲嵌在其中，人們稱之為“葡初干面包模©Rutherford模型”型的提出M 目錄 佶束!W hack；目錄 飴束Thom sen 模型“散射實驗Thomson 模型的失敗第二節(jié)：盧斯福模型的提出湯姆遜(Thomson)模型認為,原子中正電荷均勻分布在原子球體內(nèi)，電子鑲嵌在其中。原子如同西瓜，瓜瓢好比正電荷，電子如同瓜籽分布在其中。同時該模型還進一步假定，電子分布在分配空曾“模離的同心環(huán)上，每個環(huán)上的電子容量都不相同，型的提出電子在各自的平衡位置附近做微振動。因而可以發(fā)出不同頻率的光，而

15、且各層電子繞球心轉(zhuǎn)動時也會發(fā)光。這對于解釋當(dāng)時已有的實驗結(jié)果、元素的周期性以及原子的線光譜，似乎是成功的。為了檢驗湯姆遜模型是否正確,盧瑟福于埼利1911年設(shè)計了a粒子散射實驗，實驗中觀察到ihwn模型大多數(shù)粒子穿過金箔后發(fā)生約一度的偏轉(zhuǎn).但城散射實驗Thomson 模 型的失敗Rutherford 模 型的提出有少數(shù)a粒子偏轉(zhuǎn)角度很大，超過90度以上,甚至達到180度.法用湯姆遜(Thomoson)模型加以解釋.除非對于。粒子發(fā)生大角度散射的事實，無第二節(jié)：盧斯福模型的提出原子中正電荷集中在很小的體積內(nèi)時，排斥力才會大到使a粒子發(fā)生大角度散射，在此基礎(chǔ)上，盧瑟福(Rutherford)提出了

16、原子的核式模型.Thomson模型?！吧⑸鋵嶒濼homson模型的失敗Rutherford模型的提出實驗裝置如上圖所示放射源R中發(fā)出一細束a粒子，直射到金屬箔上以后，由于各a粒子所受金屬箔中原子的作用不同，所以沿著不同的方向散射。熒光屏S及放大鏡M可以沿著以F為中心的圓弧移動。當(dāng)S和準某一方向上，通過F而在這個方向散射的a粒子就射到S上而產(chǎn)生閃光，用放大鏡M觀察閃光，就能記錄下單位時間內(nèi)在這個方向散射的a粒子數(shù)。從而可以研究a粒子通過金屬箔后按不同的散射角8的分布情況。第二節(jié)：盧斯福模型的提出Thomson 模型Q娘散射實驗Thomsen 模 型的失敗Rutherford型的提出目錄 飴束第二

17、節(jié)：盧斯福模型的提出a粒子散射實驗觀察到:Thomson模型被散射的粒子大部分分布在小角度區(qū)域，虢散射實驗但是大約有1/8000的粒子散射角。90度，甚Thomsen模至達到180度,發(fā)生背反射。a粒子發(fā)生這么大型的失敗角度的散射，說明它受到的力很大。Rutherford模型的提出目錄， - S -_ 一 . .結(jié)束Thomson 模型。散射實驗Thcmscn 模 型的失敗F面我們通過計算來看一看，按照湯姆遜模型，a粒子的最大偏轉(zhuǎn)角可能是多少。O Rutherford模型的提出目錄第二節(jié)：盧斯福模型的提出近似1： a粒子散射受電子的影響忽略 不計，只須考慮原子中帶正電而質(zhì)量大 的部分對粒子的影

18、響。近似2：只受庫侖力的作用。當(dāng)力R時,a粒子受的庫侖斥力為：F£吉束4go r2當(dāng)ZR時，。粒子受的庫侖斥力為:當(dāng)尸R時，。粒子受的庫侖斥力最大：口二1 2Z/ 皿一 4f片由于核式模型正電荷集中在原子中心很小的區(qū)域，所以無限接近核時，作用力會變得的很大，而湯姆遜模型在原子中心附近則不能提供很強的作用力O對于湯姆遜模型而言，只有掠入射（"乃Thomson槌取時，入射。粒子受力最大，設(shè)為七，我們"由，麗模型來看看此條件下a粒子的最大偏轉(zhuǎn)角是多少£娘散射實驗Thomson 模 型的失畋Rutherford 模型的提出如上圖，我們假設(shè)a粒子以速度/射來，且在

19、原子附近度過的整個時間內(nèi)均受到右的作用，那么會產(chǎn)生多大角度的散射呢？第二節(jié)：盧斯福模型的提出1散射實驗Thomson 模型的失敗Rutherford 模型的提出解：由角動最定均得：（*4二切#Thomson模型其中=2/示a粒子在原子附近度過的時間.V.、代入a值,解得：=Jd（2f）b一4/3、P2Ze14兀仃、Z所以：應(yīng)6=上=3xlO-5PE?E2加。值很小，所以近似有tgdv0=3x105(rad)(1)目錄 結(jié)束?Thomson 模型上面的計算我們沒有考慮核外電子的影響,這是因為電子的質(zhì)量僅為a粒子質(zhì)量的1/8000,它的作用是可以忽略的，即使發(fā)生對.。散射實驗Thomson 模 型

20、的失敗頭碰撞，影響也是微小的。a Rutherford 模型的提出目錄一一C一 一 丁 4 -£吉束第二節(jié)：盧斯福模型的提出§Z，Thomson模型知：“V13x10-0a散射實驗如果以能量為5Mel/的a粒子轟擊金箔，最 大偏轉(zhuǎn)角為：“Thomson模型的失敗Rutherforxl模型的提出6蟲=15.8xl0-4(raJ)=0.09°a粒子散射角很小，故Tomson模型不成立目錄桔束十4一_.09J一.0一.解決方法:1少帶正電物的半徑R，使作用力增大兩料不同電荷分布引起不同的相互作用Thomson 模型a散射實驗Thomson 模 型的失敗? Rutherford模型的提出第二節(jié)：盧斯福模型的提出a粒子散射實驗否定了湯姆遜的原子模型，根據(jù)實驗結(jié)果，盧瑟福于1911年提出了原子的核式模型。原子中心有一個極小的原子核，它集中了全部的正電荷和幾乎所有的質(zhì)量，所有電子都分布在它的周圍.盧瑟福根據(jù)設(shè)想的模型，從理論上推導(dǎo)出散射公式，并被蓋革馬斯頓實驗所驗證，核式模型從而被普遍接受。H.ickn(7M7-Thomson模型。散射實驗Thomson模型的失敗s 錄 菇束第三節(jié)：盧斯福散射公式庫侖散射 公式Rtherford公式s 錄 菇束，Rutherford模型的提出第三