1、原子物理原子物理大连理工大学大连理工大学 物理与光电工程学院物理与光电工程学院李崇李崇 参考书参考书 褚圣麟褚圣麟 原子物理学原子物理学 Paul Tipler,Modern Physics C.J.Foot Atomic Physics 陈宏芳陈宏芳 原子物理学原子物理学安安 排排 a.作业、平时表现作业、平时表现 20%b.期末考试期末考试 80%c.常规答疑两周一次常规答疑两周一次 地点：物理系地点：物理系219室室 时间：周四下午时间：周四下午Email: 绪论绪论人之生，气之聚也人之生，气之聚也;聚则为生，散则为死。聚则为生，散则为死。-庄子庄子知北游知北游端，体之无序最前者也。端，
2、体之无序最前者也。-墨经墨经至大无外，谓之大一；其小无内，谓之小一。至大无外，谓之大一；其小无内，谓之小一。-惠子惠子第一章第一章 卢瑟福模型卢瑟福模型1.1 背景介绍背景介绍 电子的发现电子的发现1676年法国年法国 良卡德良卡德 发现水银荧光现象发现水银荧光现象1650年奥托年奥托冯冯格里克发明真空泵后物理学家开始在稀薄空格里克发明真空泵后物理学家开始在稀薄空气中做电的试验气中做电的试验1705年豪克斯对此进行实验研究，在部分真空中运动产生摩年豪克斯对此进行实验研究，在部分真空中运动产生摩擦才有荧光擦才有荧光1833年法拉第年法拉第 改进改进 抽真空的玻璃管置入电极抽真空的玻璃管置入电极
3、辉光放电辉光放电1857年德国玻璃工海因里希年德国玻璃工海因里希盖斯勒发明了更好的泵来抽盖斯勒发明了更好的泵来抽真空，由此发明了盖斯勒管真空，由此发明了盖斯勒管1858德国普吕克利用德国普吕克利用“盖斯勒管盖斯勒管”研究气体放电，辉光现研究气体放电，辉光现象随磁场变化改变形状象随磁场变化改变形状1869其学生西多夫其学生西多夫10万分之一大气压下，物体置入阴极与万分之一大气压下，物体置入阴极与荧光屏之间会有影子，射线起源于阴极，射线直线传播荧光屏之间会有影子，射线起源于阴极，射线直线传播德国物理学家哥尔德斯坦称这种射线为德国物理学家哥尔德斯坦称这种射线为“阴极射线阴极射线”MWQF法拉第电解定
4、律法拉第电解定律1871年，瓦莱发现阴极射线能为磁铁偏转，是带负电的。年，瓦莱发现阴极射线能为磁铁偏转，是带负电的。MWQFAQWNnFMNAFN eAQFeNN1887年克鲁克斯得到了百万分之一年克鲁克斯得到了百万分之一个克鲁克斯管个克鲁克斯管”，他在实验中不仅，他在实验中不仅验证了阴极射线是带电的，还发现验证了阴极射线是带电的，还发现阴极射线具有热效应并具有动量。阴极射线具有热效应并具有动量。1891年赫兹发现了阴极射线能够穿透金属薄片年赫兹发现了阴极射线能够穿透金属薄片勒纳德为阴极射线管开了一个勒纳德为阴极射线管开了一个0.000265厘米厚铝箔的窗口，把厘米厚铝箔的窗口，把阴极射线引到
5、管外空间，使几厘米远处的荧光屏发出荧光。阴极射线引到管外空间，使几厘米远处的荧光屏发出荧光。1897年英国物理学家汤姆逊测定阴极射线的质荷比，年英国物理学家汤姆逊测定阴极射线的质荷比，1897年德国物理学家布劳恩（年德国物理学家布劳恩（Kari Ferdinand Braun）发）发明阴极射线管，被用于一台示波器中首次与世人见面明阴极射线管，被用于一台示波器中首次与世人见面Sir Joseph John ThomsonJ.J.Thomson 1897 放电管汤姆逊被誉为汤姆逊被誉为:“一位最一位最先打开通向基本粒子物先打开通向基本粒子物理学大门的伟人理学大门的伟人.”19061906诺贝尔物理
6、学奖诺贝尔物理学奖 再加磁场B B后，射线不偏转，。qEBqBE/加电场E E后，射线偏转，阴极射线带负电。去掉电场E E后，射线成一圆形轨迹，求出荷质比。rmBq/22/rBEmq 电子电荷及质量及阿佛伽德罗常数电子电荷及质量及阿佛伽德罗常数112C 2 10kgeEmrB核质比191.03 10Ce315.15 10kgem191.602177 33 4910Ce319.1093897(54)10kgem191.59 10meC/1836.152701(37)pemm 质子与电子质量比-27 1 u1.660 540 2(10)10kg原子质量单位191eV1.60217733(49)10
7、J=11601.57K 原子的大小原子的大小23Avogadro 6.0221367(36)10AN 常数AFN eARN k13/33344AAAANr Nr 19031903年年Thomson提出提出 “葡萄干蛋糕葡萄干蛋糕”式原子式原子模型或称为模型或称为“西瓜西瓜”模型模型原子中正电荷和质量原子中正电荷和质量均匀分布在原子大均匀分布在原子大小小的弹性实心球内的弹性实心球内，电子就象电子就象西瓜里的瓜子那样嵌在这个球内西瓜里的瓜子那样嵌在这个球内。该模型对原子发光现象的解释该模型对原子发光现象的解释电子在其平电子在其平衡位置作简谐振动的结果衡位置作简谐振动的结果，原子所发出的光的原子所发
8、出的光的频率就相当于这些振动的频率。频率就相当于这些振动的频率。诺贝尔奖得主的幼儿园诺贝尔奖得主的幼儿园 卢瑟福一生至少培养了卢瑟福一生至少培养了10位诺贝尔奖得主位诺贝尔奖得主 尼尔斯尼尔斯.玻尔，玻尔，1922年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖保罗保罗.狄拉克，狄拉克，1933年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖詹姆斯詹姆斯.查德威克查德威克,1935年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖布莱克特布莱克特,1948年的诺贝尔物理奖年的诺贝尔物理奖 沃尔顿和考克劳夫特沃尔顿和考克劳夫特,1951诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖索迪，索迪，1921年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。赫维西，赫维西，1943年诺贝尔化学奖。年诺贝
9、尔化学奖。哈恩，哈恩，1944年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。鲍威尔，鲍威尔，1950年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。贝特，贝特，1967年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。卡皮查，卡皮查，1978年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。Ernest Rutherford 1908年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖1909卢瑟福盖革 马斯顿 粒子散射实验（年）后，发出微弱的光，当它碰到荧光屏粒子经过薄金属箔散射高速S观测到。再由显微镜MThomson “葡萄干蛋糕葡萄干蛋糕”式原子模型式原子模型212302122044Z Z e rrRRFZ Z erRr52Z10rad EMeVEaRFpvpm v靶核212
10、max204Z Z eFR4max210emppm电子79Au,5MeV,0.07E108400实验表明，大多数 粒子散射角很小，但也有18090，甚至有的达到大于的粒子emmAmm大角度散射！逐渐变小，不可能产生汤姆孙模型，子内的正电荷提供，按粒子斥力由金属箔中原JJ.内部通过受斥力会时受斥力最大，在原子粒子仅在原子边缘通过151010m10mZe原子的绝大部分质量和中全部正电荷集中于中心，线度左右，称为原子核，电子绕核旋转，受库仑引力作用，电子运动半径。1911卢瑟福的原子太阳系模型（年）212204Z Z eFr201.44fm M eV 4e有用的组合常数有用的组合常数库仑散射公式库仑
11、散射公式2120cot(/2)24Z Z eabaE其中称为库仑散射因子，称为瞄准距离（又称碰撞参数）ab1.3 卢瑟福散射公式卢瑟福散射公式证明证明：Mm假设靶核不动，取靶核处为坐标原点假设靶核不动，取靶核处为坐标原点,r带电粒子的坐标raEreZZrU02214)(带电粒子库伦势能带电粒子库伦势能 a的含义：带电粒子与原子核的距离为的含义：带电粒子与原子核的距离为a时，时，其库仑势能等于其库仑势能等于粒子的初始动能粒子的初始动能,rErUdtdrdtdrm)()()(21222mvbdtdmr2EaeZZrUar02214|)(带电子粒子在中心保守力场中运动，满足能量守恒和角动量守恒带电子
12、粒子在中心保守力场中运动，满足能量守恒和角动量守恒1)(22242rarbddrrb22barrrbdrd)0(),42sin(1122AACBxABxarcAdxCxBxAx1)/2(1 ,/2 ,1cos22ababddr边界条件边界条件min0rrr01cos002abtg/21)2/cot()2/cot(200)2/cot(2ab 0成立的假设条件是：成立的假设条件是：（i）只发生单次散射；）只发生单次散射；)2/cot(2ab（ii）只有库仑相互用）只有库仑相互用;（iii）核外电子的作用可以忽略；）核外电子的作用可以忽略；iv）靶核静止不动。）靶核静止不动。Ibd2 dNIb b
13、d2dNIbbd2sind dddsinbNbI dsinbdNIb2SR d2dNIbbdd2sincot22ab241dd4sin2a定义微分截面定义微分截面 24()1()()4sin(/2)Cdad 214sin2ab dddsinbNbI24()1()()4sin(/2)Cdad 物理意义：物理意义：入射粒子散射到入射粒子散射到 角方向单位立体角内每个原子角方向单位立体角内每个原子的有效散射截面的有效散射截面 221282()/110,()/CCm srbmb sr的单位：米球面度（）,通常以靶恩作为截面单位,以符号b表示，的常用单位。LLLLLLLmmmmEZZ2221222212
14、221sin)/(1sin)/(1cos)sin(2.5)(L系（实验室坐标系）系（实验室坐标系）tnmnAt靶核数靶核数总的微分散射截面总的微分散射截面dmdnAtd241dd4sin2dNaIddNmdI241d4sin2adnAt224411d4d4sinsin22dNadNanAtntIAI241d4sin2dNantN21204Z Z eaE4dd1 sin2NddNt2ddNE2ddNZ2240d1d4sin2NZentNE年年盖革盖革马斯马斯顿实验，查德维克顿实验，查德维克 由上两式及库仑散射公式可得由上两式及库仑散射公式可得 222121011224mZ Z eMMr1 mM
15、bMrR=310-14 m （金）（金）R=1.2 10-14 m （铜）（铜）10-14 m 10-15 m21202111142sinsin22mZ Z earE提出了原子的核式结构，即提出了以核为提出了原子的核式结构，即提出了以核为中心的概念中心的概念 粒子散射实验为人类开辟了一条研究微观粒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。子结构的新途径。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。卢瑟福模型的缺陷卢瑟福模型的缺陷卢瑟福模型的卢瑟福模型的3个困难个困难稳定性稳定性同一性同一性再生性再生性动能为动能为 5.0 MeV5.0 MeV的的
16、粒子被金核以粒子被金核以 90o角散射时，它的瞄准角散射时，它的瞄准距离（碰撞参数）为多大距离（碰撞参数）为多大?利用库仑散射公式利用库仑散射公式 2120222422 79 1.444522.8 fm2 5.0koZ ZaebctgctgEMeVfmctgMeV解：解：例题例题 cot22ab例例2.2.动能为动能为1.OMeV1.OMeV的窄质子束垂直地射到质量厚度为的窄质子束垂直地射到质量厚度为 l.5 mgl.5 mgcm2cm2的金箔上。若金箔中含有百分之三十的银，试求散射角大于的金箔上。若金箔中含有百分之三十的银，试求散射角大于3030度度的相对质子数为多少？银的原子序数为的相对质
17、子数为多少？银的原子序数为4747，原子量为，原子量为108108。NNNIS 2b222222122201323222223120113c(0.700.30)4423.142(1 1.44 10)1.5 104(1.0)79476.022 1015(0.700.30)1971085.8 10AZZZeNtgEAAMeV cmg cmMeVmol ctgg molg mol222221220c442AZZeNtgA E一束一束粒子垂直射至一重金属箔上，试求粒子垂直射至一重金属箔上，试求粒子被金属箔散粒子被金属箔散射后，散射角大于射后，散射角大于60的的粒子数与散射角大于粒子数与散射角大于90 的的粒粒子数之比。子数之比。22cc2222AANaSaNtgNNtgNSAA解：解：11NN212222cc3023c45c2tgtgtgtg
