《原子物理学》详细讲义.pdf

原子物理学 详细讲义 原子物理学 详细讲义 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 0 A cmA 8 0 101 描写原子线度 用fm mfm 15 101 描写核的线度 用eV MeV描述 原子和核的能量等 第一章第一章原子的位形 卢瑟福模型原子的位形 卢瑟福模型 1 11 1 背景知识背景知识 原子 概念 源于希腊文 其意为 不可分割的 提出已 2000 多年 至 19 世纪 人们对原子已有了相当的了解 由气体动理论知 1mol原子物质含有的原子数是 123 10022 6 molNA 因此可由原子 的相对质量求出原子的质量 如最轻的氢原子质量约为kg 27 10671 原子的大小也可估计 出来 其半径是nm 10 m 10 10 量级 这些是其外部特征 深层的问题 原子为何会有这些 性质 原子的内部结构是怎样的 1 1 电子的发现电子的发现 1879 年 克鲁克斯 英 以实验说明阴极射线是带电粒子 为电子的发现奠定基础 1883 年 法拉第 英 提出电解定律 依次推得 1mol任何原子的单价离子均带有相同的 电量 由此可联想到电荷存在最小的单位 1881 年 斯通尼斯通尼 英英 提出用 电子 这一名子来命名这些电荷的最小单位 德国黎凯 赫尔姆霍茨 英国斯通尼 1897 年 汤姆逊汤姆逊 1856 1940 sonJ J T hom 英 15 岁进入欧文学院读书 20 岁进入 剑桥三一学院学习 在其 94 岁高龄的一生中一直在剑桥教科书和研究 自 27 岁起任卡文迪许 实验室主任共 34 年 因发现电子而获 1906 年诺贝尔物理学奖 通过实验确认电子的存在 通过实验确认电子的存在 高真空放电管中的阴极射线经狭缝约束后成一窄束 窄束射线通过电场和磁场后到达荧屏 从 其偏转判断所受电场力和磁场力 从而算得电子的荷质比 m e 事实上 在汤姆逊之前 赫兹赫兹 德德 做的类似实验未发现射线偏转 因高真空不易实现 误认为阴极射线不带电 休斯脱休斯脱做过氢放电管中阴极射线偏转的研究 得出阴极射线粒子的 荷质比为氢离子的千倍以上 但自己认为此结果是荒谬的 他认为射线粒子应比氢原子大 在 1897 年考夫曼 德 考夫曼 德 也做过与汤姆逊类似的实验且结果更精确 但他不承认阴极射线是粒子 的假设 直到 1901 年才将实验结果公布 2 2 电子的电荷和质量电子的电荷和质量 精确测定电子电荷的是密立根油滴实验 密立根油滴实验 19101910 年 美 年 美 得出电子电荷的值 Ce 19 106 1 再由 m e 之值求得电子质量 kgme 31 1011 9 密立根并据此发现电荷呈 量子化分布 电荷为何呈量子化分布的机制至今仍未解决 原子物理学中两个重要的无量纲常数之一 15271 1836 e p m m 另一个为精细结构常 数 此常数决定了原子物理学的主要特征 物理学至今无法从第一性原理导出此常数 由此还 可得出 ukgmp007276470 11067 1 27 在估算中可当作一个 u 作为评价事物的依据 第一性原理和经验参数是两个极端 第一性原理是某些硬性规定 或推演得出的结论 而经验参数则是通过大量实例得出的规律性的数据 这些数据可以来自第 一性原理 称为理论统计数据 也可以来自实验 称为实验统计数据 但是就某个特定的问题 第一性原理和经验参数没有明显的界限 必须特别界定 如果某 些原理或数据来源于第一性原理 但推演过程中加入了一些假设 这些假设当然是很有说服力 的 那么这些原理或数据就称为 半经验的 按照相对论质能关系 2 mcE 可得出 2 2 27 938 51 0 cMeVm cMeVm p e 这是微观物理学中用能量 单位表示质量的常用方法 3 3 阿伏伽德罗常数阿伏伽德罗常数 123 10022 6 molNA mol1物质的结构粒子数目与 12 克C 12 的原子数目相当 A N是联系宏观量与微观量的重要常数 起到桥梁的作用 物质质量与原子质量单位 u 有 u g NA 1 1 kg u 27 106611 在热学中有 k R NA 在电学中法拉第常数 F 也是通过 A N与 e 相联系的 有 e F NA 法拉第常数 F 摩尔的任 何物质产生或所需的电量为 96493 库仑 或表示为mol C 4 10659 4 4 原子的大小原子的大小 估算估算 1 从晶体中原子的规则排列估计 设原子挨排 某种原子X A 的质量密度为 球形原子 半径为 r 则有3 3 4 3 3 4 A A N A r A Nr 据此式可估算出不同原子的半径 详见教材 知不同原子的半径相差不大 其数量级为 0 A cmA 8 0 101 这是经典物理学无法解释的 2 从气体动理论估计 气体平均自由程 nd 2 2 1 式中 n 为分子数密度 d 为分子直 径 若由实验得出 和 n 则可求出分子半径 r 单原子分子的即为原子半径 简单分子的半 径的数量级与其原子半径的数量级相同 3 从范德瓦尔斯方程估计 在RT bV V a p 2 中 b 值按理论应为分子体积的 4 倍 由实验得出 b 即可确定分子半径 其数量级与原子半径相同 用不同的方法估算出的原子半径有些出入 但数量级都是 10 10m 1 21 2 卢瑟福模型卢瑟福模型 1 1 卢瑟福模型的提出卢瑟福模型的提出 在汤姆逊发现电子之后 为解释原子中正负电荷 分布的问题 曾先后有多种模型 1 汤姆逊模型 也称西瓜模型或葡萄干面包模型 1898 年提出 至 1907 年进一步完善 原子中正电荷 均匀分布在整个原子球体内 电子均匀地嵌在其中 电子分布在一些同心环上 此模型虽不正确 但其 同 心环 概念及环上只能安置有限个电子的概念是可贵的 2 长冈半太郎行星模型 1904 年提出 原子内正电荷集中于中心 电子绕中心运动 但 未深入下去 3 卢瑟福核式结构模型 卢瑟福在其学生盖革 马斯顿的 粒子散射实验之后提出 一个一个有用的电荷常数表示法 MeVfm e 441 2 mfm 15 101 2 2 粒子散射实验粒子散射实验 粒子即氦核 其质量为电子质量的 7300 倍 卢瑟 福于 1909 年观察到 粒子受铂箔散射时 除小角度散射 外还有 1 8000 的 粒子属大角度散射 偏转大于 90 0 甚至有接近 180 0的 他们的实验装置如图示 大角度散射不可能解释为是偶然的小角度散射的累 积 它只可能是一次碰撞的结果 这不可能是 汤姆逊模型所能发生的 所以这样的结果表明 汤姆逊模型是不成立的 卢瑟福在此基础上 于 1911 年提出其核式 模型 3 3 粒子散射理论粒子散射理论 设有一个动能为 E 质量为 m 速度为 v 的 粒子射到一个静止的原子核Ze附近 在核的 质量远大于 粒子质量时 可认为核不会被推动 则 粒子受库仑力作用而改变了方向 如 右图示 b 为瞄准距离 也称碰撞参数 可由力学原理证明 粒子的路径是双曲线 瞄准距离 b 与偏转角 的关系称为库仑散射公式库仑散射公式为 2 cot 2 a b 式中库仑散射因子库仑散射因子 E Zke a 2 2 导出过程此略 此式在理论上重要 但在实验中无法测量 b 显然 时 ba2 设薄箔面积为 A 厚度为 t 甚薄 以致薄箔中的原子对射来的 粒子无遮蔽 瞄准距离在 dbbb 为半径的环形面积内的 粒子 即通过以 b 为外半径 b db 为内半径的环形面积 dbb 2 的 粒子 必定散射到角度在 d 间的空心圆锥体 内 从空间几何知 面元的立体角为 2 r dS d 立体角的单位叫球面度 sr 空心圆锥体 的立体角为 dd r rdr r dS d 2 cos 2 sin4sin2 sin2 22 粒子散射到立体角 d内每个原子的有效散射截面为 d 2 sin sin 8 2 sin 2 cos 4 2 sin 42 cot 2 22 4 2 3 2 2 da d adaa dbbd 粒子打在环上的几率粒子打在环上的几率 2 84 2 sin dsin A a A d 所以有 2 16 4 2 sin d A a A d 对于薄箔而言 对应于一个原子核就有一个这样的环 设薄箔上的原子核数密度为 n 则 在体积 At 内共有 nAt 个环 故一个 粒子打在薄箔上被散射到 d 即 d方向 范围 内的几率为 ntdnAt A d dp 若有 N 个 粒子打在薄箔上 则在 d方向可测到散射的 粒子数应为 2 sin 4 4 2 da NntntNdNdpNd 定义微分截面 Nntd Nd d d c 则可由此得卢瑟福散射公式卢瑟福散射公式 2 sin 1 2 4 2 2 E Zke c 卢瑟福散射公式的物理意义 粒子散射到粒子散射到 方向单位立体角内每个原子的有效散射截方向单位立体角内每个原子的有效散射截 面 面 c 具有面积的量纲 单位 sr m2 sr 球面度 为立体角的单位 通常以靶恩 b 简称靶 228 101mb 为截面单位 则相应的微分散射截面 c 的单 位为sr b 以上推导中假定原子核不动 在实际应用时必须将其转为实验室坐标系的形式 4 4 卢瑟福公式的实验验证卢瑟福公式的实验验证 1 盖革 马斯顿实验 1913 此实验证明了卢瑟福散射公式是正确的 1920 年查德威克用改进的装置首次用所测数据 代入卢瑟福公式得出原子的电荷数 Z 确定了 Z 等于该元素的原子序数 卢瑟福公式据经典理论导出而在量子理论中仍成立 这是很少见的 2 原子核的大小 估算 这是两个粒子在有相互作用时能靠近的最小距离 与瞄准距离不同 设 粒子 Z1 距核 Z2 很远时速度为v 距核近到感受到核的库仑力时速度为 v 据 能量守恒律有 r keZZ vmmv 2 2122 2 1 2 1 因 粒子在有心力场中运动 其角动量守恒 故 mvb dr d mrvmrL 2 常数 当 m rr 时 径向速度为 0 只有切向速度 近日点 特征 于是 mmr mvmvb 经整理后得 m m r keZZ mvE 2 212 2 1 mm r keZZ mr L E 2 21 2 2 2 上式中 右边第一项是 粒子的离心能 第二项是在近日点的势能 由此解得 2 csc1 2 a rm 此解是对于两体相斥的情况 称为 近日点公式 上式为两体相斥时的解 若两体相吸 则将 1 换为 1 即可 当 时 arm 为其最小值 原子核线度的上限 这是两体在斥力场中对心碰撞时能 靠近的最小距离 实际上 从经典物理学的角度也可简单地得到 当粒子eZ1以能量 2 2 1 mv 打向核 当能 量全部转化为势能时两者的间距即为最小距离 即 a E keZZ r r keZZ mvE m m 2 21 2 212 2 1 实验中 利用上式得出Po 210 的 粒子对Cu 29 作 0 180散射时的fma8 15 故铜的原 子核半径一定小于fm8 15 5 5 对对 粒子散射实验的进一步说明粒子散射实验的进一步说明 在 粒子散射实验中 理论推演中包含有两个假定 1 计算散射面积时 把单原子的散 射截面乘以原子数 这就假定在铂箔中原子核前后不互相遮蔽 2 通过铂箔的 粒子只经过 一次散射 以上是分析 散射实验时的假定 但实际如何呢 对假定 1 例如铂箔很薄 其厚度为 5 10 7m 可原子的直径约 3 10 10m 可见还有 1000 多个原子的厚度 但如果考虑到原子线度约为核线度的 10 4 则原子核的几何截面最多是原子 的 10 8 这样前后遮蔽机会不大 所以要求铂箔厚度适度 对假定 2 实际上 粒子通过铂箔 实际上经过了好多核附近 是经过多次散射的 但 因为核很小 核空间很大 因此 粒子通过铂箔时 多次接近核的机会不大 只有瞄准距离 b 小时散射角才大 实际观测到的较大的 角可设想是由于一次大角度散射和多次小角度散射合 成的 但由于多次小角度散射在各方向都有可能 所以合并产生的方向改变小得多 所以有大 角度散射时可不计小角度散射 一次散射理论适用 至于实际观测到较小的 角 是多次小角 度散射的结果 一次散射理论就不适用了 这就是为什么在 450以上的大角度散射与理论符合 较好的原因 由于卢瑟福核式结构的证实是依据大角度散射的 所以复杂的小角度散射不影响 结论 此外 原子核外电子因质量较小 约为 粒子质量的 1 7300 倍 电子对 粒子的运动 产生的影响微不足道 6 6 行星模型的意义及困难行星模型的意义及困难 意义 意义 1 行星核式模型提出以核为中心的概念 承认高密度核的存在 2 卢瑟福散射这种研究物质结构的方法 对近代物理有着重要的影响 3 卢瑟福散射为材料分析提供了一种手段 1967 年 美将一 源送上月球 对月球表面 进行卢瑟福散射来分析其成份 其结果与 1969 年取回的月球样品分析结果基本相符 困难 困难 1 无法解释原子的稳定性稳定性 由经典理论知 电子绕核的加速圆运动必发射电磁波而放出能量 则电子能量将逐渐减少 形成