最新原子物理学1绪论和第一章教学讲义ppt
合集下载
原子物理学绪论共34页PPT
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
原子物理学绪论 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱பைடு நூலகம்能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
原子物理学绪论 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱பைடு நூலகம்能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
原子物理学第1章
3、散射几率
• 一个a粒子通过一个核的微分截面d的几率 d/照射面积A
• a粒子散射到q→qdq 之间立体角d的几率 一个核的散射几率 d/A × 照射面积上核的总数 •A上核的总数 n′= 单位体积原子数n×A×厚度t • a粒子散射到d的几率：
dp(q ) d内a粒子数 dN d n ntd a粒子总数 N A
c (q )是a粒子散射到q方向单位立体角内每个原子的有效截面，
2
单位是靶恩b, 1b 1028 m 2 / sr
3、散射几率
dN 4 q 1 2 Z1Z 2e 2 2 所以， sin ( ) Nnt( ) d 2 4 0 4Ek
结论：对于给定的a源 (N,Ek确定)、给定的散射靶 (n,t 确定)，
同一a粒子源和同一种散射材料不同厚度在同一散射角同一散射物同一散射角不同a粒子源同一个a粒子源在同一个散射角对同一nt1同一a粒子源同一散射物不同散射角表1212aa粒子在不同角度上的散射粒子在不同角度上的散射sinq2dnsin150331115288135430138312120519179290105695253275752117252916047716029845435466308315300937353308002233502252730069039615132000445384表表1aa粒子散射与其初速的关系粒子散射与其初速的关系4的相对值闪烁数dndnv102472512129024150334221914423284812843210123922255281414原子序数294778原子正电核数测定29346774角动量守恒定律由上两式及库仑散射公式可得能量守恒定律mvmva粒子所达到的与核最近的距离就是原子核半径的上限例
《原子物理学》(杨福家) 讲义
《原子物理学》讲义教 材：杨福家《原子物理学》高等教育出版社.2000.7第三版参考教材：褚圣麟《原子物理学》人民教育出版社.1979.6第一版作者简介：1936年6月出生于上海，著名科学家，中科院院士。
1958年复旦大学物理系毕业后留校任教，1960年担任复旦大学原子核物理系副主任。
此后历任中国科学院上海原子核研究所所长、复旦大学研究生院院长、复旦大学校长、上海市科协主席等职。
又受原本只有王室成员和有爵位的人才能担任校长的英国诺丁汉大学的聘请，于2001年出任该校第六任校长。
2004年兼任宁波诺丁汉大学校长。
1984年获国家级“有突出贡献的中青年专家”称号。
1991年当选为中国科学院院士，领导、组织并建成了基于加速器的原子、原子核物理实验室，完成了一批引起国际重视的研究成果。
撰有《原子物理学》、《应用核物理》等专著。
课程简介：《原子物理学》是20世纪初开始形成的一门学科，主要研究物质结构的“原子”层次。
随着近代物理学的发展，原子物理学的知识体系也在不断更新和充实。
原子物理学的发展导致量子理论的发展，而量子力学又使原子物理学得以完善。
《原子物理学》这门课程是在经典物理课程（力学、热学、电磁学、光学）之后的一门重要必修课程。
它以力、热、光、电磁等课程的知识为基础，从物理实验规律出发，引进量子化概念，探讨原子、原子核及基本粒子的结构和运动规律，从微观机制解释物质的宏观性质，同时介绍原子物理学知识在现代科学技术上的重大应用。
本课程强调物理实验的分析、微观物理概念和物理图像的建立和理解。
通过本课程教学，使学生初步了解物质的微观结构和运动规律，了解物质世界中三个递进的结构层次，为学习量子力学和后续专业课程打下基础。
本课程注重智能方面的培养，力求讲清基本概念，而大多数问题需经学生通过阅读思考去掌握。
部分内容由学生自行学习。
本课程原则上采用SI 单位制，同时在计算中广泛采用复合常数以简化数值运算。
[通常用0A (cm A 80101-=)描写原子线度，用fm (m fm 15101-=)描写核的线度，用eV 、MeV 描述原子和核的能量等。
《原子物理学》(褚圣麟)第一章 原子的基本状况
4. 量子力学和现代原子物理学 （薛定谔、狄拉克）
第1章 原子的基本状况
原子物理学的地位、作用和研究前景
1.原子物理学在材料科学中的应用 2.原子物理学在宇观研究领域中应用：星际分子、宇宙 起源等 3.原子物理学在激光技术及光电子研究领域的应用 4.原子物理学在生命科学领域中的应用 5.原子物理学化学研究领域的应用 ……… 学习原子物理学应注意的问题 1.实践是检验真理的标准 2.科学是逐步地不断地发展的 3.对微观体系不能要求都按宏观规律来描述 4.要善于观察、善于学习、善于动脑、开拓进取，不断 创新
第1章 原子的基本状况
1.2 原子的核式结构
卢瑟福1871年8月30日生于新西兰的纳尔 逊，毕业于新西兰大学和剑桥大学。 1898年到加拿大任马克歧尔大学物理学教 授，达9年之久，这期间他在放射性方面的 研究，贡献极多。1907年，任曼彻斯特大学 物理学教授。1908年因对放射化学的研究荣 获诺贝尔化学奖。1919年任剑桥大学教授， 并任卡文迪许实验室主任。1931年英王授予 他勋爵的桂冠。1937年10月19日逝世。
第1章 原子的基本状况
θ
假设α粒子以速度v入射，并且在原子附近度过的整个时间内 都受到力Fmax的作用，那么会产生多大角度的散射呢？ 由动量定理得 Fmax
t P
，
其中 t 2vR ，表示α粒子在原子附件度过的时间 1 Ze 代入Fmax的值，得： P 4 2R ( 2vR )
1 4
0
当r>R时，原子受的库仑斥力为： 当r<R时，原子受的库仑斥力为：
F
2 Ze r
2
2
2
F
1 4 0
1
2 Ze R
3
原子物理01
2020/8/9
张延惠 原子物理
21
★ 核心思想：能量量子化 (不连续) !
能量不连续的概念与经典物理学是完 全不相容的！ Max Planck荣获1918年 Nobel Prize
普朗克 (1858—1947) 德国人
2020/8/9
(60岁获诺张贝延惠尔奖原子) 物理
22
§1.2光电效应与爱因斯坦光量子理论
2020/8/9
张延惠 原子物理
16
1.1.3 普朗克公式以及能量子假设
1900年普朗克(M·Planck)在德国物理学会年会上提出 一个黑体辐射能量分布公式
(1.1.9
普朗克提出了能量量子化的假设：(1)黑体的腔壁是由
无数个带电的谐振子组成的，这些谐振子不断地吸收
和辐射电磁波，与腔内的辐射场交换能量；(2)这些谐
利用等比级数求 和公式:
2020/8/9
张延惠 原子物理
带入上式 可得:
18
利用公式:
得到(1.1.9)普朗克公式. 用波长表示即:
( ,T )
8h
c3
3
eh
1
/ kT
1
(1.1.10)
2020/8/9
张延惠 原子物理
19
1.1.3 各黑体辐射公式与实验的比较
2020/8/9
张延惠 原子物理
20
λmax，随着温度T的增加，λmax的值减小，与绝对
温度T
λmaxT=b (1.1.2)
❖ 其 中 b 是 一 个 常 数 b=2897.756μm·k 。 1893 年 维 恩 (W·Wien)曾在理论上推导出这一结果，因此式(1.1.2) 称为维恩定律。
❖ (3)黑体辐射的总辐射本领与它的绝对温度的四次方成 正比
原子物理(上课讲义1)
核式结构学说
• 从α粒子散射实验的数据可以计算出各 种元素原子核的电荷，并估计出原子 核的大小约为10-15——10-14m。
卢瑟福模型的意义与困难
意义：
•建立了一个与 实验相符的原子结构模型; •粒子散射实验为人类开辟了一条研究微观粒子结构的 新途径，以散射为手段来探测，获得微观粒子内部信息 的方法，为近代物理实验奠定了基础，对近代物理有着 巨大的影响; •粒子散射实验还为材料分析提供了一种手段。
玻尔的原子理论
• 定态假设：原子只能处于一系列不连续的 能量状态中，在这些状态中原子是稳定的， 电子虽然做加速运动，但并不向外辐射能 量，这些状态叫做定态。 • 跃迁假设：原子从一种定态跃迁到另一定 态时，它辐射（或吸收）一定频率的光子， 光子的能量是由这两种定态的能量差决定， 即 hγ=│E初-E终│
‚而当我做出计算时看到，除非采取一个原子的大部分质量集 中在一个微小的核内的系统，否则是无法得到这种数量级的任 何结果的，这就是我后来提出的原子具有体积很小而质量很大 的核心的想法。‛ ……卢瑟福
3、汤姆逊原子模型解释大角散射的困难
汤姆逊提出原子的布丁(pudding)模型,认为正电荷均匀分布 在半径为R 的原子球体内,电子像布丁镶嵌在其中,如下左图
困难:
1、原子稳定性问题 2、原子线状光谱问题
氢原子的光谱实验规律
一．氢原子光谱的线系 1.巴尔末系
(Å )
H 6562.8 H 4861.3
n2 B 2 n 4
n 3, 4, 5,
H 4340.5
H 4101.7 H 3970.1
B 3645.6 Å
Balmer经验公式
1890年 里德伯用波数改写:
第一课原子物理课件cap1
2．绝对质量（ The absolute atomic masses ）
按阿氏定律，1mol 原子的任何物质中，都含有N0个原子。 若原子量为A，N0个原子的质量为A克，则每个原子的绝对 质量为：
MA
A N0
例如：
MH
AH ＝1.67367 10－27 kg N0
3. 测定N0的方法
（1）电解法 1833年，法拉第提出电解定律，推得：1mol任何原子的单 价离子永远带有相同的电量。该电量即为法拉第常数
1897年德国W.考夫曼（Kaufman，1871-1947）
做了类似的实验，他测到的远比汤姆逊的要精确，与现代
值只差1%，他还观察到了e/m值随电子速度的改变而改
变（
，爱因斯坦1905年在相对论中预言
），但是，他当时没有勇气发表这些结果：他不承认阴极
射线是粒子的假设。直到1901年，他才把结果公布于世
F＝96486.70库仑 / 摩尔
假设原子的原子价为n，则
N0＝一摩尔的原子数
＝ 分解一摩尔原子的物质所需电量 一个离子所带的电量
＝ nF F ne e
精密测定e，则可求出N0：
N0 6.0221691023(摩尔）－1
例：对氢原子，其质量：
MH
AH N0
1.673671027 kg
分子的平均自由程：＝ 1 4 2Nr 2
其中，N为单位体积中的分子数，r 为分子的半径。
若 和N由实验测定，r 可由上式算出。
3. 由范德瓦尔斯方程
1mol实际气体，满足方程：
（P
a V2
）
理论上，b等于分子所占体积的4倍，实验测出b, 即可得到
原子物理PPT教学课件
原子核所带的正电荷数等于核外电子数， 所以整个原子是中性的，电子绕核运动的 向心力就是核对它的库仑力.
3.原子和原子核的大小：原子的大小数 量级大约是10-10m，原子核的大小数量级在 10-15～10-14m之间.
二、玻尔的量子化模型
1.卢瑟福核式结构与经典电磁理论的矛盾：
（1）经典电磁理论对原子核式结构的解释中 认为，原子是不稳定的，电子绕核旋转，并 不断向外辐射电磁波，因此电子的能量不断 衰减，最终电子陨落到原子核上；事实上原 子是稳定的.
Na=(232-208)/4=6;
再结合电荷数的变化确定β衰变的次数：
N= (90 2 6) 82 4 4
【解题回顾】解决核反应方程类问题时，一定要抓住核反应中 质量数和电荷数守恒这个规律，本例还要注意β衰变的特点— —质量数不变.
【例2】将天然放射性物质放入顶端开有 小孔的铅盒S里，放射线便从小孔中射出， 沿带电平行金属板A、B之间的中线垂直于 电场方向进入电场，轨道如图1７-2-1所 示，则轨迹 是射线，轨迹 是射 线，轨迹 是射线. 板带正电， 板带负电.
图1７-2-1
【解析】由于射线不带电，进入电场后不会改变方向，所以轨迹② 为射线.
带电粒子垂直进入匀强电场，则在匀强电场中做类平抛运动，
竖直方向的位移为s=v0t,设两板间的距离为d，则1/2D=1/2at2， a=8E/m=qU/dm,则
s= dv0
m qU
，
由此式可知s与粒子进入电场的初速度v0成 正比，与粒子的荷质比q/m的平方根成反比.射线 速度约为射线的1/10，而粒子的荷质比比粒 子的荷质比要小的多，所以粒子的竖直方向位 移要大，所以③是射线的轨迹，①是射线的 轨迹.
练习
1.下面哪些事实证明了原子核具有复杂结构( ) A.粒子的散射实验 B.天然放射现象 C.阴极射线的发现 D.伦琴射线的发现
3.原子和原子核的大小：原子的大小数 量级大约是10-10m，原子核的大小数量级在 10-15～10-14m之间.
二、玻尔的量子化模型
1.卢瑟福核式结构与经典电磁理论的矛盾：
（1）经典电磁理论对原子核式结构的解释中 认为，原子是不稳定的，电子绕核旋转，并 不断向外辐射电磁波，因此电子的能量不断 衰减，最终电子陨落到原子核上；事实上原 子是稳定的.
Na=(232-208)/4=6;
再结合电荷数的变化确定β衰变的次数：
N= (90 2 6) 82 4 4
【解题回顾】解决核反应方程类问题时，一定要抓住核反应中 质量数和电荷数守恒这个规律，本例还要注意β衰变的特点— —质量数不变.
【例2】将天然放射性物质放入顶端开有 小孔的铅盒S里，放射线便从小孔中射出， 沿带电平行金属板A、B之间的中线垂直于 电场方向进入电场，轨道如图1７-2-1所 示，则轨迹 是射线，轨迹 是射 线，轨迹 是射线. 板带正电， 板带负电.
图1７-2-1
【解析】由于射线不带电，进入电场后不会改变方向，所以轨迹② 为射线.
带电粒子垂直进入匀强电场，则在匀强电场中做类平抛运动，
竖直方向的位移为s=v0t,设两板间的距离为d，则1/2D=1/2at2， a=8E/m=qU/dm,则
s= dv0
m qU
，
由此式可知s与粒子进入电场的初速度v0成 正比，与粒子的荷质比q/m的平方根成反比.射线 速度约为射线的1/10，而粒子的荷质比比粒 子的荷质比要小的多，所以粒子的竖直方向位 移要大，所以③是射线的轨迹，①是射线的 轨迹.
练习
1.下面哪些事实证明了原子核具有复杂结构( ) A.粒子的散射实验 B.天然放射现象 C.阴极射线的发现 D.伦琴射线的发现
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
高高等等学学校校试试用用教教材材 2. 原子质量的绝对值 阿伏伽得罗定律：１mol 原子的物质中，不论哪种元素，含 有同一数量的原子个数 N A 个，又若原子的原子量为Ａ，则 １mol原子的绝对质量为Ａ克，一个原子的绝对质量可以表 示为 M A ： M A(g)A (g)/N A
高高等等学学校校试试用用教教材材
原子物理学1绪论和第一章
高高等等学学校校试试用用教教材材
(c)：光谱的发现与大量的观察为原子物理学的建立提供强 有力的依据。 （光谱是牛顿在1666年发现的） b.原子物理学的阔步发展是在十九世纪末二十世纪初 十九世纪八十年代，物理学建立了完整的三大理论体系， 是力学，热力学，电动力学．当时认为物理学的发展已到 了尽头，已经非常完备，以后的进展只是次要问题的补充 ，但是随着社会生产的发展，如：冶金，内燃机，蒸汽机 等的采用，促进了科学的迅速发展，一方面提出了新的科 学问题，另一方面也为科学工作提供了更好的条件．因此 ，物理学在这个时期以后得到了迅速发展． ①．光谱资料的大量积累． ②．许多重大发现产生． 1885年 巴耳末发现光谱线规律。 1887年 赫兹发现光电效应
二、 粒子散射实验
α粒子：放射性元素发射出的高速带电粒子，其速度约为光速 的十分之一，带+2e的电荷，质量约为4MH。 散 射 ：一个运动粒子受到另一个粒子的作用而改变原来的运动 方向的现象。粒子受到散射 时，它的出射方向与原入射 方向之间的夹角叫做散射角。
( a) 侧视图 (b) 俯视图。 R:放射源；F:散射箔； S:闪烁屏；B:金属匣
高高等等学学校校试试用用教教材材
2．汤姆逊模型的困难
假设有一个符合汤姆逊的带电球体，即
均匀带电。那么当α粒子射向它时，其
所受作用力 F(r)=
41ε 2RZe(Rr) (r R)
41ε
2Ze r
(r R)
对于汤姆逊模型而言，只有掠入射(r=R)时,入射α粒子受力最大
，
设为Fmax，我们来看看此条件下α粒子的最大偏转角是多少？
1．实验结果
1909年，在卢瑟福的指导下，盖革和马斯登第一次观 测到α粒子束透过金属薄膜后在各方向上散射分布的 情况。
实 验 结 果 ： 大 多 数 散 射 角 很 小 ， 约 1/8000 散 射 大 于 90°；极个 别的散射角等于180°。
这是我一生中从未有过的最难以置信的事件，它的难以置信好 比你对一张白纸射出一发15英寸的炮弹，结果却被顶了回来打 在自己身上－卢瑟福的话
２．汤姆逊模型：认为原子的
带正电部分是一个原子那么大
的,具有弹性的,冻胶状的实体球, 正电荷均匀分布着,在球内或球 上有电子嵌着,认为电子可以在 平衡位置震动．
３．成功之处：汤姆逊模型能解释当时有关的原 子所发的各种频率的光谱． ４．困难之处： a．勒纳特，在做电子在金属膜上的散射实验时发 现，速度较高的电子很容易穿透原子，从实验很 难说明原子是在10-10m 的量级那样的实球体． b．也不能解释粒子的散射实验结果．
电量F，F称为法拉第常数，F964.78C6。
b. 阿伏伽德罗定律：一摩尔任何原子的数目都是 N A ， N A 称为
阿伏伽德罗常数，NA6.022 11204 3 /m。ol 每个单价离子所带的电荷为 eF/NA都是相同的，这应当是
电的最小单位 “电的原子” 电子。
高高等等学学校校试试用用教教材材
N A 可以利用法拉第电解常数F=96486.70库仑/摩尔求得:
N A =一摩尔的原子数＝分解一摩尔原子的物质所需的电量 ／
一个离子所带的电量
＝nF/ne=F/e
按照上述方法，可以求得Ｈ原子的质量为:
MH
＝1.67367 10-24g
高高等等学学校校试试用用教教材材
二、原子的大小
原子的大小：大概的量级在10-10m范围内。 如何得到这样一个数量级有如下一些方法：
高高等等学学校校试试用用教教材材
1895年 伦琴发现X射线 1896年 贝克勒尔发现放射性 1897年 汤姆逊证明电子的存在. 1911年 卢瑟福的α粒子散射实验发现了原子的核式结构模 型. ③.许多理论被提出 1900年 普朗克从研究黑体辐射出发提出了量子论 1913年 玻尔的氢原子理论被提出来。 1925年 由海森堡、薛定谔等人提出了关于描述微观体系的 新理论——量子力学被建立，为物理学的发展起了巨大作 用。
3．从范德瓦尔斯方程测定原子的大小
(PVa2)V ( b)RT
r 其中 b4V ，定出 b，算出 ，V 是分子体积。
高高等等学学校校试试用用教教材材
§1.２ 原子的核式结构
一. 汤姆逊原子结构模型（Ｊ.J .Thomson model ） 1．电子的发现 a. 法拉第电解定律：任何一摩尔单价离子，永远带有相同的
1897年，由英国著名物理学家J.J.汤姆逊（Thomson，18561940）真正从实验上确认电子的存在。 加电场E后，射线偏转， 阴极射线带负电。
再加磁场B后，射线不偏转， BeEe E/B。
去掉电场E后，射线成一圆形轨迹，Bem2/r e/mE/rB2
求出荷质比 e/ m 。
微粒的荷质比为氢离子荷质比的千倍以上阴极射线质量只有 氢原子质量的千分之一还不到 电子
1．设原子的半径为r，在晶体中按一定的规律排列，晶体
的密度为 ,原子量为A，则原子的体积为：V 34.r3NA
AV34r3NA材材
2．从气体分子运动论可以估计原子的大小
气体的平均自由程：1/ 2nr2
r 1/ 4 2n
测出，N，求出r，其中n是单位体积中的分子数。
高高等等学学校校试试用用教教材材
第一章 原子的基本状况
本章主要讲原子的一般情况，如原子的质量，大小，核式 结构．其中核式结构是本章的重点内容．希望同学们 认真体会其中的内涵．
§1.1 原子的质量和大小 原子质量 1. 相对质量－－原子量
把碳在自然界中最丰富的一种同位素的质量定为12.0个 单位作为原子质量的标准，其它原子的质量同碳１２ 相比较，定出质量值这个数值称为原子量． 例， Ｈ：1.0079 O ： 15.999 Cu ：63.54 原子量可以用化学方法测得．