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1、原子物理,大连理工大学 物理与光电工程学院 李崇,参考书,褚圣麟 原子物理学 Paul Tipler, Modern Physics C.J. Foot Atomic Physics 陈宏芳 原子物理学,安 排,a. 作业、平时表现 20% b. 期末考试 80% c. 常规答疑两周一次 地点：物理系219室 时间：周四下午 Email: ,绪论,古代原子学说,B. C. 4世纪 Democritus,组成物质的最小单元，永恒不变,原子（Atom）,人之生，气之聚也;聚则为生，散则为死。 - 庄子知北游,端，体之无序最前者也。 - 墨经,至大无外，谓之大一；其小无内，谓之小一。 - 惠子,机械
2、原子学说,17世纪 Newton,有质量的球形微粒,通过吸引力机械地结合成宏观物体,原子的运动是机械位移，遵守力学定律,困难：不能解释光、电、热等物理现象和燃烧等化学过程,原子,1811年 Avogadro,化学原子学说,1808年 Dalton,化学反应中，原子不可分解，性质不变；,不同元素的原子不同，每种原子有确定原子量。,气体由分子组成，分子由原子组成。,1869年 Mendeleev,发现元素周期律，预言新元素,同温同压的同体积气体含相同数目的分子。,原子是物质结构的一个层次，介于分子和原子核之间。,1911年,Rutherford,原子核式结构模型,1913年,Bohr,原子量子理论
3、,解释氢光谱,1923-1927,量子力学诞生,成功解释原子现象,1960s 激光器的发明 激光与原子的相互作用,激光制冷,超冷原子BEC,现代原子学说,19世纪末,三大发现X射线、放射性和电子,学习方法,学而不思则罔，思而不学则殆 论语。为政,课后查找相关资料丰富所学知识,第一章 卢瑟福模型,1.1 背景介绍,电子的发现,1676年法国 良卡德 发现水银荧光现象,1650年奥托冯格里克发明真空泵后物理学家开始在稀薄空气中做电的试验,1705年豪克斯对此进行实验研究，在部分真空中运动产生摩擦才有荧光,1833年法拉第 改进 抽真空的玻璃管置入电极 辉光放电,1857年德国玻璃工海因里希盖斯勒发
4、明了更好的泵来抽真空，由此发明了盖斯勒管,1858德国普吕克利用“盖斯勒管”研究气体放电，辉光现象随磁场变化改变形状,1869其学生西多夫10万分之一大气压下，物体置入阴极与荧光屏之间会有影子，射线起源于阴极，射线直线传播,德国物理学家哥尔德斯坦称这种射线为“阴极射线”,1871年，瓦莱发现阴极射线能为磁铁偏转，是带负电的。,1874年，Stoney提出电荷的最小单位,1881年，Stoney命名电量子为电子,1887年克鲁克斯得到了百万分之一个克鲁克斯管”，他在实验中不仅验证了阴极射线是带电的，还发现阴极射线具有热效应并具有动量。,1891年赫兹发现了阴极射线能够穿透金属薄片,勒纳德为阴极射
5、线管开了一个0.000265厘米厚铝箔的窗口，把阴极射线引到管外空间，使几厘米远处的荧光屏发出荧光。,1897年英国物理学家汤姆逊测定阴极射线的质荷比，,1897年德国物理学家布劳恩（Kari Ferdinand Braun）发明阴极射线管，被用于一台示波器中首次与世人见面,Sir Joseph John Thomson,J.J. Thomson 1897 放电管,汤姆逊被誉为:“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人.”,1906诺贝尔物理学奖,再加磁场B后，射线不偏转， 。,去掉电场E后，射线成一圆形轨迹， 求出荷质比。,电子电荷及质量及阿佛伽德罗常数,原子的大小,二、 汤姆逊原子模型布
6、丁模型,1903年Thomson提出 “葡萄干蛋糕”式原子模型或称为“西瓜”模型原子中正电荷和质量均匀分布在原子大小的弹性实心球内，电子就象西瓜里的瓜子那样嵌在这个球内。,该模型对原子发光现象的解释电子在其平衡位置作简谐振动的结果，原子所发出的光的频率就相当于这些振动的频率。,诺贝尔奖得主的幼儿园,卢瑟福一生至少培养了10位诺贝尔奖得主,尼尔斯.玻尔，1922年诺贝尔物理奖 保罗.狄拉克，1933年诺贝尔物理奖 詹姆斯.查德威克, 1935年诺贝尔物理奖 布莱克特,1948年的诺贝尔物理奖 沃尔顿和考克劳夫特,1951诺贝尔物理奖 索迪，1921年诺贝尔化学奖。 赫维西，1943年诺贝尔化学奖
7、。 哈恩，1944年诺贝尔化学奖。 鲍威尔，1950年诺贝尔物理奖。 贝特，1967年诺贝尔物理奖。 卡皮查，1978年诺贝尔化学奖。,Ernest Rutherford 1908年诺贝尔化学奖,Thomson “葡萄干蛋糕”式原子模型,T模型,“就像一枚15英寸的炮弹打在一张纸上又被反射回来一样，”,E. Rutherford (1871-1937),T模型中易穿过原子，只能发生小角度散射。,重元素原子正电部分近似固定不动,粒子进入原子内部时，电子的影响可忽略,R模型,距核愈近力愈大，可能被大角度散射。,有用的组合常数,T模型与R模型的粒子散射结果,库仑散射公式,称为库仑散射因子， 称为瞄准
8、距离（又称碰撞参数）,1.3 卢瑟福散射公式,证明：,假设靶核不动，取靶核处为坐标原点,带电粒子的坐标,带电粒子库伦势能,a的含义：带电粒子与原子核的距离为a时， 其库仑势能等于粒子的初始动能,带电子粒子在中心保守力场中运动，满足能量守恒和角动量守恒,边界条件,成立的假设条件是：,（i）只发生单次散射；,（ii）只有库仑相互用;,（iii）核外电子的作用可以忽略；,iv）靶核静止不动。,具有确定能量的粒子束均匀入射，研究散射粒子的角分布,卢瑟福散射公式,入射粒子流密度,入射粒子数按 的分布,散射粒子数按 的分布,微分散射截面,Rutherford公式,定义微分截面,物理意义：,入射粒子散射到
9、角方向单位立体角内每个原子 的有效散射截面,L系（实验室坐标系）,靶：很薄的金属箔,核不相互遮掩，都起散射作用。入射粒子最多被散射一次。,厚度,原子数密度,靶核数,总的微分散射截面,卢瑟福公式忽略电子屏蔽作用，对小角度散射不适用。,盖革马斯顿实验（1913年）,实验验证：,靶不变，粒子能量不变,改变靶厚,改变粒子能量,改变靶材,1920年,Chadwick改进仪器，测靶材原子序数,实验确认“核式模型”的正确性,年盖革马斯顿实验，查德维克,原子核大小的估计,由上两式及库仑散射公式可得,R=310-14 m （金） R=1.2 10-14 m （铜）,10-14 m 10-15 m,（一）意义：,
10、提出了原子的核式结构，即提出了以核为中心的概念,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。,粒子散射实验还为材料分析提供了一种手段。,卢瑟福模型的缺陷,卢瑟福模型的3个困难,稳定性,同一性,再生性,动能为 5.0 MeV的粒子被金核以 90o角散射时，它的瞄准距离（碰撞参数）为多大?,利用库仑散射公式,解：,例题,例2.动能为1.OMeV的窄质子束垂直地射到质量厚度为 l.5 mgcm2 的金箔上。若金箔中含有百分之三十的银，试求散射角大于30度 的相对质子数为多少？银的原子序数为47，原子量为108。,解：,入射粒子流密度,每个靶粒子提供的散射截面,整个金箔产生的散射角大于30度的散射粒子数,金箔中靶核数,一束粒子垂直射至一重金属箔上，试求粒子被金属箔散射后，散射角大于60的粒子数与散射角大于90 的粒子数之比。,解：,