原子物理学绪论课件.ppt

1、1 绪论2原子世界原子世界 富有创新的世界3提纲提纲 原子物理学研究的对象、方法和空间原子物理学研究的对象、方法和空间 原子概念的建立原子概念的建立 原子核物理的发展原子核物理的发展 粒子物理的发展粒子物理的发展 近代物理的发展近代物理的发展4一、原子物理学研究的对象、方法和空间一、原子物理学研究的对象、方法和空间1.1.什么是物理学什么是物理学物理学是自然科学的基础物理学是自然科学的基础。物理学研究宇宙间物质存在的基本形式，物理学研究宇宙间物质存在的基本形式，物质的性质、运动、相互作用、相互转化以物质的性质、运动、相互作用、相互转化以及内部结构的基本规律。及内部结构的基本规律。物理学是探讨物

2、质结构和运动基本规律的物理学是探讨物质结构和运动基本规律的前沿学科。前沿学科。物理学是研究物理学是研究“物物”的，它研究的是物质，的，它研究的是物质，也就是研究宇宙间客观存在的物质。也就是研究宇宙间客观存在的物质。5正因为如此，所以可以概括为：正因为如此，所以可以概括为：物理学研究宇宙间物质存在的基本形式，物理学研究宇宙间物质存在的基本形式，物质的性质、运动、相互作用、相互转化物质的性质、运动、相互作用、相互转化以及内部结构的基本规律。以及内部结构的基本规律。物理学是探讨物质结构和运动基本规律物理学是探讨物质结构和运动基本规律的前沿学科的前沿学科。可以说：可以说：物理学所研究的物理学所研究的对

3、象对象是是普遍的普遍的。物理学所研究的物理学所研究的规律规律是是基本的基本的。6自远古以来，由于农业生产需要确定季节，人自远古以来，由于农业生产需要确定季节，人们就进行天文观察，在古代就形成天文学们就进行天文观察，在古代就形成天文学。化学缘起于古代炼金术，独立地发展。化学缘起于古代炼金术，独立地发展。物理学、天文学、化学是最早发展的自然科物理学、天文学、化学是最早发展的自然科学学。它们之间存在着密切的联系。它们之间存在着密切的联系。物理学所发现的基本规律在天文现象和化学物理学所发现的基本规律在天文现象和化学现象中起着日益深刻的作用。现象中起着日益深刻的作用。物理学所发现的基本规律在地球现象和生

4、命物理学所发现的基本规律在地球现象和生命现象中，也起着重要作用。现象中，也起着重要作用。地学和生命科学都是自然科学的重要方面，地学和生命科学都是自然科学的重要方面，有重要的社会作用。但是像地球这样有生物的行有重要的社会作用。但是像地球这样有生物的行星在宇宙中却是少见的，所以地学和生命科学不星在宇宙中却是少见的，所以地学和生命科学不属于物理学的范围。属于物理学的范围。72.2.物质是分层次的物质是分层次的 物质由分子组成物质由分子组成 分子由原子组成分子由原子组成 原子由原子核和电子组成原子由原子核和电子组成 原子核由质子和中子组成原子核由质子和中子组成 质子和中子由夸克组成质子和中子由夸克组成

5、83.原子原子物理学的研究对象物理学的研究对象狭义地讲：狭义地讲：原子物理学是研究原子的结原子物理学是研究原子的结构与性质的科学构与性质的科学;广义地讲：广义地讲：原子物理学是研究物质微观原子物理学是研究物质微观结构的科学。结构的科学。9 4 4原子物理学的研究方法原子物理学的研究方法 从实验的规律出发，引入量子化概念，加从实验的规律出发，引入量子化概念，加上科学分析和数学推导，得出原子物理学的规上科学分析和数学推导，得出原子物理学的规律（包括定律，公式律（包括定律，公式）。）。值得注意的是值得注意的是“量子化概念量子化概念”这个词，过这个词，过去学力学，电磁学去学力学，电磁学没有使用这一概念

6、。没有使用这一概念。目前，有的学校将目前，有的学校将“原子物理学原子物理学”称为称为“量子物理学量子物理学”，这也符合国际惯例。，这也符合国际惯例。10 5.原子物理学研究的空间原子物理学研究的空间 原子的半径原子的半径r=10-10m 研究的空间在研究的空间在10-10m数量级以下。数量级以下。这导致微观世界与宏观世界有很大的不同。具这导致微观世界与宏观世界有很大的不同。具体的体现就是量子化现象。体的体现就是量子化现象。11二、原子概念的建立二、原子概念的建立原子概念的建立是一个漫长的历史过程。原子概念的建立是一个漫长的历史过程。1古代原子论：古代原子论：2400多年前多年前(公元前四世纪公

7、元前四世纪)古代哲学家对物质古代哲学家对物质结构十分感兴趣，展开一场讨论，结构十分感兴趣，展开一场讨论，题目是：题目是：物质是否连续？物质是否连续？12 古希腊学者亚里士多德（古希腊学者亚里士多德（Aristotle）、阿那萨古腊（）、阿那萨古腊（Anaxagoras）等人认为物质是连续的，可以无限制地分割下去）等人认为物质是连续的，可以无限制地分割下去。德谟克利特（德谟克利特（Democritus）认为物质是不连续的，提出原子）认为物质是不连续的，提出原子（atom）的概念，意思是）的概念，意思是“不可分割的不可分割的”，并把它当作物质的，并把它当作物质的最小单元；即认为：物质是最终由一些小

8、颗粒组成，这些小颗粒最小单元；即认为：物质是最终由一些小颗粒组成，这些小颗粒不可再分割，即是原子。这都是一些想象，无任何实验基础。不可再分割，即是原子。这都是一些想象，无任何实验基础。物质是连续的观点在中世纪占优势。物质是连续的观点在中世纪占优势。随着实验技术的发展，物质的原子观在十六世纪之后随着实验技术的发展，物质的原子观在十六世纪之后又为人们所接受，著名学者伽利略（又为人们所接受，著名学者伽利略（Galileo）、笛卡）、笛卡儿（儿（Ren Descartes）、波义耳（）、波义耳（Robert Boyle）、）、牛顿（牛顿（Isaac Newton）都支持这种观点。）都支持这种观点。13

9、 在我国，早在战国时期（公元前在我国，早在战国时期（公元前476221年）就，出现了与上面相类似的观点。年）就，出现了与上面相类似的观点。主张物质不可无限分割的一派中，最著名的主张物质不可无限分割的一派中，最著名的战国时期的墨家。战国时期的墨家。墨经墨经中说：中说：“端：体之无端：体之无序最前者也。序最前者也。”意思是说：意思是说：“端端”是组成物体是组成物体（“体体”）的不可分割（）的不可分割（“无序无序”）的最原始的）的最原始的东西（东西（“最前者最前者”）。）。“端端”就是原子的概念。就是原子的概念。“端端”为什么不可分割呢？因为为什么不可分割呢？因为“端是无同也端是无同也”，意思是：一

10、个意思是：一个“端端”里没有共合的东西，所以不里没有共合的东西，所以不可以分割。可以分割。14 那个时代的惠施（惠子）说：那个时代的惠施（惠子）说：“至小无内，谓之小一至小无内，谓之小一”意思是：意思是：“小小一一”这个东西没有内（内部结构），也就无这个东西没有内（内部结构），也就无法再分割了，即是最原始的微粒。法再分割了，即是最原始的微粒。孔子在孔子在中庸中庸中说：中说：“语小，天下莫能破语小，天下莫能破焉。焉。”儒学大师，宋朝的朱熹解释说：儒学大师，宋朝的朱熹解释说：“天天下莫能破是无内，谓如物有至小而可破作两下莫能破是无内，谓如物有至小而可破作两者，是中着得一物在；若无内是至小，更不者，

11、是中着得一物在；若无内是至小，更不容破了。容破了。”“至小无内，谓之小一至小无内，谓之小一”是中国古代一个意是中国古代一个意义深刻的哲学思想。义深刻的哲学思想。15 严复翻译的严复翻译的穆勒名学穆勒名学一书中，首次把原一书中，首次把原子（子（Atom）一词介绍到我国，当时把）一词介绍到我国，当时把Atom译为莫破，译为莫破，Atom Theory译为莫破质点论。译为莫破质点论。16 2建立在科学实验基础上的原子论建立在科学实验基础上的原子论 这主要是化学家们的功劳（时间从这主要是化学家们的功劳（时间从17世纪世纪19世纪）世纪）17世纪：波义耳建立气体定律，演示气体很容世纪：波义耳建立气体定律

12、，演示气体很容易被压缩和膨胀，这说明气体是由有很大空间间易被压缩和膨胀，这说明气体是由有很大空间间隔的小颗粒组成，也说明物质是不连续的。隔的小颗粒组成，也说明物质是不连续的。18世纪：罗蒙洛索夫提出世纪：罗蒙洛索夫提出“原子动力论原子动力论”，这，这里的原子实际上是分子，所以应是里的原子实际上是分子，所以应是“分子动力分子动力论论”。它揭示气体能充满空间是分子运动的结果，。它揭示气体能充满空间是分子运动的结果，例如：在一个真空容器中，打进一点有色气体，例如：在一个真空容器中，打进一点有色气体，气体立刻充满整个容器，这是分子运动的结果。气体立刻充满整个容器，这是分子运动的结果。它说明物质是不连续

13、的。它说明物质是不连续的。物理学是探讨物质结构物理学是探讨物质结构和运动基本规律的前沿学科和运动基本规律的前沿学科1718193原子结构理论原子结构理论 1895年、年、1896和和1897年相继发现了年相继发现了X射线、放射线、放射性和电子，这三大发现揭开了近代物理的序幕。射性和电子，这三大发现揭开了近代物理的序幕。原子结构理论逐步建立。原子结构理论逐步建立。20 1897年汤姆逊发现电子，由于电子是负性的，年汤姆逊发现电子，由于电子是负性的，原子是中性的，说明原子中有正电荷存在。这原子是中性的，说明原子中有正电荷存在。这些正电荷是怎样分布的呢？汤姆逊提出了一个些正电荷是怎样分布的呢？汤姆逊

14、提出了一个模型（汤姆逊模型）：原子中正电荷均匀分布模型（汤姆逊模型）：原子中正电荷均匀分布在整个原子的球体上，为了能解释元素周期表，在整个原子的球体上，为了能解释元素周期表，汤姆逊假设，电子嵌在正电荷上呈现一些同心汤姆逊假设，电子嵌在正电荷上呈现一些同心圆环，每个同心圆环上只能容纳有限个电子。圆环，每个同心圆环上只能容纳有限个电子。这个模型后来由实验检验所否定，但是，它这个模型后来由实验检验所否定，但是，它是人类第一次认为原子是有结构的，打破了是人类第一次认为原子是有结构的，打破了“原子不可分割原子不可分割”的看法。同时，每个同心圆的看法。同时，每个同心圆环上只能容纳有限个电子的概念为以后的研

15、究环上只能容纳有限个电子的概念为以后的研究打开了道路。打开了道路。21 1911年卢瑟福在进行粒子散射实验中，年卢瑟福在进行粒子散射实验中，根据实验中出现的大角度散射事实否定汤根据实验中出现的大角度散射事实否定汤姆逊模型。姆逊模型。他提出了一个原子的核式结构。这个他提出了一个原子的核式结构。这个模型正确指出正电荷和电子的分布，但没模型正确指出正电荷和电子的分布，但没有讲电子和原子核怎么样运动。有讲电子和原子核怎么样运动。这是根据经典物理学中电动力学理论，这是根据经典物理学中电动力学理论，电子绕原子核运动将发射电磁波，损失能电子绕原子核运动将发射电磁波，损失能量，轨道半径将越来越小，最后靠近原子

16、量，轨道半径将越来越小，最后靠近原子核，即是原子是不稳定的，与实验上观察核，即是原子是不稳定的，与实验上观察到的原子是稳定的实验事实不符。到的原子是稳定的实验事实不符。22 1912年玻尔根据卢瑟福的原子核式结构模年玻尔根据卢瑟福的原子核式结构模型，普朗克的量子论和光谱实验资料提出了玻型，普朗克的量子论和光谱实验资料提出了玻尔的氢原子理论，尔的氢原子理论，这是一个类似行星围绕太阳旋转的模型，这是一个类似行星围绕太阳旋转的模型，是一个动态的模型。是一个动态的模型。这个理论取得很大的成功，如：很好地解释这个理论取得很大的成功，如：很好地解释的氢原子光谱，类氢离子光谱等。但不能处理的氢原子光谱，类氢

17、离子光谱等。但不能处理氦原子等复杂原子系统，原子光谱的强度问题。氦原子等复杂原子系统，原子光谱的强度问题。根据电子的波粒二象性实验事实建立的量根据电子的波粒二象性实验事实建立的量子力学逐渐发展完善，成为解释原子性质的运子力学逐渐发展完善，成为解释原子性质的运动规律比较完善的理论。动规律比较完善的理论。2319101897EinsteinsPhotons1905Thomsondiscoverstheelectron RutherfordExperiment1900PlancksQuantumTheory(MaxPlanck)1913BohrsatomicModel(NielsBohr)1924D

18、eBroglieWaves(LouisDeBroglie)2419281925IndeterminacyPrinciple(W.Heisenberg)1927QuantumMechanics(Heisenberg,MaxBorn)CopenhagenInterpretation(Bohr,Heisenberg,Shrdinger)1926TheWaveequation(ErwinShrdinger)ComplementarityPrinciple:Knowledgeofatomicandmolecular-scalephenomenaisessentiallyincompleteuntilbo

19、thparticleandwaveaspectsofitareknown.PaulDiracRobertOppenheimer254原子物理学的地位和作用原子物理学的地位和作用 原子物理学的地位：原子物理学的发展原子物理学的地位：原子物理学的发展不只涉及物理学某些部门，而是影响到期物不只涉及物理学某些部门，而是影响到期物理学的全部领域。理学的全部领域。原子物理学的作用：原子物理学与现代原子物理学的作用：原子物理学与现代生产有广泛的联系。生产有广泛的联系。26原子物理学的应用：原子物理学的应用：原子弹、氢弹原子弹、氢弹：巨大的杀伤性武器巨大的杀伤性武器,国外有人设国外有人设想用原子弹深钻地球，国

20、内有人设想用原子弹想用原子弹深钻地球，国内有人设想用原子弹炸开昆仑山。炸开昆仑山。核能发电：核能发电：激光器：激光器：时间频标时间频标：铯原子钟，可达铯原子钟，可达30万年误差不超过万年误差不超过一秒，在航天测量中有重要作用。一秒，在航天测量中有重要作用。27X射线：射线：医学上用于检查身体，特别是医学上用于检查身体，特别是CT（断（断层扫描），是与电子计算机结合的产物。层扫描），是与电子计算机结合的产物。工业上用于探伤，测厚。工业上用于探伤，测厚。海关用于检查货箱中货物，不用开箱就可海关用于检查货箱中货物，不用开箱就可以知道货箱中的货物，有效打击走私。以知道货箱中的货物，有效打击走私。软软X

21、射线激光器，声纳的理想替代品。射线激光器，声纳的理想替代品。农业：农业：辐射育种，消灭害虫。医学上用于检查辐射育种，消灭害虫。医学上用于检查中医学上用于识别地道药材。中医学上用于识别地道药材。28三、原子核物理的发展三、原子核物理的发展 1.贝克勒尔贝克勒尔1896年年发现铀的放射现象，是发现铀的放射现象，是人类第一次在实验室观察到原子核现象。人类第一次在实验室观察到原子核现象。2.查德威克查德威克1932年发现中子打破了原子核。年发现中子打破了原子核。3.哈恩和史特拉斯曼哈恩和史特拉斯曼1939年发现铀分裂。年发现铀分裂。4.在在奥本海默奥本海默领导下，领导下，美国于美国于1945年爆炸年爆

22、炸了第一颗原子弹。了第一颗原子弹。5.在在泰勒泰勒领导下，领导下，美国于美国于1952年爆炸了第年爆炸了第一颗氢弹。一颗氢弹。29四、粒子物理的发展四、粒子物理的发展1.“基本基本”粒子不断发现粒子不断发现查德威克查德威克1932年发现中子打破了原子核，年发现中子打破了原子核，人们认识原子核是由质子和中子组成的，把人们认识原子核是由质子和中子组成的，把质子、中子、电子和光子看作是组成物质的质子、中子、电子和光子看作是组成物质的基本单位，称为基本单位，称为“基本粒子基本粒子”。30 但不久在衰变中发现了中微子和正电子，后来在但不久在衰变中发现了中微子和正电子，后来在宇宙射线中发现了介子、介子、介

23、子、超子（质宇宙射线中发现了介子、介子、介子、超子（质子和中子两种核子，又称为重子；质量超过核子子和中子两种核子，又称为重子；质量超过核子的粒子称为超子）等。的粒子称为超子）等。目前发现的目前发现的基本粒子已超过基本粒子已超过35种，同时，基本粒种，同时，基本粒子互相碰撞时，可以产生一种状态，即：二、三子互相碰撞时，可以产生一种状态，即：二、三个粒子短时期结合在一起，成为一个粒子，这称个粒子短时期结合在一起，成为一个粒子，这称为共振态或激发态。为共振态或激发态。如果说将这样的短期结合也看作基本粒子，那么，如果说将这样的短期结合也看作基本粒子，那么，“基本粒子基本粒子”已超过四百种，这就是所谓的

24、已超过四百种，这就是所谓的“基基本粒子不基本本粒子不基本”的问题。的问题。312.强子有结构强子有结构“基本粒子基本粒子”按它们的主要相互作用分为三类按它们的主要相互作用分为三类：第一类：光子，电磁相互作用，一切带电粒子第一类：光子，电磁相互作用，一切带电粒子和具有磁矩的粒子之间的电磁相互作用是以光子和具有磁矩的粒子之间的电磁相互作用是以光子为媒介。为媒介。第二类：轻子，弱相互作用，包括电子、中微第二类：轻子，弱相互作用，包括电子、中微子和子和子。子。第三类：强子，强相互作用，强子分为两类，第三类：强子，强相互作用，强子分为两类，重子和介子。重子和介子。重子包括质子、中子、重子包括质子、中子、

25、超子、超子、超子超子、超子和超子和超子。介子包括超子。介子包括介子、介子、介子和介子和介介子。子。以上粒子还应包括它们的反粒子。以上粒子还应包括它们的反粒子。32 目前发现的一些实验事实显示强子有结构，目前发现的一些实验事实显示强子有结构，这些实验事实包括：这些实验事实包括：1932年斯特恩首先测量出年斯特恩首先测量出质子有质子有磁矩，不久又测出磁矩，不久又测出中子有中子有磁矩，这显示质磁矩，这显示质子和中子不是点粒子，有内部结构。子和中子不是点粒子，有内部结构。1956年霍夫斯塔特用高速成电子轰击质子，年霍夫斯塔特用高速成电子轰击质子，发现质子电荷有分布，电荷半径为发现质子电荷有分布，电荷半

26、径为0.7fm，又用高，又用高速成电子轰击中子，也发现中子电荷有分布，电速成电子轰击中子，也发现中子电荷有分布，电荷半径为荷半径为0.8fm，内部有正电及负电。这更，内部有正电及负电。这更显示质显示质子和中子不是点粒子，有内部结构。子和中子不是点粒子，有内部结构。在在1970年，用能量很高的京电子轰击质子，把年，用能量很高的京电子轰击质子，把质子打碎，看到质子打碎，看到“卢瑟福散射的影子卢瑟福散射的影子”，质子是，质子是由一些由一些“硬心硬心”组成。组成。33 3.夸克模型夸克模型 1964年，盖尔曼提出强子由夸克组成的模型。年，盖尔曼提出强子由夸克组成的模型。几乎同时，我国物理学家也提出类似

27、的层子模型。几乎同时，我国物理学家也提出类似的层子模型。夸克模型（层子模型）认为：存在夸克模型（层子模型）认为：存在u、d、s、c、b、t夸克加上它们的反夸克及三种颜色，一共夸克加上它们的反夸克及三种颜色，一共36种夸克；所有的重子由三种夸克组成，所有的反种夸克；所有的重子由三种夸克组成，所有的反重子由三种反夸克组成，所有的介子由一种夸克重子由三种反夸克组成，所有的介子由一种夸克和一种反夸克组成。和一种反夸克组成。34五、近代物理的发展五、近代物理的发展 近代物理是一个很大的课题，它内容包括：近代物理是一个很大的课题，它内容包括：上面所说的原子物理，原子核物理、粒子物理等上面所说的原子物理，原

28、子核物理、粒子物理等以外，还有以量子论和相对论为基础理论的一些以外，还有以量子论和相对论为基础理论的一些领域，凝聚态物理、非线性物理、天体物理领域，凝聚态物理、非线性物理、天体物理等。作为一门课难度很大，范围非常广，需要作等。作为一门课难度很大，范围非常广，需要作很大的努力。很大的努力。35六、不断创新是物理学发展的前进动力六、不断创新是物理学发展的前进动力 不断创新是物理学发展的前进动力，特不断创新是物理学发展的前进动力，特别是近代物理的发展。别是近代物理的发展。量子论：从连续到不连续。量子论：从连续到不连续。相对论：从绝对时空到相对时空。相对论：从绝对时空到相对时空。原子从不可分割到可分割，原子核从不原子从不可分割到可分割，原子核从不可分割到可分割，质子和中子从不可分割到可分割到可分割，质子和中子从不可分割到可分割。可分割。从质能无关到质能相关。从质能无关到质能相关。物理学将不断创新，不断发展。物理学将不断创新，不断发展。