绪论 第一章 原子的核式结构1概要

1原子物理学2课程说明原子物理学是物理学专业的一门重要基础课程。它上承经典物理，下接量子力学，属于近代物理的范畴。在内容体系的描述上，原子物理学采用了普通物理的描述风格，讲述量子物理的基本概念和物理图象，以及支配物质运动和变化的基本相互作用，并在此基础上，利用量子力学的思想和结论，讨论物质结构在原子、原子核以及基本粒子等结构层次的性质、特点和运动规律。3该课程分为三个层次：第一是成熟、已有定论的基本内容，要求学生掌握并能运用；第二是目前已取得最新研究成果，要求学生掌握其物理概念和物理图象；第三对于前沿研究课题内容，要求学生了解其研究方向。在内容上，它由原子物理和原子核两部分组成。主要讲授：绪论、原子的基本状况、原子的能级和辐射、量子力学初步、碱金属原子、多电子原子、磁场中的原子、原子的壳层结构、X射线等八章内容。教学时数为64学时。4通过原子物理学课的学习，不仅要掌握原子世界的基本规律，培养良好的自学能力和科研素质，还要学习物理学家们那种创造性研究问题的思想和方法，借以培养自己的创新能力。原子物理学的研究对象是电子、原子核、基本粒子。课程内容抽象枯燥。为了帮助学生建立清晰的物理图像，树立鲜明的物理思想，在讲授中我们充分发挥多媒体技术的优势，再现原子物理学重大发现的物理过程，避开量子力学复杂的数学计算，着重阐述基本概念和基本规律，建立具体的物理模型，引导学生主动把握所研究的对象，学会物理学的研究方法和研究思想，养成良好的自学习惯。5目录绪论第一章原子的基本状况第二章原子的能级和辐射第三章量子力学初步第四章碱金属原子第五章多电子原子第六章磁场中的原子第七章原子的壳层结构第八章X射线6绪论（讲授2学时、自学2学时）7教学内容一、原子物理学的研究对象、内容和研究方法二、原子物理学的发展历史三、原子物理学的地位、作用和研究前景8教学要求（1）掌握原子物理的研究对象、内容、特点和研究方法。（2）了解原子物理的发展历史及在材料科学、激光物理、生物物理等学科的应用（3）了解原子物理正在发展的学科前沿。9一、原子物理的研究对象、内容、研究方法研究对象原子物理学属近代物理学课程，它是研究物质在原子层次内由什么组成，它们如何作用，发生什么样的运动形态的理论。即主要研究原子结构与性质及有关问题。它是关于物质微观结构的一门科学。研究内容由原子物理和原子核两部分组成。原子物理部分从原子光谱入手，研究价电子的运动规律；从元素周期律和X射线入手研究内层电子的运动规律和排布。原子核部分主要研究核的整体性质、核力、核模型、核衰变、核反应、核能的开发和利用、以及基本粒子的一些知识。10研究方法：从光谱及实验资料入手，提出假设，建立模型，然后再进行实验验证，最后形成理论。正如恩格斯所说：“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。”二、原子物理学的发展历史1.古代的原子论：中国古代的原子论古希腊的原子论2.近代原子说3.19世纪末—20世纪初的原子说4.量子力学和现代原子物理学11三、原子物理学的地位、作用和研究前景1.原子物理学在材料科学中的应用2.原子物理学在宇观研究领域中应用：星际分子、宇宙起源等3.原子物理学在激光技术及光电子研究领域的应用4.原子物理学在生命科学领域中的应用5.原子物理学化学研究领域的应用………四、学习原子物理学应注意的问题1.实践是检验真理的标准2.科学是逐步地不断地发展的3.对微观体系不能要求都按宏观规律来描述4.要善于观察、善于学习、善于动脑、开拓进取，不断创新12思考题（1）简述原子物理学的研究对象、内容、特点和研究方法。（2）简述原子物理学的发展历史。（3）简述原子物理学在近代物理中作用和发展方向。（4）简述原子物理学在材料科学、激光物理、生物物理等学科的作用和应用。（5）举例说明原子物理在科技中的作用。13自学指导认真阅读褚书绪论部分，掌握原子物理的研究对象、内容、特点和研究方法，了解原子物理的发展历史、在科学研究中的地位和作用和学科前沿。14阅读参考文献（1）潘永祥编《自然科学概述》（北京大学出版社）第九章：19世纪末—20书记初的物理学革命。（2）方俊鑫，陆栋编《固体物理学》（上册）（上海科学技术出版社）绪论部分。（3）赵凯华编《定性与半定量物理学》（高等教育出版社）第三章数量级估计：物理世界的层次和基本物理常数；原子；原子核；分子和晶体部分。（4）W．C．丹皮尔著《科学史（及其与科学和宗教的关系）》（商务出版社）绪论、第十章物理学的革命部分（5）苟清泉编《原子物理学》（高等教育出版社）绪论部分。15第一章原子的基本状况（讲授6学时、自学6学时）16教学内容§1.1原子的质量和大小§1.2原子的核式结构模型17教学要求（1）掌握原子的静态性质；理解阿伏加德罗常数的物理意义。（2）掌握电子的发现、α粒子散射实验等实验事实。（3）掌握库仑散射公式和卢瑟福散射公式的推导。（4）掌握卢瑟福公式的实验验证、原子核大小的估计和原子的核式结构。18重点α粒子散射实验卢瑟福散射公式库仑散射公式原子的核式模型。难点库仑散射公式卢瑟福散射公式推导§1.1原子的和大小一、原子的质量二、原子的大小三、原子的组成一、原子的质量一百多种元素的原子，其质量各不相同。将自然界最丰富的12C的原子质量定为12个单位，记为12u，u为原子质量单位-27212()11()u==1.66010kg=931.5MeV/c12ggNNAA()(X)==AuAAgMN元素X的原子质量为A是原子量，代表一摩尔原子以克为单位的质量数。3143ANAr二、原子的大小将原子看作是球体,其体积为,一摩尔原子占体积为334r3(g/cm)ρ34(),3AAgrNπρ原子的半径为例如Li原子A=7，=0.7，rLi=0.16nm；Pb原子A=207，=11.34，rPb=0.19nm；ρρ是原子质量密度。三、原子的组成1897年汤姆逊从如右图放电管中的阴极射线发现了带负电的电子,并测得了e/m比。1910年密立根用油滴做实验发现了电子的电量值为e=1.602×10－19（c）从而电子质量是me=9.109×10－31kg=0.511MeV/c2=5.487×10－4u原子是由电子和原子核组成的,这是卢瑟福在1911年提出的原子模型。B_+E23§1.2原子核式结构模型一、汤姆逊原子模型二、粒子散射实验三、原子核式结构模型—卢瑟福模型四、库仑散射五、卢瑟福散射公式及实验验证六、粒子散射实验的意义及卢瑟福模型的困难一、汤姆逊原子模型汤姆逊提出原子的布丁(pudding)模型,认为正电荷均匀分布在半径为R的原子球体内,电子像布丁镶嵌在其中,如下图251903年英国科学家汤姆逊提出“葡萄干蛋糕”式原子模型或称为“西瓜”模型。汤姆逊正在进行实验26二、粒子散射实验检验汤姆逊模型的正确性目的原理带电粒子射向原子,探测出射粒子的角分布。27(a)侧视图(b)俯视图R:放射源F:散射箔S:闪烁屏B:圆形金属匣A:代刻度圆盘C:光滑套轴T:抽空B的管M:显微镜实验装置和模拟实验28大多数散射角很小，约1/8000散射大于90°；极个别的散射角等于180°。结果29Fvm)()(..v/vmaxMeV103MeVnm10MeVfm441221422425202202KKEZEZmRZeppRRZetFpP+Ze卢瑟福等人用质量为4.0034u的高速α粒子(带+2e电量)撞击原子,探测原子结构。按照布丁模型，原子只对掠过边界（R）的α粒子有较大的偏转。p30例如,EK=5.0MeV，Z(金)=79，θmax10-3弧度≈0.057o。要发生大于90o的散射，需要与原子核多次碰撞，其几率为10-3500!但实验测得大角度散射的几率为1/8000，为此，卢瑟福提出了原子有核模型。正电荷集中在原子中心结论31例3233用卢瑟福自己的话说:“这是我一生中从未有过的最难以置信的事件，它的难以置信好比你对一张白纸射出一发15英寸的炮弹，结果却被顶了回来打在自己身上，而当我做出计算时看到，除非采取一个原子的大部分质量集中在一个微小的核内的系统，是无法得到这种数量级的任何结果的，这就是我后来提出的原子具有体积很小而质量很大的核心的想法。”34三、原子核式结构模型—卢瑟福模型原子序数为Z的原子的中心,有一个带正电荷的核(原子核),它所带的正电量Ze,它的体积极小但质量很大,几乎等于整个原子的质量,正常情况下核外有Z个电子围绕它运动。四、库仑散射1.库仑散射角公式2.核大小的估算3.一些讨论1.核库仑散射角公式动能为EK的α粒子从无穷远以瞄准距离b射向原子核;在核库仑力作用下,偏离入射方向飞向无穷远,出射与入射方向夹角θ称散射角。这个过程称库仑散射。ipfpp假设：1.将卢瑟福散射看作是α粒子和原子核两个点电荷在库仑力作用下的两体碰撞。忽略原子中的电子的影响。2.在原子核质量Mmα（α粒子质量）时,可视为核不动,于是问题化为单质点m在有心反平方库仑斥力作用下的运动问题。我们关心从无限远来的α粒子（初态）经库仑力作用后又飞向无穷远的运动状态（末态）。由机械能守恒因而动量守恒有Pf=Pi=mv在作用区动量的变化ΔP可由库仑力的冲量定理给出dddtFdtFmppcoscos2sin22sin2v在有心力场中角动量守恒，将代入上式积分bmmrLv22cot2ab称库仑散射公式。其中)22sin(24cos42sin202212)(2)(0221beZZdbeZZmvvv22121,42kKzzeaEmvEv40bZeu222M042Ctg2241220CtgMuZeb41042Ctg为了简化，设想粒子和原子核做对心碰撞。那么在最近距离a处，动能为零。aZeFaE0242abbZeu22M2242例题2.核大小的估算取轨道近日点距作为核大小的量度,在近日点有222221212222221124241411cot1csc22222KmmmmmmZZeZZebaLmvErmrrrraaaabrvmz1ez2erm特别是当θ=π，rm=a,a是粒子将全部动能转化为势能时的距离，即2124KZZeEa44mrrm=3×10-14m（金）rm=1.2×10-14m（铜）rm=2×10-14m（银）PocRa21484mr))2/sin(11(241220Muzerm放出的粒子，~150°理论仍然有效，V~0.064C金薄箔Z=79，计算出：45原子半径数量级为10-10米，原子核半径数量级为10-15-10-14米，相差4-5个数量级，面积相差8-10个数量级，体积相差12-15个数量级。若把原子放大到足球场地那么大，则原子核相当于场地中心的一个黄豆粒。可见原子中是非常空旷的。库仑散射公式只在库仑力作用下才成立，在小角度散射下,当α粒子进入原子中时,由于内层电子对核的屏蔽作用,这时α粒子感受到非库仑力的作用,上公式不再成立；当rm≤R核＋rα时，核力作用将影响散射，公式也不成立。考虑核的反冲运动时,必须作两体问题处理，引入折合质量可化为µ在固定力心库仑场中的运动，故散射公式不变，但公式中3.一些讨论,MmmM)(2214,2cos2ckcccEeZZaab散射公式为cKLKEE)()(的关系为和cLc)()()(质心系动能质心系动能ccKKEE)()(1cKLKEMmE47例题481.卢瑟福散射公式的推导2.卢瑟福散射公式的实验验证五、卢瑟福散射公式及实验验证1.卢瑟福散射公式的推导实验并不能观测单个α粒子的散射过程。卢瑟福散射实验是将放射源（如214Po）在单位时间内放出的N个α粒子均匀射向面积为A的靶面上，经核库