杨福家-原子物理-第四版-第一章.pptx

原子物理学(Atomic Physics);成绩评定; 物理学是研究物质结构、相互作用和物质运动最基本、最普遍的规律的科学，它的研究对象十分广泛。 ?空间尺度 （相差 1046） 1026 m（约127亿光年）（宇宙）——10-20 m（夸克） ?时间尺度 （相差1045 ） 1018 s（127亿年）（宇宙年龄）——10-27 s（硬? 射线周期） ?速率范围 0（静止）——3?108 m/s（光速） 不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学研究;1025;物质世界结构;; 原子物理学是研究原子的结构、性质及其运动规律的一门科学。;“原子”一词来自希腊文，含义是“不可分割的”。公元前四世纪，古希腊哲学家德谟克利特(Democritus)提出了这一概念，并把它当作物质的最小单元。; 1807年，英国科学家约翰 · 道尔顿(John Dalton)提出原子论。他认为原子类似于刚性的小球，它们是物质世界的基本结构单元，是不可分割的。; 道尔顿用他的学说说明了化学中的物质不灭定律等。道尔顿的原子说是根据事实概括的结果，能够用来研究和发现新的现象，因此比古代原子说更进一步。 ; 十九世纪末二十世纪初，一些实验现象相继发现，如电子、 X 射线和放射性元素的发现表明原子是可以分割的，它具有比较复杂的结构。那么，原子是怎样组成的？原子的运动规律如何？这就是原子物理学要研究的问题。;The top10 physicists of all time ??Physics World??;1.1 电子的发现;;与真理“擦肩而过”的人们; 1910年，美国物理学家密立根(R. A. Millikan)通过著名的“油滴实验”精确地测定了电子的电量。后来又经过几年反复测定，得出：;原子物理学中两个重要的无量纲 常数之一;?;1.4 原子的质量和大小; 知道了原子量，就可以求出原子质量的绝对值：;原子的大小可按下述几个方法估计：;(3) 由范德瓦尔斯方程：; 电子发现之后，人们意识到原子中存在电子，它的质量只是整个原子的很小的一部分；电子带负电，而原子是电中性的，这就意味着原子中还有带正电的部分，它占有着原子的绝大部分质量。;1898年， Thomson提出了“布丁模型”(也被称为“西瓜模型”)。;1903年，德国物理学家林纳德(P. Lenard)在实验中发现“原子内部是十分空虚的”。;长冈的土星模型; 1909年，英国物理学家卢瑟福(E. Rutherford) 在他的学生盖革(H. Geiger)和马斯登(E. Marsden)的协助下，发现 ?粒子轰击原子时，大约每八千个 ?粒子中有一个被反射回来。汤姆逊模型无法对该实验结果做出解释。卢瑟福根据实验结果于1911年提出了原子的“核式结构模型”(也被称为“卢瑟福行星模型”);1.5.1 ? 粒子散射实验 ;汤姆逊模型无法解释? 粒子散射实验中的大角度散射 ;对于汤姆逊模型， ? 粒子受到原子正电荷的最大作用力为：;根据汤姆逊模型可以估算出? 粒子散射实验中发生90?散射的概率为10-3500，? 粒子被反射回来“就象一枚15英寸的炮弹打在一张纸上被反弹回来一样，令人不可思议。”（卢瑟福语）;;1.5.2 ? 粒子散射理论;下面我们来证明(1)式;因库仑力是中心力，而中心力满足角动量守恒，所以有;由此可见;因此可知;(2);此即卢瑟福散射公式。定义?是?粒子散射到单位立体角d?内每个原子的有效散射截面，又称微分截面为：;实验中是用?粒子轰击金箔(即金薄膜)中的金原子核，设薄膜的面积为A，厚度为t， n为原子核密度数，则核子总数为：;由(4)式可得：;?粒子散射公式的常用形式：;1.5.3 卢瑟福理论的实验验证;表1 ?粒子在不同???度的散射;1.5.4 原子核大小的推断; 从以上讨论可见，α粒子散射的实验与理论充分证明了原子的核式结构。在这个结构中，有一个带正电的中心体原子核，所带正电的数值是原子序数乘单位正电荷。原子核的半径在10-15到10-14米之间。原子核外边散布着带负电的电子。但原子质量的绝大部分是原子核的质量。这样一个原子的核式模型在卢瑟福提出后很快被大家接受，认为它代表了原子的真实情况。;;卢瑟福手迹;卢瑟福的“行星模型”的意义;卢瑟福“行星模型”的困难 卢瑟福的“行星模型”的虽然可以解释?粒子散射实验结果，但该模型却无法解释下列问题： 1)、无法解释原子的稳定性； 2)、无法解释原子的同一性； 3)、无法解释原子的再生性。;玻尔的原子模型(Bohr’s Atom); 1926年，Schr?dinger创立量子力学（波动力学），量子力学的计算结