原子物理学第一章

Atomic Physics 原子物理学
背景知识 在此基础上，1893年道尔顿提出了他的原 子学说，他认为:
1.一定质量的某种元素，由极大数目的该元 素的原子所构成；
2.每种元素的原子，都具有相同的质量，不 同元素的原子，质量也不相同； 3.两种可以化合的元素，它们的原子可能按
几种不同的比率化合成几种化合物的分子。
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背景知识 1808，法国盖· 吕萨克定律告诉我们，在每 一种生成或分解的气体中，组分和化合物气 体的体积彼此之间具有简单的整数比； 1811，意大利阿伏伽德罗发现气体的体积 与其中所含的粒子数目有关。同温同压下， 相同体积的不同气体含有相等数目的分子； 1826，英国布朗观察到液体中的悬浮微粒作 无规则的起伏运动---布朗运动；
从上式可以预言下列四种关系： ① 在同一 粒子源和同一散射物的情况下
dn 在同一散射角， d
dn 4 Sin 常数 d 2
② 用同一粒子源和同一种材料的散射物，
t
dn 4 ③ 用同一个散射物，在同一个散射角， v 常数 d
3．散射截面的物理意义
设有一薄膜，面积为A，厚度为ｔ，单位体积内的原子数为N ，则薄膜中的总原子数是： N＇ NAt
近似：设薄膜很薄，薄膜内的原子核对射来的粒子前后不互 相覆盖。 则N’个原子把粒子散射到d中的总有效散射截面为：
d N `d NAtd
n A
dn d
dn dn d Ntd d n A nNt
问题： (l) d的物理意义？
(2) 库仑散射公式为什么不能直接检验?
(3) 如果粒子以一定的瞄准距离接近原子核时， 以90o 角散射，当粒子以更小的瞄准距离接近 原子核时，散射角的范围是什么? (4) 卢瑟福依据什么提出他的原子模型? (5) 卢瑟福模型与汤姆逊模型的主要区别是什么?
Rutherford’s astonishment： It was quite the most incredible event that has ever happened to me in my life. It was almost as incredible as if you fired a 15inch shell at a piece of tissue paper and it came back and hit you.

六、行星模型的意义及困难
2.原子的同一性 任何元素的原子都是确定的，某一元素的所 有原子之间是无差别的，这种原子的同一性是 经典的行星模型无法理解的。 3.原子的再生性 一个原子在同外来粒子相互作用以后，这个 原子可以恢复到原来的状态，就象未曾发生过 任何事情一样。原子的这种再生性，是卢瑟福 模型所无法说明的.
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背景知识
1869，俄国门捷列夫提出元素周期律；
1895，1896，1897相继发现X射线、放射性 和电子----近代物理的序幕； 原子物理学的发展----量子理论的诞生： 基尔霍夫和邦森、巴尔末、卢瑟福、玻尔、 索莫菲、德布罗意、玻恩、海森堡、薛定谔、 泡利、狄拉克等。
空心锥体的立体角：d 2 sin d 4 sin cos d 2 2
Ze 2 2 d d与d的对应关系 ： ( d )2 ( ) 2 4 0 MV sin 4 2 1
公式的物理意义：被每个原子散射到+d之间的空心立体 角d内的粒子，必定打在bb-db之间的d这个环形带上 。 d称为有效散射截面(膜中每个原子的)，又称为微分截面。
2．卢瑟福散射公式
b→
b db → d
问题：环形面积和空心圆锥体 2 的立体角之间有何关系呢? ctg 4 M b 4 Ek b 0 0 2 2
2 2Ze Ze
2Ze2 2 cos 2 环形面积： d 2bdb ( )2 ( ) d 2 3 4 0 Mv sin 2 1
r越小，F越大，即越靠近球心，受力越大，有可能
被反弹回来，但由于球心带正电的核很小，故反弹的 几率很小。
The Structure model of Atoms
Conclusions
三、卢瑟福散射理论（Scattering Theory）
假设：忽略电子的作用 、粒子 和原子核看成点电荷、原子核不 动、大角散射是一次散射结果
主要参考资料
1．高等教育出版社，《原子物理学》，杨福家， 1992. 2．科学出版社，《原子和量子物理学》，H. 哈肯，H. C. 沃尔夫，1993. 3．清华大学出版社，《量子物理学》，史斌星， 1992. 4．上海科技出版社，《原子在我家中》，费米 夫人，1984. 5．高等教育出版社，《近代物理学》，徐克尊. 6． 7．学校图书馆的 CNKI（中国期刊全文数据库） 检索平台。
1．库仑散射公式
E M 2 ctg 4 0 b 4 0 k2 b 2 2Ze 2 Ze

上式反应出b和的对应关系 。b小， 大； b大，小 要得到大角散射，正电荷必须集中在很小的范围内， 粒子必须在离正电荷很近处通过。 问题：b是微观量，至今还不可控制，在实验中也无法 测量，所以这个公式还不可能和实验值直接比较。
The Structure model of Atoms
Model
Thomson’s model of atom
Rutherford’s model of atom
“plum-pudding” model
the nuclear structure model
The Structure model of Atoms The alpha particles scattering experiment
背景知识 “原子”一词来自希腊文，意思是“不可 分割的”。在公元前4世纪，古希腊哲学家德 漠克利特(Democritus)提出这一概念，并把 它看作物质的最小单元。 在十九世纪，人们在大量的实验中认识了 一些定律，如： 1806，法国普鲁斯 托---定比定律： 1807，英国道尔 顿---倍比定律： 元素按一定的物质比相互化合。 若两种元素能生成几种化合物， 则在这些化合物中，与一定质量 的甲元素化合的乙元素的质量， 互成简单整数比。
1874年，斯迪尼（G.T.Stoney）综合上述两 个定律，指出原子所带电荷为一个电荷的整数 倍，这个电荷是斯迪尼提出，用“电子”来命 名这个电荷的最小单位。但实际上确认电子的 存在，却是20多年后汤姆逊的工作. 1897年，汤姆逊（J.J.Thomson）发现电子： 通过阴极射线管中电子荷质比的测量，汤姆逊 （J.J.Thomson）预言了电子的存在。
所以d也代表粒子散射到 ~ d之间的几率的大小， 故微分截面也称做几率，这就是d的物理意义。将卢瑟福 散射公式代入并整理得：
dn 4 1 2 Ze2 2 sin 2 ( ) ( ) nNt 2 d 40 MV
四、卢瑟福理论的实验验证
dn 4 1 2 Ze2 2 sin 2 ( ) ( ) nNt 2 d 40 MV dn dn d d
1 2 ze 2 1 rm (1 ) 2 4 0 Mv sin( / 2)
Rｍ=3×10-14 m Rｍ=1.2 ×10-14 m （金） （铜） 10-14 m 10-15 m
六、卢瑟福模型的意义及困难
卢瑟福模型提出了原子的核式结构，在人 们探索原子结构的历程中踏出了第一步，可 是当我们进入原子内部准备考察电子的运动 规律时，却发现与已建立的物理规律不一致 的现象。 1.原子的稳定性 经典物理学告诉我们，任何带电粒子在作加 速运动的过程中都要以发射电磁波的方式放出 能量，那电子在绕核作加速运动的过程就会不 断地向外发射电磁波而不断失去能量，以致轨 道半径越来越小，最后湮没在原子核中，并导 致原子坍缩。然而实验表明原子是相当稳定的.。
2010-03-03
经典物理学
原子物理学
现代物理学
本课程学习的重点：
• 建立物理图象 • 清晰的概念描述
Atomic Physics 原子物理学
绪
论
什么是原子物理学 原子物理学的发展 原子物理学的地位与作用 学习原子物理学应特别注意的几个问题 参考资料
Atomic Physics 原子物理学
Atomic Physics 原子物理学
当原子学说逐渐被人们接受以后，人们 又面临着新的问题：
原子有多大？ 原子的内部有什么？ 原子是最小的粒子吗？....
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背景知识
1833年，英国法拉第提出电解定律，1mol任何 原子的单价离子永远带有相同的电量-即法拉第 常数。
学习原子物理学应特别注意的问题
1．要明确这门课的性质与特点
新概念、新原理多，且这些概念和原理具有一 个发展过程。①与实验结合密切；②是不断发 展和完善的；③不完全符合宏观规律。 2．本课程内容较多、课时紧，因此一定要作好笔 记，以便查阅、复习。同时，要学会自己总结 和归纳各章节内容。 3．一定要多看书、多思考，独立、按时完成作业， 同时注意哪些是还有待于进一步研究的问题。
④ 用同一个粒子源，在同一个散射角，对同一Nt值，
dn d Z2
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1913年盖革－马斯顿实验，1920年查德维克
五、原子核半径的估算
能量守恒定律
2 1 1 2Ze 2 MV 2 MV ' 2 2 4 0 rm
角动量守恒定律
MVb MV ' rm
由上两式及库仑散射公式可得
The Structure model of Atoms
Comparison between the two models
The Structure model of Atoms