第一章xp原子的基本状况

1、 课程说明课程说明 原子物理学是物理学专业的一门重要基础课原子物理学是物理学专业的一门重要基础课程。它上承经典物理，下接量子力学，属于近代程。它上承经典物理，下接量子力学，属于近代物理的范畴。在内容体系的描述上，原子物理学物理的范畴。在内容体系的描述上，原子物理学采用了普通物理的描述风格，讲述量子物理的基采用了普通物理的描述风格，讲述量子物理的基本概念和物理图象，以及支配物质运动和变化的本概念和物理图象，以及支配物质运动和变化的基本相互作用，并在此基础上，利用量子力学的基本相互作用，并在此基础上，利用量子力学的思想和结论，讨论物质结构在原子、原子核以及思想和结论，讨论物质结构在原子、原子核以及

2、基本粒子等结构层次的性质、特点和运动规律。基本粒子等结构层次的性质、特点和运动规律。 该课程分为三个层次：第一是成熟、已有定论的该课程分为三个层次：第一是成熟、已有定论的基本内容，要求学生掌握并能运用；第二是目前已取基本内容，要求学生掌握并能运用；第二是目前已取得最新研究成果，要求学生掌握其物理概念和物理图得最新研究成果，要求学生掌握其物理概念和物理图象；第三对于前沿研究课题内容，要求学生了解其研象；第三对于前沿研究课题内容，要求学生了解其研究方向。在内容上，它由原子物理和原子核两部分组究方向。在内容上，它由原子物理和原子核两部分组成。主要讲授：成。主要讲授：原子的基本状况原子的基本状况、原子

3、的能级和辐射原子的能级和辐射、量子力学初步量子力学初步、碱金属原子碱金属原子、多电子原子多电子原子、磁场中的磁场中的原子原子、原子的壳层结构原子的壳层结构、X X射线射线、原子核原子核等等8 8章内容。章内容。教学时数为教学时数为4040学时。学时。APPLIED PHYSICS5十九世十九世纪早期纪早期道耳顿（Dalton）原子论布朗（Brown）运动分子法拉第(Faraday)电解律电的基本单元汤姆生（J.J.Thomson）电子物质构成存在基本单元十九世纪十九世纪末期和二末期和二十世纪初十世纪初黑体辐射普朗克的能量子光电效应爱因斯坦的光子氢光谱巴耳末公式粒子散射卢瑟福核式模型德布罗意的物

4、质波物质的波粒二象性玻尔的氢玻尔的氢原子理论原子理论光的波粒二象性光的波粒二象性原子原子物理物理学与学与量子量子力学力学一、原子物理学与量子力学的发展一、原子物理学与量子力学的发展连续“一尺之棰，日取其半，永世不竭”公孙龙子分立物质由基本单元(原子)组成德谟克里特两种思想两种思想的对立的对立十七世纪，牛顿（十七世纪，牛顿（NewtonNewton）发现光谱，光谱与物质性质密切相关。）发现光谱，光谱与物质性质密切相关。薛定谔薛定谔, ,海森堡海森堡狄狄拉拉克克玻玻恩恩APPLIED PHYSICS6 原子物理学主要研究物质构成的基本单元原子物理学主要研究物质构成的基本单元原原子的结构和性质子的结

5、构和性质； 量子力学主要研究微观体系的运动规律。量子力学主要研究微观体系的运动规律。二、学习上应注意的问题二、学习上应注意的问题1 1、注意理论的来源及其和实际的联系、注意理论的来源及其和实际的联系重点实验（目的、做法、现象、反映了什么问题重点实验（目的、做法、现象、反映了什么问题理论）。理论）。2 2、量子观念的建立、量子观念的建立经典理论（牛顿力学）经典理论（牛顿力学）宏观体系宏观体系确定性确定性量子理论量子理论微观体系微观体系不确定性不确定性（1 1）远在两千多年前，古希腊哲学家德膜克利特）远在两千多年前，古希腊哲学家德膜克利特提出提出“原子原子”这个概念，意思是这个概念，意思是“不可分

6、割的不可分割的”，并把它作，并把它作为物质的最小单元为物质的最小单元; ;（2 2）1919世纪初期，道尔顿世纪初期，道尔顿(J.Dalton)(J.Dalton)提出原子学说：提出原子学说：（3 3）现在原子的概念，基本沿用道耳顿的学说，）现在原子的概念，基本沿用道耳顿的学说， 它是化学反应中不可分割的微粒。它是化学反应中不可分割的微粒。道尔顿道尔顿(J.Dalton)(J.Dalton)提出的提出的原子学说：原子学说：APPLIED PHYSICS9 本章主要研究原子的基本特点，包括原子的质本章主要研究原子的基本特点，包括原子的质量、大小、成分和结构等。量、大小、成分和结构等。 原子是在近

7、代科学的发展基础之上发现的。现在人们原子是在近代科学的发展基础之上发现的。现在人们已发现，各种物质都是由一定数目的元素构成的已发现，各种物质都是由一定数目的元素构成的(109种种)，原子是元素的最小单位。原子是元素的最小单位。 原子不是古代人所想象那样简单而不可分割的，具有原子不是古代人所想象那样简单而不可分割的，具有复杂的内部结构和运动方式。复杂的内部结构和运动方式。 不同类型的原子具有不同的结构和特点。但构成它们不同类型的原子具有不同的结构和特点。但构成它们的成分相同，只是几种基本粒子。这些粒子如何形成多种的成分相同，只是几种基本粒子。这些粒子如何形成多种多样、特性不同的原子，将在本课程中

8、逐步介绍。多样、特性不同的原子，将在本课程中逐步介绍。APPLIED PHYSICS10（1 1） 不同的原子有不同的质量不同的原子有不同的质量: :一百多种元素的原子质量各不相同。一百多种元素的原子质量各不相同。（2 2） 原子质量单位：碳单位原子质量单位：碳单位 化学上将自然界最丰富的化学上将自然界最丰富的1212C C的原子质量定为的原子质量定为1212个单位，即个单位，即1212C C原原子的子的原子量原子量为为1212。则。则1212C C原子质量的原子质量的1/121/12为为原子质量单位原子质量单位u u 。一、原子的质量一、原子的质量kgkgMuc27261066055. 11

9、210992. 1121 H：1.078252u He: 4.0026036u（3 3）原子质量的相对值：）原子质量的相对值：12cAMM 原子量原子量APPLIED PHYSICS11kg101.66055)g( 1121)g(12u27- AANN 任何任何1摩尔原子的物质，所含有的原子数目摩尔原子的物质，所含有的原子数目都相同，为都相同，为。 而而1摩尔原子的质量为摩尔原子的质量为A克（克（A为其为其），所以，原子量为），所以，原子量为A的的元素元素为为12C原子的原子量为原子的原子量为12，可算出原子质量单位可算出原子质量单位ANAM)g( u A( (4) 4) 原子质量的绝对值原子

10、质量的绝对值 A A：以克为单位时以克为单位时, ,一摩尔原子的质量一摩尔原子的质量 。N N0 0: : 阿伏加德罗常数。阿伏加德罗常数。(6.022(6.022 10102323/mol)/mol)APPLIED PHYSICS12例如例如 Li原子原子 A=7， =0.7， rLi=0.16nm； Pb原子原子 A=207， =11.34，rPb=0.19nm；（；（1nm=10-9m）343ANAr 二、原子的大小二、原子的大小 是原子质量密度是原子质量密度) g/cm(3 ,)g(343 ANrA 为为 原子的大小可以有多种估计方法，一般可由定义元素构成的晶原子的大小可以有多种估计方

11、法，一般可由定义元素构成的晶体出发，估计原子所占据的体积体出发，估计原子所占据的体积3121 ANAr 也可考虑原子也可考虑原子占据的体积为占据的体积为将原子看作是将原子看作是, ,其体积为其体积为 , ,一摩尔原子所占体积为一摩尔原子所占体积为334r APPLIED PHYSICS13B_+E? me三、三、 原子的组成原子的组成 由原子的放射性实验，知道原子可以发出由原子的放射性实验，知道原子可以发出 、 、 射线，射线， 射线射线带带， 射线带射线带， 射线后来证明为射线后来证明为。J.J.Thomson证明证明 射射线为粒子束，并称其线为粒子束，并称其为为。Thomson测测得 了

12、电 子 的 荷 质 比得 了 电 子 的 荷 质 比e/m，发现电子的，发现电子的为为粒子的粒子的，但其但其值却是值却是粒子粒子的的倍左右。倍左右。 原子的内部含有一定数目的原子的内部含有一定数目的，但只占有，但只占有；包含；包含与电子电荷等量的与电子电荷等量的，且正电荷占，且正电荷占；电荷有运动。；电荷有运动。先加先加偏转证明偏转证明，再加，再加使电子回到原位置，使电子回到原位置，测出测出,再再，测出电子，测出电子圆周运动圆周运动，就可，就可算出荷质比算出荷质比。*电子的发现电子的发现 导致了导致了原子物理这门学科的原子物理这门学科的诞生。诞生。 汤姆逊正在进行实验汤姆逊正在进行实验汤姆逊被

13、誉为汤姆逊被誉为: “一位最先打开通向基本一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人。粒子物理学大门的伟人。”1 1电子的电荷和质量电子的电荷和质量电子的经典半径的上限：电子的经典半径的上限： r re e=(2.8179380 =(2.8179380 0.0000070)0.0000070) 1010-15-15m m（这是根据电子质量起源于电磁场的假设求得的电子半径）（这是根据电子质量起源于电磁场的假设求得的电子半径）电子的大小电子的大小* *电子是一切原子的组成部分之一。电子是一切原子的组成部分之一。电荷：电荷：e =e =（1.60218921.60218920.0000040)0.00

14、00040) 1010-19-19c c质量：质量：m me e= (9.109534 = (9.109534 0.00049)0.00049) 1010-31-31kgkg ( ( 电子的质量随速度变化，电子的质量随速度变化， 但电量不随速度变化。但电量不随速度变化。) )1.21.2APPLIED PHYSICS16 ThomsonThomson提出原提出原子的子的, ,认为正电荷均匀分布在半径为认为正电荷均匀分布在半径为R R 的的原子球体内原子球体内, ,电子像布丁均匀对称的电子像布丁均匀对称的镶嵌在其中镶嵌在其中, ,如图如图电子在平衡位置附近作电子在平衡位置附近作，原子光谱就是这些

15、振动所发出的。原子光谱就是这些振动所发出的。Thomson模型似乎把当时的理论和模型似乎把当时的理论和实验都考虑到了，但后来一些实验实验都考虑到了，但后来一些实验这一模型无法解释。这一模型无法解释。1903年勒纳德（年勒纳德（Lenard）做）做了电子在金属膜上的散射实了电子在金属膜上的散射实验，发现高速电子很容易穿验，发现高速电子很容易穿透原子，透原子，；卢卢瑟福瑟福粒子的散射实验最终否粒子的散射实验最终否定了定了Thomson模型，建立了模型，建立了。 1909 1909年汤姆逊的年汤姆逊的学生学生卢瑟福卢瑟福通过通过粒粒子散射实验子散射实验实验否定实验否定了汤姆逊模型了汤姆逊模型, ,建

16、立建立了卢瑟福原子模型。了卢瑟福原子模型。 盖革（左）和卢瑟福在实验室盖革（左）和卢瑟福在实验室18 对原子结构的研究，对原子结构的研究，一方面一方面是通过观察是通过观察原子自身的行原子自身的行为为，如分析原子发出的射线（，如分析原子发出的射线（、）了解原子包含的成）了解原子包含的成分，分，（19世纪初由玻尔首先提世纪初由玻尔首先提出）；出）；另一方面是通过某种方法将原子分割开另一方面是通过某种方法将原子分割开，观察原子，观察原子的组分，并由这一过程中原子的表现分析原子的结构。的组分，并由这一过程中原子的表现分析原子的结构。 第二种方法中，常用高速粒子轰击原子，观察原子的第二种方法中，常用高速

17、粒子轰击原子，观察原子的反映。反映。粒子散射实验粒子散射实验，是第二种方法研究原子结构的代表。，是第二种方法研究原子结构的代表。利用放射性元素发出的高速利用放射性元素发出的高速粒子轰击原子，观察散射后粒子轰击原子，观察散射后粒子的空间分布，由此分析原子对粒子的空间分布，由此分析原子对粒子的作用情况，进一粒子的作用情况，进一步可得出原子的结构特点。步可得出原子的结构特点。APPLIED PHYSICS19RFSM一、一、 粒子散射实验粒子散射实验1、实验装置、实验装置粒子为放射性元素发出的高速粒子，具有粒子为放射性元素发出的高速粒子，具有He原子质量（后证明为原子质量（后证明为He原子核），带原

18、子核），带2单位正电荷（电子所带电荷为单位正电荷（电子所带电荷为1单位电荷）。单位电荷）。如右图。如右图。R为为粒子源，粒子源，F为铂为铂(Pt78号元素号元素)的薄膜。镜头的薄膜。镜头M带有带有一荧光屏一荧光屏S，可转到不同方向接收，可转到不同方向接收粒子进行观察。粒子进行观察。粒子打到粒子打到S上会上会产生闪光，闪光强弱反映该方向产生闪光，闪光强弱反映该方向确定时间内的确定时间内的粒子数。粒子数。实验时，整套装置密封于真空中，转动实验时，整套装置密封于真空中，转动M，记录下不同方向的，记录下不同方向的粒子粒子数，可根据此分布研究铂原子的结构特点。将数，可根据此分布研究铂原子的结构特点。将F

19、换为其它原子薄膜，换为其它原子薄膜，就可研究其它的原子结构。就可研究其它的原子结构。APPLIED PHYSICS202、实验现象、实验现象1909年，卢瑟福（年，卢瑟福（E.Rutherford）的学生盖革（）的学生盖革（H.Geiger）和马斯顿）和马斯顿（E.Marsden）进行铂薄膜的）进行铂薄膜的粒子散射实验时，观察到，绝大多数粒子散射实验时，观察到，绝大多数的的粒子如以前一样，只有粒子如以前一样，只有23度的偏转，但有度的偏转，但有1/8000左右的粒子偏左右的粒子偏转大于转大于90，有的甚至接近，有的甚至接近180。如何解释这一现象？如何解释这一现象？3、Thomson模型的困难

20、模型的困难 原子中电子质量比原子中电子质量比粒子小很多，可忽略其影粒子小很多，可忽略其影响。按照响。按照Thomson模型，模型，r R(r为为粒子与原子中心粒子与原子中心距离，距离，R为原子半径为原子半径)时，时，粒子受力为粒子受力为2Ze2/(40r2)；rR(r为为粒子与原子中心距离，粒子与原子中心距离，R为原子为原子半径半径)时，时，粒子受力为粒子受力为2Ze2/(40r2)；rR时，时，粒子受力为粒子受力为2Ze2r/(40R3)。所。所以，原子只对以，原子只对的的粒子有较大粒子有较大的偏转，的偏转， 其它的其它的粒子偏转很小。粒子偏转很小。 最大偏转角可计算出来。最大偏转角可计算出

21、来。 大多数散射角很小，约大多数散射角很小，约1/80001/8000散射散射大于大于9090； 极个别的散射角极个别的散射角等于等于180180。 实验结果实验结果APPLIED PHYSICS22)MeV(1088. 221422425202max202KEZmRZeppRRZetFp +ZeFmPp Pi最大偏转角的计算最大偏转角的计算例：例：EK =5.0 MeV ,Z=78 ,max45 )有效。当有效。当45 时时,理论理论与实验偏离很大。与实验偏离很大。 粒子散射实验的意义粒子散射实验的意义 及卢瑟福模型的困难及卢瑟福模型的困难n1 1、通过实验解决了原子中正、负电荷的排布问题，

22、建立了一、通过实验解决了原子中正、负电荷的排布问题，建立了一个与实验相符的原子结构模型，使人们认识到原子中的正电荷个与实验相符的原子结构模型，使人们认识到原子中的正电荷集中在核上，提出了以核为中心的概念，从而将原子分为核外集中在核上，提出了以核为中心的概念，从而将原子分为核外与核内两部分，并且认识到高密度的原子核的存在，在原子物与核内两部分，并且认识到高密度的原子核的存在，在原子物理学起了重要作用。理学起了重要作用。（一）意义：（一）意义：n2 2、 粒子散射实验为人类开辟了一条研究微观粒子结构的新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，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。为近代物理实验奠定了基础，对近代物理有着巨大的影响。n 3 3、 粒子散射实验还为材料分析提供了一种手段。粒子散射实验还为材料分析提供了一种手段。（二）困难（二）困难 1 1、原子稳定性问题、原子稳定性问题 2 2、原子线状光谱问题、原子线状光谱问题相同的化学性质，相同的原子序数相同的化学性质，相同的原子