Theoretical Atomic Physics-ZY-1-1.ppt

1、1.演讲者：朱昱，理论原子物理学，2，3，4。原子物理学是一门研究原子的结构、性质和运动规律的科学。原子这个词来自希腊语，意思是“不可分割的”。公元前4世纪，古希腊哲学家德谟克里特斯提出了这个概念，认为它是物质的最小单位。原始原子理论：1807年，英国科学家约翰道尔顿提出了原子理论。他认为原子类似于刚性球体，刚性球体是物质世界的基本结构单位，是不可分割的。1807年，一位名叫约翰道尔顿的英国科学家提出了他关于原子的想法。根据他的实验和观察，他认为：个原子就像微小的硬球。每种化学元素都有自己的原子，它们的质量不同于其他元素。道尔顿认为原子是自然的基本组成部分，不能被分裂。在化学反应中，原子会重新

2、点燃它们，并以新的方式与其他原子结合。6，道尔顿用他的理论解释了化学中物质不灭定律(质量守恒定律)。道尔顿的原子理论是基于这样一个事实，即它可以用来研究和发现新的现象，所以它比古代的原子理论走得更远。约翰道尔顿(1766年9月6日，1844年7月27日)，英国化学家和物理学家。现代原子理论的支持者。世界上第一个提出色盲问题的人。为了纪念他，色盲也被称为道尔顿症。世纪之交的三大发现。1895年，德国物理学家伦琴发现了x光。他获得了第一个诺贝尔物理学奖(1901年)。1897年，英国物理学家汤姆森发现了电子。1906年获得诺贝尔物理学奖。1896年，法国物理学家贝克勒尔发现了放射性。他和居里夫妇一

3、起获得了1903年诺贝尔物理学奖。x射线、放射性和电子表明，原子可以分裂，并具有复杂的结构，这揭开了现代原子物理学的序幕。在当时的世界里，人们对微观世界的理解仍然停留在遥远的古希腊德谟克里特斯时代，尽管铁轨随处可见，工厂里的机床整夜运转。每个人都只知道原子是世界的起源，但是从来没有人想过原子是否可以被细分。可怜的汤姆森实际上发现了这个比原子小得多的东西。9，一个物理学的英雄时代，德布罗意，这是1927年第五届索尔瓦会议的与会者们拍摄的照片一张拥有地球上三分之一最聪明的大脑的照片：29个人中有17个人获得了或后来获得了诺贝尔奖！x射线、放射性和电子表明，原子可以分裂，并具有复杂的结构，这揭开了现

4、代原子物理学的序幕。那么，原子是如何构成的呢？原子的运动定律是什么？这是原子物理学要研究的问题。11，教材和参考书1，原子物理学齐高等教育出版社2，原子物理学杨高等教育出版社3，量子力学与原子物理学张哲华刘连军武汉大学出版社4，量子力学与原子物理学学习指南刘哲华武汉大学出版社12，1。对象：原子壳层结构、光谱、核结构、内部运动、相互作用和相互转化规律、原子物理研究的对象、方法和意义；2.方法：实验与理论相结合，不断改进和发展实验现象，提出理论实验检验(更多的间接实验)，修正理论，然后检验和完善理论。重复，13。密立根在1923年获得诺贝尔物理学奖时说：“科学是两条腿走路的，一条是理论，另一条是

5、实验。”有时一条腿在前面，有时另一条在前面。但是只有用两条腿我们才能前进。在实验过程中寻找新的关系，上升到理论，然后在实践中检验它”。用原子物理学研究物质的微观结构，对于进一步揭示和丰富某些宏观现象的规律具有重要意义。例如，金属、磁性材料和发光材料的原子物理学与其他科学密切相关。例如，原子壳理论与理论化学密切相关。光谱理论对天体物理学有很大的影响。晶体结构理论对矿物学和冶金学有很大影响。原子物理学对生产和生活有很大的影响，意义重大。例如，原子能的开发和利用，光谱分析在冶金技术中的应用，以及x光的应用。15，物理救生核磁共振，正常肿瘤，16，正电子发射断层摄影术(正电子发射断层摄影术)通过使用发

6、射正电子的示踪原子来诊断异常来测量大脑活动和功能。17、1901年第一个诺贝尔物理学奖授予伦琴威廉孔拉德根，18、核裂变反应堆发出的浅蓝色光芒是切伦科夫辐射的粒子在水中运动的速度比光速还快。1993年，美国加州IBM Almaden研究中心的研究人员使用扫描隧道显微镜(STM)在铜表面排列48个铁原子，形成一个量子栅栏，其中束缚了电子，其波函数形成同心波纹。欧洲粒子物理研究所的加速器位于日内瓦郊区：在大环中有一个周长为27公里的强子对撞机，在中环有一个质子同步加速器。21，本书的结构和教学内容，第一章，原子的基本情况，3小时粒子散射实验，卢瑟福的原子模型，卢瑟福的散射公式，第二章，原子的能级和

7、辐射，在8小时内第一次将量子概念引入原子领域，提出了量子态的概念，并解开了氢原子光谱的谜团。引言1，22，第4章，碱金属原子和电子自旋8，基于实验事实，介绍了“电子自旋”的概念，并解释了原子的精细结构。“自旋”对经典物理学来说并不陌生，但它是一种全新的运动形式，是微观世界中的一种状态。第5章，8小时内多电子原子的概括，用泡利原理确定原子状态，第23章，第6章，6小时内原子在磁场中的塞曼效应，第7章，4小时内原子壳层结构，元素周期表，原子基态的电子结构，第8章，4小时内的x光，连续谱轫致辐射电子撞击靶并减速产生的识别谱，第24章，第10章：核结构与性质，核反应与核能；第11章：基本粒子的分类和粒

8、子的相互作用；学习时要注意以下几点：1 .注意理解微观系统的独特性质、结构和规律；2.注重分析方法：实验事实(更间接)理论(分析和综合)；3.为以后的研究打下基础：电动力学26，第1章，原子的基本条件，背景知识，JJ汤普孙原子模型，卢瑟福原子模型，粒子散射实验，卢瑟福原子模型，困难，27，道尔顿提出的原子理论：(1)一种具有一定质量的元素是由大量原子组成的这种元素。(二)每种元素的原子质量相同，不同元素的原子质量不同。(三)两种可以结合的元素，它们的原子可以按照几种比例转化成几种化合物的分子。1.1背景知识，28，根据道尔顿的原子理论，我们可以对简单无机化学中化合物的形成给出定量解释，另一方面

9、，许多实验已经证实了原子理论；此外，还发现在涉及气态物质的化学反应中，元素的重量和体积也遵循上述规律。盖鲁萨克定律告诉我们，在相同的温度和压力下，每种生成或分解的气体中的组分和复合气体的体积彼此之间具有简单的整数比。与上述定律相比，我们可以得出结论，气体的体积与其中包含的粒子数有关。阿伏伽德罗定律告诉我们，相同体积的不同气体在相同的温度和压力下含有相同数量的分子。当原子理论逐渐被人们接受时，人们面临着新的问题：原子有多大？原子内部是什么？原子是最小的粒子吗？原子量的相对值：1 .不同的原子有不同的质量。原子质量单位：碳单位，氢：1.078252铀氦3360 4.0026036铀，4。原子质量的

10、绝对值：当它以克为单位时，1 N0: Av Gadereau常数。(6.0221023/mol)，原子的质量及其质量的相对值通常用于化学和物理。现在，自然界中最丰富的碳同位素的质量被设定为12.000单位作为原子质量标准，其他原子的质量与碳12的质量进行比较以确定质量，这被称为原子量。30，5，Avogadro常数Arrhenius常数n0(1摩尔分子的分子数或1摩尔原子的原子数)是联系宏观和微观的物理量。1n0=6.0221367 (36) 1023mol-1，1mol12C或12g12C包含N0个12C原子，12u=12g/n01g=n01u=1.6605402(10)10-27kg宏观单

11、元微观单元N0:宏观和微观桥，(1)原子质量F=eN0 F一摩尔离子携带的总电量，单个电量F宏观量e微观量N0:宏观和微观桥，(3)通用气体常数R质量密度(g/cm3)，总体积/原子体积N0=/，1。从密度，原子大小，原子半径，计算原子半径，33。不同原子的半径几乎相同，为34.3。气体分子的平均自由程可以从气体分子运动理论中估算出来：R是分子半径，N是每单位体积的分子数。对于单原子分子，r是原子半径。从晶体排列中，找出每个原子的体积，立方根是原子的线性度。根据范德瓦尔斯方程，在上述公式中，根据理论，B的值应该等于分子所占体积的四倍，分子的半径可以通过实验确定B来计算，其数量级与原子的数量级相

12、同。用不同的方法找到一个原子的半径，得到的值有些不同，但数量级是一样的，都是10-10米。1811年，阿伏伽丁诺定律问世，提出一摩尔中的每个原子等于一。1874年，斯通尼将上述两个定律结合起来，指出原子所带的电荷是电荷的整数倍，并以“电子”为电荷的最小单位。但事实上，20多年后JJ汤普孙的工作证实了电子的存在。1897年，JJ汤普孙发现了电子。通过测量阴极射线管中电子的荷质比，JJ汤普孙预言了电子的存在。电子的发现不是偶然的，在此之前已经有了丰富的积累。1833年，法拉第提出了电解定律，即任何原子的1摩尔一价离子总是携带相同的电量法拉第常数。电子的发现导致了原子物理学的诞生。汤姆森被称为“第一

13、个打开基本粒子物理学大门的伟人。”1897年，汤姆逊通过阴极射线管实验发现了电子，并进一步测量了电子的荷质比：e/m，38，阴极射线实验装置示意图阴极射线：将密封玻璃管中的空气抽真空，安装两个金属电极，施加高压产生低压放电，即气体传导现象，放电管面对阴极管壁上产生的辐射。汤姆逊，1906年诺贝尔物理学奖获得者，39，阴极射线实验装置示意图，粒子的荷质比是氢离子的千分之一以上，阴极射线的质量只有氢原子的千分之一，但小于电子。施加电场后，光线偏转。加入磁场h后，射线不会偏转，去掉电场e后，射线会形成一个圆形轨迹，并计算出荷质比。阴极射线带负电。早在1890年，时任英国曼彻斯特大学物理学教授的a .

14、舒斯特就研究了氢放电管中阴极射线的偏转，并计算出阴极射线粒子的荷质比是氢离子的一千多倍。但他不敢相信自己的测量结果，认为“阴极射线粒子的质量不到氢原子质量的千分之一”的结论是荒谬的。相反，他假设阴极射线粒子的大小与原子的大小相同，但电荷大于氢离子的电荷。1897年，德国的w .考夫曼做了一个类似的实验，他测得的e/me值比汤姆森的精确得多，只有1。他还观察到e/me值随着电子速度的变化而变化。然而，当时他没有勇气公布这些结果，因为他不承认阴极射线是粒子的假设。直到1901年，他才向世界公布了研究结果。1910年，美国物理学家密立根通过著名的“油滴实验”精确地测量了电子的电量。后来，经过几年的反

15、复测量，得出公认的值是：根据电子的电量和荷质比e/me，电子的质量可以确定为：美国物理学家密立根因测量电子电荷而获1923年诺贝尔物理学奖。特别重要的是：密立根发现电子是量子化的，也就是说，任何电荷只能是e的整数倍，为什么？这是物理学中一个未解决的问题。42，电子经典半径的上限：re=(2.8179380 0.000070) 10-15m(这是根据经典电动力学和狭义相对论的理论，从电子质量来源于电磁场的假设中获得的电子半径)。电子的大小，在量子物理学中被认为是零。归根结底，电子是没有精确轨迹和半径的量子化波。在发现电子之后，人们意识到原子中有电子，而且它的质量只是整个原子的一小部分；电子带负电，而原子是电中性的，这意味着原子中有带正电的部分，它们占据了原子的大部分质量。那么原子的带正电荷的部分，以及带负电荷的电子，在10-10米范围内的大小是如何分布和如何运动的呢？汤姆逊发现电子后，人们对如何在原子中分配正负