原子物理課件緒論及第一章

原子物理

明德博學(xué)，求是志遠(yuǎn)教學(xué)為本，質(zhì)量立校緒論

1．基本內(nèi)容物理學(xué)研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)，原子物理學(xué)研究原子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其有關(guān)問(wèn)題。物質(zhì)的層次：物質(zhì)<分子<原子<原子核、電子<質(zhì)子、中子<…2．發(fā)展簡(jiǎn)史（1）樸素的古代原子論古希臘德謨克利特（Democritus，約公元前460年-370年）認(rèn)為：物質(zhì)都是由一些堅(jiān)硬地、不可再分的微粒構(gòu)成的，命名為atom，即“原子”。亞里士多德（Aristoteles，約公元前384年-322年）認(rèn)為：物質(zhì)是可以無(wú)限止地分割下去的。

墨翟（公元前468-376）：“端：體之無(wú)序最前者也?！奔础岸恕笔墙M成物體的不可分割的最原始的東西。公孫龍（公元前468-376）："一尺之棰，日取其半，萬(wàn)世不竭。"也就是說(shuō)物質(zhì)是無(wú)限可分的。中國(guó)1807年，英國(guó)化學(xué)家道爾頓提出：一切物質(zhì)都由極小的微粒--原子組成。不同的物質(zhì)，含有不同的原子，不同的原子具有不同的性質(zhì)、大小和不同的質(zhì)量。道爾頓首先創(chuàng)立了原子量的概念。1811年，意大利物理學(xué)家阿伏伽德羅提出了分子的概念，他認(rèn)為物質(zhì)是由分子構(gòu)成的，分子才是由原子構(gòu)成的。（2）原子物理學(xué)的發(fā)展

19世紀(jì)末的三大發(fā)現(xiàn)：X射線：1895年德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，1901年榮獲首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。放射性：1896年法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性，分享了1903年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。電子：1897年英國(guó)物理學(xué)家湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，這是人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)從原子中分離出來(lái)的更小的微粒。電子、X射線和放射性的發(fā)現(xiàn)，揭示出原子還有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。原子的大門(mén)終于打開(kāi)了，以后，原子物理學(xué)的發(fā)展可以說(shuō)是突飛猛進(jìn)的。（3）原子物理學(xué)迅速發(fā)展原子結(jié)構(gòu)模型的建立19世紀(jì)，大量的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，使人們認(rèn)識(shí)到，原子是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)層次；人們不禁要問(wèn)原子的結(jié)構(gòu)又怎樣？1904年湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子提出棗糕模型1911年盧瑟福提出原子的核式結(jié)構(gòu)模型1913年，丹麥物理學(xué)家玻爾提出原子的玻爾模型科學(xué)發(fā)現(xiàn)1806年，法國(guó)普魯斯特發(fā)現(xiàn)化合物分子的定比組成定律；1807年，英國(guó)道爾頓發(fā)現(xiàn)倍比定律，并第一次明確提出原子論；1808年，法國(guó)蓋·呂薩克發(fā)現(xiàn)氣體化合時(shí)，各氣體的體積成簡(jiǎn)比的定律；1811年，意大利化學(xué)家阿伏伽德羅提出阿佛伽德羅假說(shuō)：同體積氣體在同溫同壓下含有同數(shù)目的分子；1833年，英國(guó)法拉第提出電解定律；1869年，俄國(guó)門(mén)捷列夫提出元素周期律。棗糕模型返回核式結(jié)構(gòu)模型返回玻爾模型兩條基本假設(shè)：定態(tài)假設(shè)角動(dòng)量量子化假設(shè)返回原子物理學(xué)地位與輝煌諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)按年代分布原子物理學(xué)的新階段空間技術(shù)和空間物理學(xué)激光技術(shù)原子碰撞物理研究極端物理?xiàng)l件（高溫、低溫、高壓、強(qiáng)場(chǎng)等）下和特殊條件（高激發(fā)態(tài)、高離化態(tài)）下原子的結(jié)構(gòu)和物性的研究

返回3.原子物理學(xué)和其他學(xué)科的關(guān)系按物質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次，近代物理學(xué)可以分成五個(gè)分支學(xué)科：①粒子物理②原子核物理③原子與分子物理④凝聚態(tài)物理⑤天體物理其他重要的基礎(chǔ)學(xué)科和技術(shù)發(fā)展也都要以原子物理為基礎(chǔ)返回

認(rèn)識(shí)發(fā)展規(guī)律：分析觀察到的實(shí)驗(yàn)事實(shí)、自然現(xiàn)象與現(xiàn)有理論的矛盾--->做出假設(shè)，提出新的模型和概念--->推出新理論--->預(yù)測(cè)新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象---->實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證......五步循環(huán)發(fā)展。注意微觀與宏觀的區(qū)別：微觀現(xiàn)象需由量子理論來(lái)描述，宏觀現(xiàn)象是由經(jīng)典理論描述的，而經(jīng)典理論只是量子理論的近似。楊福家說(shuō)：所謂智能，是指人們運(yùn)用知識(shí)的才能；培養(yǎng)智能，主要是培養(yǎng)自學(xué)能力、思維能力、表達(dá)能力、研究能力和組織管理能力。知識(shí)的增長(zhǎng)必然孕育著新問(wèn)題的產(chǎn)生。4．兩點(diǎn)建議

一、原子的質(zhì)量質(zhì)量最輕的氫原子：1.673×10-27kg含量最豐富的原子12C：1.994×10-26kg原子質(zhì)量的數(shù)量級(jí)：10-27kg——10-25kg1．原子質(zhì)量的單位原子質(zhì)量單位u：規(guī)定自然界中最豐富的一種元素12C的質(zhì)量為1/12：

1u=1.994×10-26kg/12=1.661×10-27kg第一章原子的核式結(jié)構(gòu)§1.1原子的質(zhì)量和大小

2．阿伏伽德羅定律一摩爾任何原子的數(shù)目都是，，稱(chēng)為阿伏伽德羅常數(shù)。元素的摩爾質(zhì)量為A（g），則：

是物理學(xué)中一個(gè)很重要的常數(shù)，它是聯(lián)系微觀物理學(xué)和宏觀物理學(xué)的紐帶，如前所述，它將微觀量和宏觀量聯(lián)系了起來(lái)。

是聯(lián)系宏觀與微觀的一個(gè)物理量(1)(2)

1．設(shè)原子的半徑為r，在晶體中按一定的規(guī)律排列，晶體的密度為,原子量為A，則原子的體積為：二、原子的大小在10-10m范圍內(nèi)。此處，又成了與A、的紐帶。

3．從范德瓦爾斯方程測(cè)定原子的大小2．從氣體分子運(yùn)動(dòng)論可以估計(jì)原子的大小氣體的平均自由程：測(cè)出，n，求出r，其中n是單位體積中的分子數(shù)。其中，定出，是分子（所占）體積。一．電子的發(fā)現(xiàn)1897年，英國(guó)著名物理學(xué)家J.J.湯姆遜從實(shí)驗(yàn)上確認(rèn)電子的存在。陰極射線產(chǎn)生加電場(chǎng)E后，射線偏轉(zhuǎn)

陰極射線帶負(fù)電

再加磁場(chǎng)B后，射線不偏轉(zhuǎn)

去掉電場(chǎng)E后，射線成一圓形軌跡

求出荷質(zhì)比。§1.2盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型

至今我們已了解到原子中存在電子，它的質(zhì)量只是整個(gè)原子質(zhì)量的極小的一部分，電子帶負(fù)電，而原子則是中性的，那意味著原子中還有帶正電的部分，它負(fù)擔(dān)了原子質(zhì)量的絕大部分。問(wèn)題：在大約10-10m的范圍內(nèi)，帶負(fù)電、質(zhì)量很小的電子與帶正電的、質(zhì)量很大的部分是如何分布、如何運(yùn)動(dòng)的？

湯姆遜模型：“西瓜模型”或“葡萄干面包”模型。原子發(fā)光：是電子在其平衡位置作簡(jiǎn)諧振動(dòng)的結(jié)果，原子所發(fā)出的光的頻率就相當(dāng)于這些振動(dòng)的頻率。困難：勒納特電子散射實(shí)驗(yàn)，α粒子散射實(shí)驗(yàn)。

(a)側(cè)視圖(b)俯視圖。R:放射源；F:散射箔；

S:閃爍屏；B:金屬匣α粒子：放射性元素發(fā)射出的高速帶電粒子，其速度約為光速的十分之一，帶+2e的電荷，質(zhì)量約為4MH。散射：一個(gè)運(yùn)動(dòng)粒子受到另一個(gè)粒子的作用而改變?cè)瓉?lái)的運(yùn)動(dòng)方向的現(xiàn)象。粒子受到散射時(shí)，它的出射方向與原入射方向之間的夾角叫做散射角。

二粒子散射實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：大多數(shù)散射角很小，約1/8000散射大于90°；極個(gè)別的散射角等于180°。這是我一生中從未有過(guò)的最難以置信的事件，它的難以置信好比你對(duì)一張白紙射出一發(fā)15英寸的炮彈，結(jié)果卻被頂了回來(lái)打在自己身上－盧瑟福的話三湯姆遜模型的困難

近似1：粒子散射受電子的影響忽略不計(jì)，只須考慮原子中帶正電而質(zhì)量大的部分對(duì)粒子的影響。當(dāng)r>R時(shí)，原子受的庫(kù)侖斥力為：當(dāng)r<R時(shí)，原子受的庫(kù)侖斥力為：當(dāng)r=R時(shí)，原子受的庫(kù)侖斥力最大：近似2：只受庫(kù)侖力的作用。

粒子受原子作用后動(dòng)量發(fā)生變化：最大散射角：大角散射不可能在湯姆遜模型中發(fā)生,散射角大于3°的比1%少得多；散射角大于90°的約為10-3500.必須重新尋找原子的結(jié)構(gòu)模型。解決方法：減少帶正電部分的半徑R，使作用力增大。

困難：作用力F太小，不能發(fā)生大角散射。原子序數(shù)為Z的原子的中心,有一個(gè)帶正電荷的核(原子核),它所帶的正電量Ze,它的體積極小但質(zhì)量很大,幾乎等于整個(gè)原子的質(zhì)量,正常情況下核外有Z個(gè)電子圍繞它運(yùn)動(dòng)。定性地解釋?zhuān)涸雍撕苄?，絕大部分粒子不能瞄準(zhǔn)原子核入射，從原子核周?chē)┻^(guò)，原子核的作用力仍不大，因此偏轉(zhuǎn)很小，少數(shù)粒子可能從原子核附近通過(guò)，r較小，受的作用力較大，有較大的偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)正對(duì)原子核入射的粒子，由于r極小，受作用力很大，有可能反彈回來(lái)。四盧瑟福的核式模型1．庫(kù)侖散射公式

五、盧瑟福散射理論上式反應(yīng)出b和的對(duì)應(yīng)關(guān)系。b小，大；b大，小假設(shè)：忽略電子的作用、粒子和原子核看成點(diǎn)電荷、原子核不動(dòng)、大角散射是一次散射結(jié)果

要得到大角散射，正電荷必須集中在很小的范圍內(nèi)，粒子必須在離正電荷很近處通過(guò)。問(wèn)題：b是微觀量，至今還不可控制，在實(shí)驗(yàn)中也無(wú)法測(cè)量，所以這個(gè)公式還不可能和實(shí)驗(yàn)值直接比較。例題：動(dòng)能為5.00MeV的α粒子被金核以90°散射時(shí)，它的瞄準(zhǔn)距離（碰撞參數(shù)）為多大？2．盧瑟福散射公式環(huán)形面積：→

→

問(wèn)題：環(huán)形面積和空心圓錐體的立體角之間有何關(guān)系呢?空心錐體的立體角：

d與d的對(duì)應(yīng)關(guān)系：公式的物理意義：被每個(gè)原子散射到+d之間的空心立體角d內(nèi)的粒子，必定打在bb-db之間的d這個(gè)環(huán)形帶上。d稱(chēng)為有效散射截面(膜中每個(gè)原子的)，又稱(chēng)為微分截面。近似3：設(shè)薄膜很薄，薄膜內(nèi)的原子核對(duì)射來(lái)的粒子前后不互相覆蓋。

設(shè)有一薄膜，面積為A，厚度為ｔ，單位體積內(nèi)的原子數(shù)為N，則薄膜中的總原子數(shù)是：

則N’個(gè)原子把粒子散射到d中的總有效散射截面為：所以d也代表粒子散射到之間的幾率的大小，故微分截面也稱(chēng)做幾率，這就是d的物理意義。將盧瑟福散射公式代入并整理得：

六、盧瑟福理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

從上式可以預(yù)言下列四種關(guān)系：（1）在同一

粒子源和同一散射物的情況下(2)用同一粒子源和同一種材料的散射物，在同一散射角，(3)用同一個(gè)散射物，在同一個(gè)散射角，

(4)用同一個(gè)粒子源，在同一個(gè)散射角，對(duì)同一Nt值，

１９１３年蓋革－馬斯頓實(shí)驗(yàn)，１９０２查德維克角動(dòng)量守恒定律由上兩式及庫(kù)侖散射公式可得七、原子核半徑的估算能量守恒定律rｍ=3×10-14m（金）rｍ=1.2×10-14m（銅）10-14m10-15m八、粒子散射實(shí)驗(yàn)的意義及盧瑟福模型的困難（一）意義：

1、最重要意義是提出了原子的核式結(jié)構(gòu)，即提出了以核為中心的概念

2、粒子散射實(shí)驗(yàn)為人類(lèi)開(kāi)辟了一條研究微觀粒子結(jié)構(gòu)的新途徑。3、粒子散射實(shí)驗(yàn)還為材料分析提供了一種手段。（二）困難1、原子穩(wěn)定