原子物理 绪论.ppt

原子物理学 褚圣麟参考书：褚圣麟，苟清泉，谷建中，杨福家 原子物理学绪 论1.发展史及研究内容 物理学是研究物质世界中物体运动的最一般规律和物质 物质世界按其尺度的大小,可分为宇观宏观微观 原子的概念两千年前就提出了,而我们学习的原子物 基本结构的学科.理学,即建立在科学基础上的原子学说,则是从20世纪初才开始形成的一门学科(属于近代物理)。天体物理经典物理量子物理“原子”一词来自希腊文，意思是“不可分割的”。在公元前4世纪，古希腊哲学家德漠克利特(Democritus)提出这一概念，并把它看作物质的最小单元。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又为人们所接受，著名学者伽利略（Galileo）、笛卡儿（Ren Descartes）、波义耳（Robert Boyle）、牛顿（Isaac Newton）都支持这种观点。在十九世纪，人们在大量的实验中认识了一些定律，如：定比定律：元素按一定的物质比相互化合。若两种元素能生成几种化合物，则在这些化合物中，与一定质量的甲元素化合的乙元素的质量，互成简单整数比。倍比定律：在我国，早在战国时期（公元前476 221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，最著名的战国时期的墨家。墨经中说：“端：体之无序最前者也。”意思是说：“端”是组成物体（“体”）的不可分割（“无序”）的最原始的东西（“最前者”）。“端”就是原子的概念。“端”为什么不可分割呢？因为“端是无同也”，意思是：一个“端”里没有共合的东西，所以不可以分割。那个时代的惠施（惠子）说：“至小无内，谓之小一”意思是：“小一”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。孔子在中庸中说：“语小，天下莫能破焉。”儒学大师，宋朝的朱熹解释说：“天下莫能破是无内，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，更不容破了。”“至小无内，谓之小一”是中国古代一个意义深刻的哲学思想。严复翻译的穆勒名学一书中，首次把原子（Atom）一词介绍到我国，当时把Atom译为莫破，Atom Theory译为莫破质点论。主张物质可以无限分割的一派中，以战国时期的公主张物质可以无限分割的一派中，以战国时期的公孙龙为代表，孙龙为代表，他的名言：他的名言：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。一尺之棰，日取其半，万世不竭。”这是公孙龙二千多年前的猜想，正在接受现代科学这是公孙龙二千多年前的猜想，正在接受现代科学的检验。的检验。1893年道尔顿提出了他的原子学说，他认为:1.一定质量的某种元素，由极大数目的该元 素的原子所构成；2.每种元素的原子，都具有相同的质量，不同元素的原子，质量也不相同；3.两种可以化合的元素，它们的原子可能按 几种不同的比率化合成几种化合物的分子。n n 2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1717世纪世纪1919世纪）世纪）n n 1717世纪：波义耳建立气体定律，演示气体很容易被压缩世纪：波义耳建立气体定律，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隔的小颗粒组成，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。也说明物质是不连续的。n n 1818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”，这里的原，这里的原子实际上是分子，所以应是子实际上是分子，所以应是“分子动力论分子动力论”。它揭示气。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，气体立刻充满整个容器，这器中，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。它说明物质是不连续的。是分子运动的结果。它说明物质是不连续的。n n1919世纪：世纪：18061806年法国人普鲁斯脱在化学中发现定组成定律，即：年法国人普鲁斯脱在化学中发现定组成定律，即：任何组成化合物的元素都有固定的比值。任何组成化合物的元素都有固定的比值。如：一氧化碳如：一氧化碳COCO，二氧化碳，二氧化碳COCO22 3:4 3:83:4 3:8 1807 1807年英国人道尔顿发现倍比定律，如：一氧化碳年英国人道尔顿发现倍比定律，如：一氧化碳COCO与二氧化碳与二氧化碳COCO22中氧中氧OO的比值是的比值是11：22。这说明氧在一氧化。这说明氧在一氧化碳碳COCO，二氧化碳，二氧化碳COCO22中是一个颗粒。中是一个颗粒。道尔顿这里讲的是气体，但也可以推广到其它物质形道尔顿这里讲的是气体，但也可以推广到其它物质形态。由此道尔顿建立了态。由此道尔顿建立了“原子原子”的概念，即；原子是元素的概念，即；原子是元素的最小单位，它不能用化学方法进行分割。的最小单位，它不能用化学方法进行分割。此外，此外，18061806年法国人盖年法国人盖吕萨克发现气体化合时，各吕萨克发现气体化合时，各气体的体积成简比的定律，并由此认为元素体积在相等体气体的体积成简比的定律，并由此认为元素体积在相等体积中的重量应正比于它的原子量。积中的重量应正比于它的原子量。18111811年意大利人阿伏伽德罗，提出阿伏伽德罗假说：年意大利人阿伏伽德罗，提出阿伏伽德罗假说：同体积气体在同温同压下含有同数之分子。同体积气体在同温同压下含有同数之分子。18261826年英国人布朗观察到液体中悬浮微粒作无规则的年英国人布朗观察到液体中悬浮微粒作无规则的起伏运动，即：布朗运动。起伏运动，即：布朗运动。18331833年法国人法拉第提出电解定律，年法国人法拉第提出电解定律，18691869年俄国人门捷列夫提出元素周期表。年俄国人门捷列夫提出元素周期表。这些都为原子概念的建立起到过作用。这些都为原子概念的建立起到过作用。原子结构理论 世纪之交的三大发现：1895年德国物理学家伦琴（）发现X射线。获得首届诺贝尔物理学奖（1901年）；1896法国物理学家贝克勒尔（）发现放射性，与居里夫妇共同获得1903年的诺贝尔物理学奖；1897年英国物理学家汤姆逊（）发现电子。获得1906年的诺贝尔物理学奖。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。1897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。这些正电荷是怎样分布的呢？汤姆逊提出了一个模型（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，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。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“原子不可分割”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究打开了道路。n n 19111911年卢瑟福在进行粒子散射实验中，根据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姆逊模型。出现的大角度散射事实否定汤姆逊模型。他提出了一个原子的核式结构。这个模型正确指他提出了一个原子的核式结构。这个模型正确指出出 正电荷和电子的分布，但没有讲电子和原子核怎正电荷和电子的分布，但没有讲电子和原子核怎么样运动。么样运动。这是根据经典物理学中电动力学理论，电子绕原子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，损失能量，轨道半径将越来核运动将发射电磁波，损失能量，轨道半径将越来越小，最后靠近原子核，即是原子是不稳定的，与越小，最后靠近原子核，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。实验上观察到的原子是稳定的实验事实不符。19121912年玻尔根据卢瑟福的原子核式结构模型，普朗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尔的氢原子理论，克的量子论和光谱实验资料提出了玻尔的氢原子理论，这是一个类似行星围绕太阳旋转的模型，是一个动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。态的模型。这个理论取得很大的成功，如：很好地解释的氢原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。但不能处理氦原子等复杂子光谱，类氢离子光谱等。但不能处理氦原子等复杂原子系统，原子光谱的强度问题。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子力学逐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动规律比较完善渐发展完善，成为解释原子性质的运动规律比较完善的理论。的理论。19101897Einsteins Photons1905Thomson discovers the electron Rutherford Experiment1900Plancks Quantum Theory(Max Planck)1913Bohrs atomic Model(Niels Bohr)1924De Broglie Waves(Louis De Broglie)19281925Indeterminacy Principle(W.Heisenberg)1927Quantum Mechanics(Heisenberg,Max Born)Copenhagen Interpretation(Bohr,Heisenberg,Shrdinger)1926The Wave equation(Erwin Shrdinger)Complementarity Principle:Knowledge of atomic and molecular-scale phenomena is essentially incomplete until both particle and wave aspects of it are known.Paul DiracRobert Oppenheimer194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。原子物理学的作用：原子物理学与现代生产有广泛的联系。20原子物理学的应用：原子弹、氢弹：巨大的杀伤性武器,国外有人设想用原子弹深钻地球，国内有人设想用原子弹炸开昆仑山。核能发电：激光器：时间频标：铯原子钟，可达30万年误差不超过一秒，在航天测量中有重要作用。X射线：医学上用于检查身体，特别是CT（断层扫描），是与电子计算机结合的产物。工业上用于探伤，测厚。海关用于检查货箱中货物，不用开箱就可以知道货箱中的货物，有效打击走私。软X射线激光器，声纳的理想替代品。农业：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。三、原子核物理的发展n n 1.贝克勒尔1896年发现铀的放射现象，是人类第一次在实验室观察到原子核现象。n n 2.查德威克1932年发现中子打破了原子核。n n 3.哈恩和史特拉斯曼1939年发现铀分裂。n n 4.在奥本海默领导下，美国于1945年爆炸了第一颗原子弹。n n 5.在泰勒领导下，美国于1952年爆炸了第一颗氢弹。23四、粒子物理的发展1.“基本”粒子不断发现查德威克1932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“基本粒子”。24n n 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、超子（质子和中子两种核子，又称为重子；质量超过核子的粒子称为超子）等。n n 目前发现的基本粒子已超过35种，同时，基本粒子互相碰撞时，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，这称为共振态或激发态。n n 如果说将这样的短期结合也看作基本粒子，那么，“基本粒子”已超过四百种，这就是所谓的“基本粒子不基本”的问题。2.强子有结构“基本粒子”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，一切带电粒子和具有磁矩的粒子之间的电磁相互作用是以光子为媒介。第二类：轻子，弱相互作用，包括电子、中微子和 子。第三类：强子，强相互作用，强子分为两类，重子和介子。重子包括质子、中子、超子、超子、超子和 超子。介子包括 介子、介子和 介子。以上粒子还应包括它们的反粒子。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：1932年斯特恩首先测量出质子有磁矩，不久又测出中子有磁矩，这显示质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，发现质子电荷有分布，电荷半径为，又用高速成电子轰击中子，也发现中子电荷有分布，电荷半径为，内部有正电及负电。这更显示质子和中子不是点粒子，有内部结构。在1970年，用能量很高的京电子轰击质子，把质子打碎，看到“卢瑟福散射的影子”，质子是由一些“硬心”组成。n n 3.夸克模型n n 1964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的层子模型。n n 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36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和一种反夸克组成。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：上面所说的原子物理，原子核物理、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，需要作很大的努力。29六、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，特别是近代物理的发展。量子论：从连续到不连续。相对论：从绝对时空到相对时空。原子从不可分割到可分割，原子核从不可分割到可分割，质子和中子从不可分割到可分割。从质能无关到质能相关。物理学将不断创新，不断发展。