原子物理学教程课件

原子物理学高宏西安交大理学院教材：

《近代物理学》王永昌编

高等教育出版社

主要参考书：●《原子物理学》杨福家著高等教育出版社●《原子物理学》褚圣麟编高等教育出版社●《原子物理学》陈宏芳编

科学出版社●AtomicPhysicsC.J.FontOxfordUniv.●《原子物理学教程》黄永义编待出版●作业—

课后习题挨个做，每周交一次作业。

●答疑

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(暂定)星期五上午10:00~12:00中1-3133高宏

Email:honggao@

教学活动

●考试成绩：作业10%+出勤、课堂10%+期末考试80%

●课时：48学分：3

主要内容绪论(~6学时)卢瑟福－玻尔原子理论(~8学时)

量子力学初步(~6学时)单电子原子(~10学时)多电子原子(~8学时)磁场中的原子(~4学时)

分子(~2学时)原子核(~4学时)

课程特点注意微观与宏观的区别：原子物理是关于微观结构的一门学科，对于微观体系不能都按照宏观规律描述。微观现象需由量子理论来描述，宏观现象是由经典理论描述的，而经典理论只是量子理论的近似。原子物理课主要介绍的是半经典的量子理论，反映了近代物理的发展，从中可以体会到物理学发展的规律，在学到具体知识的同时，领会科学研究的方法和思想。实际上量子力学就是解决原子能级和光谱中发展起来的。善于利用物理直觉和物理图像去理解和分析物理问题。第一章绪论

物质的微观结构层次

原子物理学作为物理学的一个分支，是关于物质微观结构的一门学科，主要研究原子的结构、光谱，还包括原子核的一些知识。原子是物质结构的一个层次——介于分子和原子核两层次之间。各层次的相互作用类型。E-15E-12E-09E-06E-031mE+03E+06E+09E+12E+15E+18E+21E+24E+27最小的细胞原子原子核基本粒子DNA长度星系团银河系最近恒星的距离太阳系太阳山哈勃半径超星系团人蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次0.1~100nm纳米材料

单位和物理常量国际单位制(SI)和7个基本单位：长度（m，米）质量（kg，千克）时间（s，秒）电流（A，安培）热力学温度（K，开尔文）物质的量（mol，摩尔）发光强度（cd，坎德拉）单位量级倍数的表示：数值词头符号中文数值词头符号中文1018exa-E艾克10-18atto-a阿(托)1015peta-P拍它10-15femto-f飞(母托)1012tera-T太拉10-12pico-p皮(叩)109giga-G给咖10-9nano-n纳(诺)106mega-M兆10-6micro-微103kilo-k千10-3mili-m毫物理常量：1.原子的质量原子质量1/12原子质量单位u

定义为(

1961年国际原子量委员会规定)

：一个处于基态的中性原子的质量数(原子量A)：将其他原子的质量同u相比较，所得的数值如：质量最轻的氢原子：1.673×10-27kg~1u

含量最丰富的原子12C：1.994×10-26kg

12u

原子质量的数量级：10-27kg——

10-25kg1~200u原子的大小和质量：2.阿伏伽德罗常量Avogadroconstant是联系宏观与微观的一个物理量。每个原子的质量，若以克(g)为单位，可表示为g是宏观单位，u

是微观单位。又法拉第常数热学中曾学习过NA是物理学中一个很重要的常量，是联系微观物理学和宏观物理学的纽带，从宏观量的测定导出微观量时起着桥梁作用。

NA的巨大正说明了微观世界是多么的细小!3.原子的大小～10-10m(1)从晶体中原子按一定的规律排列估计原子的大小0.14~0.19nm(2)从气体分子运动论可以估计原子的大小对于单原子气体分子，实验测得n和l，算得的r就是原子半径。(3)从范德瓦尔斯方程测定原子的大小V是分子体积，b=4V，实验测得b，就可算得分子的半径,其与原子半径数量级相同。Li0.16；Al0.16;Cu0.14;S0.18;Pb0.19，单位nm发展简史朴素的古代原子论

古希腊留基伯(Leucippcus)和德谟克利特(Democritus，约公元前460年-370年)认为：物质都是由一些坚硬地、不可再分的微粒构成的，命名为atom，即“原子”。亚里士多德(Aristoteles，约公元前384年-322年)认为：物质是连续的，可以无限止地分割下去。这一观点在中世纪时占优势。但16世纪之后，随着实验技术的发展，物质的原子观又为人们所接受。差不多在同时代，亚里士多德(Aristotle)、阿那萨古腊(Anaxagoras)等人却反对物质的原子观。如GGalilei,RDescartes,RBoyle,INewton都支持。“一尺之棰，日取其半，万世不竭”?

中国早在战国时期(公元前476-221）就出现了与上述相类似的两种观点。主张物质不可无限分割派：战国墨翟（公元前468-376）：《墨经》中曾记载“端：体之无序最前者也”。意为“端”是组成物体(“体”)的不可分割(“无序”)的最原始的东西(“最前者”)。惠施，“其小无内，谓之小一。”儒家著作《中庸》：“语小，天下莫能破焉。”主张物质可以无限分割派：公孙龙：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。”严复翻译的《穆勒名学》中首次将“Atom”译为“莫破”，介绍至中国，而把“AtomTheory”译为“莫破质点论”。

1806年，法国化学家普鲁斯脱(J.L.Proust)发现化合物分子组成定律，如不同方法制备碳酸铜，铜碳氧质量比例都是5:4:1十九世纪一些重要的发现：原子也只是物质的一个层次

1807年，英国化学家道尔顿(J.Dalton，1766-1844)发现倍比定律，并提出原子论:一切物质都由极小的微粒原子组成的，不同元素的原子具有不同的性质，两种不同的原子化合成化合物时有简单的数值比。

1808年，法国盖·吕萨克(J.L.Gay-Lussac)发现气体化合时，各气体的体积成简比的定律，并由之认为元素气体在相等的体积中的重量应正比于它的原子量；

1811年，意大利物理学家阿伏伽德罗(A.Avogadro，1776-1856)提出阿伏伽德罗假说，并提出了分子的概念；同体积气体在同温同压下含有同数之分子。

1826年，英国布朗(R.Brown)观察到液体中的悬浮微粒作无规则的起伏运动，即所谓的布朗运动；

1833年，英国法拉第(M.Faraday，1766-1844)提出电解定律，并把化学亲和力归之为电力；

1869年，俄国门捷列夫(Д,И.МeHдeлeeB)提出元素周期律。特别是十九世纪末的三大发现揭开了近代物理的序幕X射线：1895年德国物理学家伦琴(W.Röntgen)发现了X射线

放射性：1896年法国物理学家贝克勒尔(A.H.Becquerel)发现了放射性

电子：1897年英国物理学家汤姆逊(J.J.Thomson)发现了电子，这是人类发现的第一个从原子中分离出来的更小的微粒。

二十世纪原子物理的发展1911年，卢瑟福提出原子的核式结构模型；1913年，玻尔（1922年）提出氢原子的玻尔理论；1925-28年，原子理论的发展导致了海森伯，玻恩，约当，薛定谔，狄拉克建立量子力学1932年查德威克发现中子，海森伯等提出原子核由质子和中子构成1938年OttoHahn等发现重核铀裂变,开辟了核能时代

原子物理的地位和作用原子物理是物质微观规律，是较宏观现象更基本的规律固体有导体，半导体，绝缘体之分；导热率高的物体导电率也高；物体发光等，搞清楚这些现象必须从原子物理出