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1、原子物理學(Atomic Physics),主要參考書： 褚圣麟，原子物理學，高等教育出版社 楊福家，原子物理學，高等教育出版社 周尚文，原子物理學，蘭州大學出版社 趙凱華、羅蔚茵，量子物理，高等教育出版社,主講：侯春風 教授 哈爾濱工業(yè)大學物理系,物理學是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、相互作用和物質(zhì)運動最基本、最普遍的規(guī)律的科學，它的研究對象十分廣泛。 空間尺度 （相差 1046） 1026 m（約150億光年）（宇宙）10-20 m（夸克） 時間尺度 （相差1045 ） 1018 s（150億年）（宇宙年齡）10-27 s（硬 射線周期） 速率范圍 0（靜止）3108 m/s（光速） 不同尺度和速度范圍的
2、對象要用不同的物理學研究,原子物理學是研究原子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其運動規(guī)律的一門科學。,“原子”一詞來自希臘文，含義是“不可分割的”。公元前四世紀，古希臘哲學家德謨克利特(Democritus)提出了這一概念，并把它當作物質(zhì)的最小單元。,1807年，英國科學家約翰 道爾頓(John Dalton)提出原子論。他認為原子類似于剛性的小球，它們是物質(zhì)世界的基本結(jié)構(gòu)單元，是不可分割的。,In 1807, an English scientist called John Dalton put forward his ideas about atoms. From his experiments and o
3、bservations, he suggested that: Atoms were like tiny, hard balls. Each chemical element had its own atoms that differed from others in mass. Dalton believed that atoms were the fundamental building blocks of nature and could not be split. In chemical reactions, the atoms would rearrange themselves a
4、nd combine with other atoms in new ways.,道爾頓用他的學說說明了化學中的物質(zhì)不滅定律等。道爾頓的原子說是根據(jù)事實概括的結(jié)果，能夠用來研究和發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象，因此比古代原子說更進一步。,十九世紀末二十世紀初，一些實驗現(xiàn)象相繼發(fā)現(xiàn)，如電子、 X 射線和放射性元素的發(fā)現(xiàn)表明原子是可以分割的，它具有比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。那么，原子是怎樣組成的？原子的運動規(guī)律如何？這就是原子物理學要研究的問題。,The top physicists of all time Physics World,第1章 原子的基本狀況,1.1 原子的質(zhì)量和大小,各種原子的質(zhì)量不同在化學和物理學中常用它
5、們質(zhì)量的相對值?，F(xiàn)在把碳在自然界中最豐富的一種同位素的質(zhì)量定為12.000個單位作為原子質(zhì)量的標準，其他原子的質(zhì)量同碳12比較，定出質(zhì)量，稱為原子量。 例如氫的原子量是l.0079、碳是12.0117、氧是15.999、銅是63.54。原子量可用化學方法測定。,知道了原子量，就可以求出原子質(zhì)量的絕對值：,其他原子的質(zhì)量可同樣算出，最大的原子質(zhì)量是這個值的二百幾十倍。,由(1)式可算出氫原子的質(zhì)量為：,(1),其中，A 為原子量，MA為原子質(zhì)量，N0 為阿伏伽德羅常數(shù)。,原子的大小可按下述幾個方法估計：,(1) 對任意一種原子AX，A克X原子具有N0個X原子，如果這種原子的質(zhì)量密度是(克/厘米3
6、)，設(shè)原子的半徑為r，則有：,(3) 由范德瓦爾斯方程：,b值按理論應(yīng)等于分子所占體積的四倍，由實驗測出b，就可算出分子直徑，其數(shù)量級和原子半徑相同。,用不同方法估算出的原子半徑有一定的偏差，但數(shù)量級相同，都是10-10米。,1.2 電子的發(fā)現(xiàn),1833年，法拉第(MFaraday)提出電解定律，依此推得：一摩爾任何原子的單價離子永遠帶有相同的電量。這個電量，就是法拉第常數(shù)F，其值是法拉第在實驗中首次確定的。,1874年，斯通尼(G. J. Stoney)指出，電離后的原子所帶的電荷為一基本電荷的整數(shù)倍，并推算出這一基本電荷的近似值(e=F/N0)。在1881年，斯通尼提出用“電子”命名基本電
7、荷。,1897年，英國物理學家湯姆遜(Josph John Thomson) 從實驗確認了電子的存在，測出了電子的菏質(zhì)比e/me。 由于電子的發(fā)現(xiàn)，湯姆遜被人們譽為：“一位最先打開通基本粒子物理學大門的偉人。”并因此被授予1906年諾貝爾物理獎。,J. J. Thomson，1906年諾貝爾物理獎得主,1910年，美國物理學家密立根(R. A. Millikan)通過著名的“油滴實驗”精確地測定了電子的電量。后來又經(jīng)過幾年反復(fù)測定，得出：,現(xiàn)在的公認值為：,根據(jù)電子的電量及荷質(zhì)比e/me，可定出電子的質(zhì)量為：,美國物理學家密立根(R. A. Millikan)，因電子電荷的測定被授予1923年
8、諾貝爾物理獎。,兩個小插曲：,早在1890年，休斯特(Aschuster)就曾研究過氫放電管中陰極射線的偏轉(zhuǎn)。且算出構(gòu)成陰極射線微粒的荷質(zhì)比為氫離子荷質(zhì)比的千倍以上。但他不敢相信自己的測量結(jié)果，而覺得“陰極射線粒子質(zhì)量只有氫原子的千分之一還不到”的結(jié)論是荒謬的；相反，他假定：陰極射線粒子的大小與原子一樣，而電荷卻較氫離子大。,1897年，德國的考夫曼(WKaufman)做了類似的實驗，他測到的e/me數(shù)值遠比湯姆遜的要精確，與現(xiàn)代值只差1。他還觀察到e/me值隨電子速度的改變而改變。但是，他當時沒有勇氣發(fā)表這些結(jié)果，因為他不承認陰極射線是粒子的假設(shè)。直到1901年，他才把結(jié)果公布于世。,電子發(fā)
9、現(xiàn)之后，人們意識到原子中存在電子，它的質(zhì)量只是整個原子的很小的一部分；電子帶負電，而原子是電中性的，這就意味著原子中還有帶正電的部分，它占有著原子的絕大部分質(zhì)量。,那么原子中帶正電的部分，以及帶負電的電子，在大小為10-10米的范圍內(nèi)是怎樣分布、如何運動的呢？,湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子之后，人們對原子中正、負電荷如何分布的問題，提出了許多見解。,1.3 原子的核式結(jié)構(gòu),1898年， Thomson提出了“布丁模型”(也被稱為“西瓜模型”)。,湯姆遜模型,1903年，德國物理學家林納德(P. Lenard)在實驗中發(fā)現(xiàn)“原子內(nèi)部是十分空虛的”。,P. Lenard (18621947), 1905年諾貝爾
10、物理獎得主。,在P. Lenard的基礎(chǔ)上，長岡半太郎(Hantaro Nagaoka)提出了原子的土星模型，認為原子內(nèi)的正電荷集中于中心，電子繞中心運動，但他沒有深入下去。,長岡半太郎的土星模型,長岡的土星模型,Hantaro Nagaoka,1909年，英國物理學家盧瑟福(E. Rutherford) 在他的學生蓋革(H. Geiger)和馬斯登(E. Marsden)的協(xié)助下，發(fā)現(xiàn) 粒子轟擊原子時，大約每八千個 粒子中有一個被反射回來。湯姆遜模型無法對該實驗結(jié)果做出解釋。盧瑟福根據(jù)實驗結(jié)果于1911年提出了原子的“核式結(jié)構(gòu)模型”(也被稱為“盧瑟福行星模型”),E. Rutherford，
11、1908年諾貝爾化學獎得主，外號：鱷魚。,盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型(行星模型),1.3.1 粒子散射實驗,粒子為氦核 ，以c/15轟擊金箔，在原子中帶電物質(zhì)的電場力作用下，使它偏離原來的入射方向，從而發(fā)生散射現(xiàn)象。氦核質(zhì)量是電子質(zhì)量的 7300多倍， 因此 粒子的運動基本不受電子影響。,實驗結(jié)果表明：絕大部分粒子經(jīng)金箔散射后，散射角很?。?3），但有1/8000的粒子偏轉(zhuǎn)角大于90 ，甚至被反射回來。,湯姆遜模型無法解釋 粒子散射實驗中的大角度散射, 粒子每次碰撞的最大偏轉(zhuǎn)角為：,根據(jù)上式，能量為5MeV的 粒子在金(Au, Z=79)箔上散射，每次碰撞的最大偏轉(zhuǎn)角,即使要引起1的偏轉(zhuǎn)，也必須經(jīng)過
12、多次碰撞才有可能。由于每次碰撞偏轉(zhuǎn)的方向是隨機的，所以發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的概率是非常低的，計算表明，發(fā)生90散射的概率為10-3500！而實驗結(jié)果卻是1/8000。,根據(jù)湯姆遜模型可以估算出 粒子散射實驗中發(fā)生90散射的概率為10-3500， 粒子被反射回來“就象一枚15英寸的炮彈打在一張紙上被反彈回來一樣，令人不可思議?！保ūR瑟福語）,為了解釋 粒子散射實驗結(jié)果，盧瑟福提出了“核式結(jié)構(gòu)模型” 。,1.3.2 粒子散射理論,設(shè)有一個 粒子射到一個原子附近，二者之間有庫侖斥力。在原子核的質(zhì)量比 粒子的質(zhì)量大得多的情況下，可以認為前者不會被推動。 粒子受庫侖力的作用而改變運動方向，如下圖所示。圖中 v
13、 是 粒子原來的速度，b 是原子核離 粒子原運動路徑的延長線的垂直距離，稱為瞄準距離。由力學原理可以證明粒子的偏轉(zhuǎn)角 與瞄準距離 b 有如下關(guān)系：,下面我們來證明(1)式,由牛頓定律有：,由庫侖定律有：,根據(jù)上兩式可知：,(*),把上式代入(*)式并整理， 可得：,由此可見,而由矢量圖可知,從(1)式可以看出， 與 b 有對應(yīng)關(guān)系：b 大， 就??；b 小， 就大；對其一b ，有一定的 與之對應(yīng)。,那些瞄推距離在b和b-db之間的粒子，散射后，必定向著和 +d之間的角度射出，如下圖所示。,此即盧瑟福散射公式。d是粒子散射到與 +d之間的立體角d內(nèi)每個原子的有效散射截面，又稱微分截面。,(2)式可
14、用空心圓錐體的立體角表達以代替d。由下圖可知，這里的立體角與d有如下關(guān)系：,實驗中是用粒子轟擊金箔(即金薄膜)中的金原子核，設(shè)薄膜的面積為A，厚度為t，如果單位體積中的原子數(shù)為N，那么薄膜中的原子核總數(shù)是,實際測量時，不取與+d之間的全部立體角，也就是不采用圖6中環(huán)形帶所張的全部立體角。測量的熒光屏只在不同方向張了一個小立體角d ，實際測得的粒子數(shù)是在d中的dn 。但很容易理解， 相同時，dn d dnd。所以(5)式與實驗核對時，用dn d 代替dnd 。,粒子散射公式的常用形式：,1.3.3 盧瑟福理論的實驗驗證,如果盧瑟福模型是有道理的，那么實驗結(jié)果應(yīng)該與理論公式(5)相符合。從(5)式
15、可以看到下列四種關(guān)系： (1) 在同一粒子源和同一散射物的情況下，(dn d )sin4(/2)常數(shù)； (2) 用同一粒子源和同一種材料的散射物，在同一散射角處， (dn d )與散射物厚度t成正比； (3) 用同一散射物，在同一散射角， (dn d ) v4 常數(shù)； (4) 用同一粒子源，在同一散射角， 對同一Nt值， dn d與Z2成正比。,1913年蓋革和馬斯頓又仔細地進行了粒子散射的實驗，所得結(jié)果完全證實了上述前三項的關(guān)系，關(guān)于第四項當時未能準確測定，過了幾年也證實了。,表1 粒子在不同角度的散射,1.3.4 原子核大小的推斷,由此式，知道了散射物的Z和粒子的原有速度v，從觀察到的散射
16、角，就可以推算粒子離原子核的最近距離rm ， 越大， rm越小。,從以上討論可見，粒子散射的實驗與理論充分證明了原子的核式結(jié)構(gòu)。在這個結(jié)構(gòu)中，有一個帶正電的中心體原子核，所帶正電的數(shù)值是原子序數(shù)乘單位正電荷。原子核的半徑在10-15到10-14米之間。原子核外邊散布著帶負電的電子。但原子質(zhì)量的絕大部分是原子核的質(zhì)量。這樣一個原子的核式模型在盧瑟福提出后很快被大家接受，認為它代表了原子的真實情況。,盧瑟福手跡,盧瑟福的“行星模型”的意義,1. 最重要的意義是提出了原于的“核式結(jié)構(gòu)”，即提出了以核為中心的慨念，從而將原子分為核外與核內(nèi)兩個部分，并發(fā)大膽地承認了高密度的原子核的存在。 盧瑟福散射不僅
17、對原子物理起了很大的作用，而且這種以散射為手段研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法對近代物理一直起著巨大的影響。 盧瑟福散射為材料分析提供了一種手段。,盧瑟?！靶行悄Ｐ汀钡睦щy 盧瑟福的“行星模型”的雖然可以解釋粒子散射實驗結(jié)果，但該模型卻無法解釋下列問題： 1)、無法解釋原子的穩(wěn)定性； 2)、無法解釋原子的同一性； 3)、無法解釋原子的再生性。,為了解釋上述問題，盧瑟福的一個學生丹麥物理學家尼爾斯 玻爾(Niles Bohr)在盧瑟福的“行星模型”的基礎(chǔ)之上于1913年提出了原子的量子理論，即“玻爾模型”。,玻爾的原子模型(Bohrs Atom),尼爾斯 玻爾(Niles Bohr)，丹麥人，二十世紀世界最偉
18、大的物理學家之一，量子理論的主要奠基人。1922年諾貝爾物理獎得主。,1926年，Schrdinger創(chuàng)立量子力學（波動力學），量子力學的計算結(jié)果表明原子核外的電子應(yīng)該具有“電子云”結(jié)構(gòu)。,1.4 同位素,人們發(fā)現(xiàn)有原子量不同而化學性質(zhì)相同的元素。這些元素有相同的化學性質(zhì)，因而有相同的元素名稱，在化學周期表中處在同一地位，有相同的原子序數(shù)，它們被稱為同位素。例如16O、17O和18O；12C和13C。,一種元素的諸同位素有相同的原子序數(shù)，它們的原子核所帶正電量是相同的，核外電子數(shù)因而也相同，可是質(zhì)量不同，因而可見差別在原子核上。,思考題1：,粒子與原子核發(fā)生對心碰撞，試比較下列哪種情況下粒子離核的最近距離更小： A 核在碰撞前后保持靜止不動； B 核原來靜止，碰撞后有運動。,思考題2： 粒子散射實驗的數(shù)據(jù)在散射角很小(15o)時與理論值差得較大，是什么原因?,思考題3：,試由盧瑟福散射公式,出發(fā)，對以下結(jié)果從物理意義上加以定性解釋：,1),2),3),4),作業(yè)：,習題 1、習題 4和習題 7,
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