原子物理学第一讲

1、9/23/2022原子物理学第一讲9/23/2022学习三部曲Why？What？How？9/23/2022为什么要学习原子物理学？If, in some cataclysm, all of scientific knowledge were to be destroyed, and only one sentence passed on to the next generation of creatures, what statement would contain the most information in the fewest words? I believe it is the at

2、omic hypothesis thatall things are made of atoms little particles that move around in perpetual motion, attracting each other when they are a little distance apart, but repelling upon being squeezed into one another.In that one sentence, you will see, there is an enormous amount of information about

3、 the world, if just a little imagination and thinking are applied. -Richard Feynman 9/23/2022为什么要学习原子物理学？原子物理学是近代物理的开端和基础原子物理学是许多现代科学技术的基础理解和学习科学研究的方法和技能9/23/2022原子物理学与现代科学的关系为什么要学习原子物理学？9/23/2022原子物理学的应用各种材料性质的研究；光谱分析方法在冶金技术上的应用；X射线在材料检验上的应用；原子能和放射性的应用等等。为什么要学习原子物理学？9/23/2022原子物理学的发展历史“原子”一词来自希腊文，意

4、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提出这一概念，并把它看作物质的最小单元。主张物质不可无限分割主张物质可以无限分割我国战国时期的墨家墨经战国时期的儒家中庸战国时期的公孙龙“一尺之棰，日取其半，万世不竭”外国古希腊物理学家Democritus提出原子这一概念同时代的Aristotle等认为物质是连续的，可以无限分割什么是原子物理学？9/23/2022时间人物重要发现1666年牛顿光谱：为以后研究原子提供了方法1806年普鲁斯脱化合物分子的定组成定律1807年道尔顿化学上的倍比定律，并提出原子论1808年盖.吕萨克气体化合的简比定律1811年阿伏伽德罗阿伏伽德罗假说：同体积

5、气体在同温同压下分子数相同。1826年布朗布朗运动1833年法拉第提出电的基本单元存在以上为原子物理学的诞生创造了条件什么是原子物理学？9/23/20221867年门捷列夫元素周期表1885年巴耳末氢光谱规律1887年赫兹光电效应1895年伦琴X射线1896年贝克勒尔放射性1897年汤姆逊证明电子的存在1911年卢瑟福核式模型1913年玻尔氢原子理论的建立从此原子物理学迅速发展1924-1927年建立了量子力学，原子物理在量子力学的基础上日益完善。什么是原子物理学？9/23/2022什么是原子物理学？原子物理学是研究原子的结构和性质的科学，它以原子的结构为核心内容。原子物理学的特点：一门实验为

6、先导的学科一个半经典半量子的过渡性理论原子物理学的定义：9/23/2022原子物理学中的实验粒子散射实验光谱相关实验弗兰克赫兹实验光电效应1.掌握实验现象，理解实验原理及设计2.理解实验带给的启示及引起的理论实验-理论-再实验-再理论什么是原子物理学？9/23/2022原子物理学的半经典半量子性 原子物理学是从经典力学到量子力学的一个过渡性理论。它借助经典粒子的图象，人为地加上量子力学的一些概念。比较形象，易于初学者接受，而真正有用的是加进去的量子力学成分。因此，学习原子物理学要勇于冲破我们脑海中原有的经典力学的思维方法，应逐渐培养、树立一种全新的思维模式量子力学的思维方法去考虑微观世界的问题

7、。什么是原子物理学？9/23/2022原子物理学的课程结构第一章 原子的位形：卢瑟福模型 回答原子是由什么组成的，如何组成。从经典物理考虑，该位形无法解释原子中电子的运动规律。第二章 原子的量子态：玻尔模型为克服经典困难，玻尔首次将量子概念引入到原子领域，提出了量子态的概念，并得到实验的有力支持（旧量子理论）。但是玻尔理论仍有很大的局限性和不能解释的现象。 第三章 量子力学导论 指出玻尔理论的困难，阐明量子力学产生的必然性。介绍量子力学的基本概念，为以后各章的学习奠定基础。什么是原子物理学？9/23/2022第四章 原子的精细结构：电子的自旋 从实验事实出发说明引入“电子自旋”概念。理解这个全

8、新的微观物理性质和它引起的诸多实验现象。第五章 多电子原子：泡利原理 将单电子体系推广到多电子体系；学习并理解泡利不相容原理；运用原子结构的现代观点解释元素周期表。第六章 X射线 介绍X射线的发现、性质、产生机制；理解著名的康普顿散射实验；本章是对前面学习的一个应用和复习。第七章 原子核物理概论 简单介绍原子核物理的主要研究内容，原子核物理是原子物理自然发展，原子核物理仍然是一个活跃的研究领域。什么是原子物理学？9/23/2022如何学习原子物理学？1.专业课的学习方法认真听讲，积极回答问题，独立完成作业，重视科学研究训练2.重视实验掌握实验现象，理解实验的物理意义、地位3.学会运用计算技巧掌

9、握复合常数的用法，学会估算4.基础与前导课程基本的物理理论，牛顿力学，一定的高数知识9/23/2022成绩评定方法及答疑 1、期末考试成绩： 70%； 2、平时作业及课堂表现：15%； 3、科研表现： 15%； 答疑时间：？答疑地点：文理楼2449/23/2022参考书9/23/2022参考书9/23/2022参考书9/23/20221 背景知识 1874年斯通尼明确指出：原子所带电荷为一基本电荷的整数倍，并提出用“电子”这一名字来命名电荷的最小单位。 真正从实验上确定电子的存在，是在1897年由汤姆逊研究阴极射线后作出的。一、电子的发现9/23/2022 1、 1858年，普吕克在采用盖斯勒

10、放电管研究气体放电现象时发现了阴极射线。当时他报告说在放电管阴极对着的管壁上出现了绿色荧光，且绿色荧光在磁场的作用下发生偏转。他根据这一实验事实提出了阴极射线是由带负电的“粒子”组成的假说。 2、 1876年，德国物理学家哥尔德斯坦采用各种材料作成大小、形状各异的阴极进行实验，证实这种射线是从阴极表面垂直发出的，其性质与材料无关。他认为这种阴极射线是一种电磁辐射，即电磁波，并把这种射线命名为“阴极射线”的假说。1 背景知识 9/23/2022 3、 “阴极射线到底是什么？”这个问题引起了物理学家们的极大兴趣，并展开讨论。这场争论几乎是以国界划分的，以赫兹为代表的德国科学家们认为阴极射线是电磁波

11、；而以英国克鲁克斯为代表的英国和法国科学家们认为阴极射线是带电粒子流。这场争论持续了一二十年，促进人们进行了许多有意义的实验，推动了物理学的发展（在斗争中求发展）。 4、以上的争论，最后由J.J. 汤姆孙于1891年做出了回答。1 背景知识 9/23/2022 J.J. 汤姆孙进行了大量的实验，最后他大胆指出：阴极射线是带负电的“粒子”组成的粒子流。这种粒子是广泛分布的，但是不论在何处发现，它总是保持其个性，e/m值总是等于某一常数。不论物质所处的条件是多么的不同，看来粒子是各种物质的组成部分。这一结论得到了实验验证：密立根油滴实验（电子电量）。1 背景知识 9/23/2022 汤姆孙在担任卡

12、文迪什实验室教授期间，创建了完整的研究生培养制度和良好的学术气氛。18951914年间受过他教益的各国学者后来都取得重要研究成果。其中有7人获得了诺贝尔奖，27人取得英国皇家学会会员资格。 1886年，J.J. 汤姆孙开始对气体放电和阴极射线进行划时代的探索。1897年，他完成了著名的实验，测定了阴极射线的电荷与质量的比值e/m（后来称为电子的荷质比）。1 背景知识 J.J. 汤姆孙1856年出生于英国的曼彻斯特，1880年毕业于剑桥大学并获硕士学位，同年成为剑桥大学的研究生。1883年任剑桥三一学院的讲师，第二年接替瑞利任卡文迪什实验室教授。9/23/2022考虑到空气粘滞性的影响，后人在1929年对其进行了精确测量，电子电荷的现代值为电子的质量为 二、电子的电荷和质量 电子电荷的精确测定是在1910年由密立根通过著名的“密立根油