原子物理課件緒論及第一章

原子物理

明德博學，求是志遠教學為本，質(zhì)量立校緒論

1．基本內(nèi)容物理學研究物質(zhì)運動的規(guī)律和物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)，原子物理學研究原子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其有關(guān)問題。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）認為：物質(zhì)都是由一些堅硬地、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）認為：物質(zhì)是可以無限止地分割下去的。

墨翟（公元前468-376）：“端：體之無序最前者也?！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，萬世不竭。"也就是說物質(zhì)是無限可分的。中國1807年，英國化學家道爾頓提出：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，意大利物理學家阿伏伽德羅提出了分子的概念，他認為物質(zhì)是由分子構(gòu)成的，分子才是由原子構(gòu)成的。（2）原子物理學的發(fā)展

19世紀末的三大發(fā)現(xiàn)：X射線：1895年德國物理學家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，1901年榮獲首屆諾貝爾物理學獎金。放射性：1896年法國物理學家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性，分享了1903年諾貝爾物理學獎金。電子：1897年英國物理學家湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，這是人類發(fā)現(xiàn)的第一個從原子中分離出來的更小的微粒。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)。原子的大門終于打開了，以后，原子物理學的發(fā)展可以說是突飛猛進的。（3）原子物理學迅速發(fā)展原子結(jié)構(gòu)模型的建立19世紀，大量的科學發(fā)現(xiàn)，使人們認識到，原子是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個層次；人們不禁要問原子的結(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，丹麥物理學家玻爾提出原子的玻爾模型科學發(fā)現(xiàn)1806年，法國普魯斯特發(fā)現(xiàn)化合物分子的定比組成定律；1807年，英國道爾頓發(fā)現(xiàn)倍比定律，并第一次明確提出原子論；1808年，法國蓋·呂薩克發(fā)現(xiàn)氣體化合時，各氣體的體積成簡比的定律；1811年，意大利化學家阿伏伽德羅提出阿佛伽德羅假說：同體積氣體在同溫同壓下含有同數(shù)目的分子；1833年，英國法拉第提出電解定律；1869年，俄國門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)角動量量子化假設(shè)返回原子物理學地位與輝煌諾貝爾物理學獎按年代分布原子物理學的新階段空間技術(shù)和空間物理學激光技術(shù)原子碰撞物理研究極端物理條件（高溫、低溫、高壓、強場等）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.原子物理學和其他學科的關(guān)系按物質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次，近代物理學可以分成五個分支學科：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)學科和技術(shù)發(fā)展也都要以原子物理為基礎(chǔ)返回

認識發(fā)展規(guī)律：分析觀察到的實驗事實、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)測新的實驗現(xiàn)象---->實驗驗證......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：所謂智能，是指人們運用知識的才能；培養(yǎng)智能，主要是培養(yǎng)自學能力、思維能力、表達能力、研究能力和組織管理能力。知識的增長必然孕育著新問題的產(chǎn)生。4．兩點建議

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：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：

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

是聯(lián)系宏觀與微觀的一個物理量(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定原子的大小2．從氣體分子運動論可以估計原子的大小氣體的平均自由程：測出，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，英國著名物理學家J.J.湯姆遜從實驗上確認電子的存在。陰極射線產(chǎn)生加電場E后，射線偏轉(zhuǎn)

陰極射線帶負電

再加磁場B后，射線不偏轉(zhuǎn)

去掉電場E后，射線成一圓形軌跡

求出荷質(zhì)比?！?.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)量只是整個原子質(zhì)量的極小的一部分，電子帶負電，而原子則是中性的，那意味著原子中還有帶正電的部分，它負擔了原子質(zhì)量的絕大部分。問題：在大約10-10m的范圍內(nèi)，帶負電、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、如何運動的？

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諧振動的結(jié)果，原子所發(fā)出的光的頻率就相當于這些振動的頻率。困難：勒納特電子散射實驗，α粒子散射實驗。

(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：一個運動粒子受到另一個粒子的作用而改變原來的運動方向的現(xiàn)象。粒子受到散射時，它的出射方向與原入射方向之間的夾角叫做散射角。

二粒子散射實驗實驗結(jié)果：大多數(shù)散射角很小，約1/8000散射大于90°；極個別的散射角等于180°。這是我一生中從未有過的最難以置信的事件，它的難以置信好比你對一張白紙射出一發(fā)15英寸的炮彈，結(jié)果卻被頂了回來打在自己身上－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，只須考慮原子中帶正電而質(zhì)量大的部分對粒子的影響。當r>R時，原子受的庫侖斥力為：當r<R時，原子受的庫侖斥力為：當r=R時，原子受的庫侖斥力最大：近似2：只受庫侖力的作用。

粒子受原子作用后動量發(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,幾乎等于整個原子的質(zhì)量,正常情況下核外有Z個電子圍繞它運動。定性地解釋：原子核很小，絕大部分粒子不能瞄準原子核入射，從原子核周圍穿過，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，r較小，受的作用力較大，有較大的偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)正對原子核入射的粒子，由于r極小，受作用力很大，有可能反彈回來。四盧瑟福的核式模型1．庫侖散射公式

五、盧瑟福散射理論上式反應(yīng)出b和的對應(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電荷、原子核不動、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。問題：b是微觀量，至今還不可控制，在實驗中也無法測量，所以這個公式還不可能和實驗值直接比較。例題：動能為5.00MeV的α粒子被金核以90°散射時，它的瞄準距離（碰撞參數(shù)）為多大？2．盧瑟福散射公式環(huán)形面積：→

→

問題：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的對應(yīng)關(guān)系：公式的物理意義：被每個原子散射到+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這個環(huán)形帶上。d稱為有效散射截面(膜中每個原子的)，又稱為微分截面。近似3：設(shè)薄膜很薄，薄膜內(nèi)的原子核對射來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、盧瑟福理論的實驗驗證

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)用同一個散射物，在同一個散射角，

(4)用同一個粒子源，在同一個散射角，對同一Nt值，

１９１３年蓋革－馬斯頓實驗，１９０２查德維克角動量守恒定律由上兩式及庫侖散射公式可得七、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、粒子散射實驗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、粒子散射實驗為人類開辟了一條研究微觀粒子結(jié)構(gòu)的新途徑。3、粒子散射實驗還為材料分析提供了一種手段。（二）困難1、原子穩(wěn)定