近代物理基础-第一章.ppt

近代物理基础 物理与光电工程学院丁洪斌教授 近代物理学基础 目录 结束 牛顿力学 麦克斯韦电磁场理论 热力学与经典统计理论 19世纪后期 经典物理学的三大理论体系使经典物理学已趋于成熟 两朵乌云 TroubleswithClassicalPhysics 迈克耳逊 莫雷 以太漂移 实验 黑体辐射实验 狭义相对论 量子力学 相对论 A 爱因斯坦 20世纪最伟大的物理学家1879年3月14日生于德国乌尔姆 1900年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学 1905年 爱因斯坦在科学史上创造了史无前例的奇迹 这一年的3月到9月的半年中 利用业余时间发表了6篇论文 在物理学3个领域作出了具有划时代意义的贡献 创建了光量子理论 狭义相对论和分子运动论 爱因斯坦在1915年到1917年3年中还在3个不同领域做出了历史性的杰出贡献 建成广义相对论 辐射量子理论和现代科学的宇宙论 爱因斯坦获得1921年的诺贝尔物理学奖 量子理论代表人物 普朗克 玻尔 薛定谔 海森堡 狄拉克等 1900年普朗克提出 量子 概念解释黑体辐射 其后玻尔发表氢原子量子论 薛定谔建立量子波动力学 海森堡提出测不准原理和矩阵力学 狄拉克建立相对论量子力学 普朗克假設物質 原子 和輻射 電磁輻射 交換能量時 吸收和放射 是以有限的單位 進行的 這基本單位 稱為量子 quantum 即必交換 2 3 等 的整數倍 不能以 的非整數倍來進行能量交換 這量子與頻率 成正比 即 h h稱為普朗克常數 其值為6 63 10 34焦耳 秒 第二部 原子结构及量子力学主要内容 原子的构形 卢瑟福模型 1 原子的量子态 玻尔模型 2 原子的精细结构 电子的自旋 3 多电子原子 泡利原理 4 5 X射线 量子力学导论 6 7 分子结构 第二部 目录 结束 课程安排 a 作业 平时表现20 b 期末考核80 丁洪斌 hding 助教 吴兴伟 atongmu620 第二部 目录 结束 参考教材 1 杨桂林 近代物理 科学出版社 2004 2 徐克尊 近代物理学 中国科学技术大学出版社 2008 3 凯格纳克 裴贝 裴罗拉 近代原子物理学 科学出版社 1980 4 威切曼 量子物理学 科学出版社 1979 第一章 原子的位形 卢斯福模型 第一节背景知识 第二节卢斯福模型的提出 第三节卢斯福散射公式 第四节卢斯福公式的实验验证 第五节行星模型的意义及困难 结束 第一节 背景知识 第一章 原子的位形 卢斯福模型 原子 atom 一词来自希腊文 意思是 不可分割的 关于卢斯福 原子 电子 结束 目录 next back 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 中国古代提出 端 无内 莫破 等类似概念 困难 不能解释光 电 热等物理现象和燃烧等化学过程 第一节 背景知识 第一章 原子的位形 卢斯福模型 原子 电子 关于卢斯福 结束 目录 next back 1811年 阿伏加德罗Avogadro 化学原子学说 1808年 道尔顿Dalton 化学反应中 原子不可分解 性质不变 不同元素的原子不同 每种原子有确定原子量 气体由分子组成 分子由原子组成 1869年 门捷列夫Mendeleev 发现元素周期律 预言新元素 近代原子物理序幕 同温同压的同体积气体含相同数目的分子 19世纪末 三大发现 X射线 1895 放射性 1896 电子 1897 第一节 背景知识 第一章 原子的位形 卢斯福模型 原子 电子 关于卢斯福 结束 目录 next back 原子是物质结构的一个层次 介于分子和原子核之间 1911年 Rutherford 原子核式结构模型 1913年 Bohr 原子量子理论 解释氢光谱 1923 1927 量子力学诞生 成功解释原子现象 1960 s激光器的发明激光与原子的相互作用 激光制冷 超冷原子BEC 第一节 背景知识 第一章 原子的位形 卢斯福模型 当原子学说逐渐被人们接受以后 人们又面临着新的问题 原子 电子 关于卢斯福 结束 目录 next back 问题 组成成分 结构和相互作用 内部运动 原子是最小的粒子吗 在学习这门课的时候 一部分问题的谜底会逐渐揭开 第一节 背景知识 第一章 原子的位形 卢斯福模型 电子是原子的组成之一 电子的发现并不是偶然的 在此之前已有丰富的积累 1811年 阿伏伽德罗 A Avogadno 定律问世 提出1mol任何原子的数目都是6 022 1023个 1833年 法拉第 M Faraday 提出电解定律 1mol任何原子的单价离子永远带有相同的电量 即法拉第常数 原子 电子 关于卢斯福 结束 目录 next back 第一节 背景知识 第一章 原子的位形 卢斯福模型 1874年 斯迪尼 G T Stoney 综合上述两个定律 指出原子所带电荷为一个电荷的整数倍 斯迪尼提出 用 电子 来命名这个电荷的最小单位 但实际上确认电子的存在 却是20多年后汤姆逊的工作 1897年 汤姆逊 J J Thomson 发现电子 通过阴极射线管中电子荷质比的测量 汤姆逊 J J Thomson 预言了电子的存在 原子 电子 关于卢斯福 结束 目录 next back 第二节 卢斯福模型的提出 第一章 原子的位形 卢斯福模型 卢瑟福1871年8月30日生于新西兰的纳尔逊 毕业于新西兰大学和剑桥大学 1907年 任曼彻斯特大学物理学教授 1908年因对放射化学的研究荣获诺贝尔化学奖 1919年任剑桥大学教授 并任卡文迪许实验室主任 1931年英王授予他勋爵的桂冠 1937年10月19日逝世 关于卢斯福 原子 电子 结束 目录 next back 第二节 卢瑟福模型的提出 第一章 原子的位形 卢斯福模型 在汤姆逊 Thomson 发现电子之后 对于原子中正负电荷的分布他提出了一个在当时看来 较为合理 的模型 如能部分解释周期表 即原子中带正电部分均匀分布在原子体内 电子镶嵌在其中 人们称之为 葡萄干面包模型 Rutherford模型的提出 Thomson模型 散射实验 Thomson模型的失败 结束 目录 next back 第二节 卢瑟福模型的提出 第一章 原子的位形 卢斯福模型 为了检验汤姆逊模型是否正确 卢瑟福于1911年设计了 粒子散射实验 实验中观察到大多数粒子穿过金箔后发生约一度的偏转 但有少数 粒子 1 8000 偏转角度很大 超过90度以上 甚至达到180度 对于 粒子发生大角度散射的事实 无法用汤姆逊 Thomoson 模型加以解释 几率1 103500 除非原子中正电荷集中在很小的体积内时 排斥力才会大到使 粒子发生大角度散射 在此基础上 卢瑟福 Rutherford 提出了原子的核式模型 Rutherford模型的提出 Thomson模型 散射实验 Thomson模型的失败 结束 目录 next back 第二节 卢斯福模型的提出 第一章 原子的位形 卢斯福模型 汤姆逊 Thomson 模型认为 原子中正电荷均匀分布在原子球体内 电子镶嵌在其中 原子如同西瓜 瓜瓤好比正电荷 电子如同瓜籽分布在其中 同时该模型还进一步假定 电子分布在分离的同心环上 每个环上的电子容量都不相同 电子在各自的平衡位置附近做微振动 因而可以发出不同频率的光 而且各层电子绕球心转动时也会发光 这对于解释当时已有的实验结果 元素的周期性以及原子的线光谱 似乎是成功的 Rutherford模型的提出 Thomson模型 散射实验 Thomson模型的失败 结束 目录 next back 第二节 卢瑟福模型的提出 第一章 原子的位形 卢斯福模型 粒子散射实验是卢瑟福于1911年设计的 后来根据实验的结果 卢斯福否定了汤姆逊模型并提出了原子的核式模型 Rutherford模型的提出 Thomson模型 散射实验 Thomson模型的失败 结束 目录 next back 卢瑟福模型 第二节 卢斯福模型的提出 第一章 原子的位形 卢斯福模型 实验装置如上图所示 放射源R中发出一细束 粒子 直射到金属箔上以后 由于各 粒子所受金属箔中原子的作用不同 所以沿着不同的方向散射 荧光屏S及放大镜M可以沿着以F为中心的圆弧移动 当S和M对准某一方向上 通过F而在这个方向散射的 粒子就射到S上而产生闪光 用放大镜M观察闪光 就能记录下单位时间内在这个方向散射的 粒子数 从而可以研究 粒子通过金属箔后按不同的散射角 的分布情况 Rutherford模型的提出 Thomson模型 散射实验 Thomson模型的失败 结束 目录 next back 第二节 卢斯福模型的提出 第一章 原子的位形 卢斯福模型 Rutherford模型的提出 Thomson模型 散射实验 Thomson模型的失败 结束 目录 next back 第二节 卢斯福模型的提出 第一章 原子的位形 卢斯福模型 粒子散射实验观察到 被散射的粒子大部分分布在小角度区域 但是大约有1 8000的粒子散射角 90度 甚至达到180度 发生背反射 粒子发生这么大角度的散射 说明它受到的力很大 汤姆逊模型是否可以提供如此大的力 我们来看一看这两个模型对应的力场模型 Rutherford模型的提出 Thomson模型 散射实验 Thomson模型的失败 结束 目录 next back 第二节 卢斯福模型的提出 第一章 原子的位形 卢斯福模型 由于核式模型正电荷集中在原子中心很小的区域 所以无限接近核时 作用力会变得的很大 而汤姆逊模型在原子中心附近则不能提供很强的作用力 Rutherford模型的提出 Thomson模型 散射实验 Thomson模型的失败 结束 目录 next back 第二节 卢斯福模型的提出 第一章 原子的位形 卢斯福模型 对于汤姆逊模型而言 只有掠入射 r R 时 入射 粒子受力最大 设为Fmax 如上图 我们假设 粒子以速度V射来 且在原子附近度过的整个时间内均受到Fmax的作用 那么会产生多大角度的散射呢 Rutherford模型的提出 Thomson模型 散射实验 Thomson模型的失败 结束 目录 next back 第二节 卢斯福模型的提出 第一章 原子的位形 卢斯福模型 如果以能量为5MeV的 粒子轰击金箔 最大偏转角为 即在上述两种情形下 粒子散射角都很小 故Tomson模型不成立 Rutherford模型的提出 Thomson模型 散射实验 Thomson模型的失败 结束 目录 next back 第二节 卢瑟福模型的提出 第一章 原子的位形 卢斯福模型 粒子散射实验否定了汤姆逊的原子模型 根据实验结果 卢瑟福于1911年提出了原子的核式模型 原子中心有一个极小的原子核 它集中了全部的正电荷和几乎所有的质量 所有电子都分布在它的外围 卢瑟福根据设想的模型 从理论上推导出散射公式 并被盖革 马斯顿实验所验证 核式模型从而被普遍接受 Rutherford模型的提出 Thomson模型 散射实验 Thomson模型的失败 结束 目录 next back 卢瑟福模型 第二节 卢斯福模型的提出 第一章 原子的位形 卢斯福模型 Rutherford模型的提出 Thomson模型 散射实验 Thomson模型的失败 结束 目录 next back 第三节 卢斯福散射公式 第一章 原子的位形 卢斯福模型 库仑散射公式 Rtherford公式 结束 目录 next back 第三节 卢斯福散射公式 第一章 原子的位形 卢斯福模型 上一页的图描述了入射速度为V 电荷为的带电粒子 与电荷为的靶核发生散射的情形 当粒子从远离靶核处射过来以后 在为库仑力的作用下 粒子的运动偏转了 角 可以证明 散射过程有下列关系 其中b是瞄准距离 表示入射粒子的最小垂直距离 为库仑散射因子 Rtherford公式 库仑散射公式 结束 目录 next back 第三节 卢斯福散射公式 第一章 原子的位形 卢斯福模型 散射公式推导 设入射粒子为 粒子 在推导库仑散射公式之前 我们对散射过程作如下假设 1 假定只发生单次散射 2 假定粒子与原子核之间只有库仑力相互作用 Rtherford公式 库仑散射公式 结束 目录 next back 3 忽略核外电子的作用 4 假定原子核静止 第三节 卢斯福散射公式 第一章 原子的位形 卢斯福模型 牛顿第二定律可得 Rtherford公式 库仑散射公式 原子的角动量守恒可得 系统机械能守恒可得 系统角动量守恒可得 第三节 卢斯福散射公式 第一章 原子的位形 卢斯福模型 Rtherford公式 库仑散射公式 结束 目录 next back 其中 得到 粒子散射偏转角 库伦散射 公式 b与 之间有着对应关系 瞄准距离b减小 则散射角 增大 但要想通过实验验证 却存在困难 因为瞄准距离b仍然无法准确测量 所以对上式还需要进一步推导 以使微观量与宏观量联系起来 第三节 卢斯福散射公式 第一章 原子的位形 卢斯福模型 库仑散射公式对核式模型的散射情形作了理论预言 它是否正确只有实验能给出答案 但目前瞄准距离b仍然无法测量 因此必须设法用可观察的量来代替b 才能进行相关实验 库仑散射公式 Rtherford公式 结束 目录 next back 第三节 卢斯福散射公式 第一章 原子的位形 卢斯福模型 卢瑟福完成了这项工作 并推导出了著名的卢瑟福公式 Rutherford公式推导 首先 我们来看看只有一个靶原子核时的情形由库仑散射公式 我们知道 随着瞄准距离b的减小 散射角 增大 参考下图 可见瞄准距离在b b db之间的粒子 必然被散射到 d 之间的空心圆锥体之中 库仑散射公式 Rtherford公式 结束 目录 next back 第三节 卢斯福散射公式 第一章 原子的位形 卢斯福模型 库仑散射公式 Rtherford公式 结束 目录 next back 为对应的空心圆锥体的立体角 上图所示环的面积为 第三节 卢斯福散射公式 第一章 原子的位形 卢斯福模型 在立体角内 设靶的总面积为A 靶上原子核单位密度为n 靶的厚度为t 则靶上的总原子核为nAt个 那么相应于d 立体角的总散射面积为 库仑散射公式 Rtherford公式 结束 目录 next back 对一个入射 粒子而言 被散射到 d 内的几率为 在实际测量中 常引入微分截面来描述散射几率 微分截面定义 靶的单位面积内的每个靶原子核 将 粒子散射到 方向单位立体角的几率 第三节 卢斯福散射公式 第一章 原子的位形 卢斯福模型 微分截面 这就是著名的卢瑟福公式 库仑散射公式 Rtherford公式 结束 目录 next back 物理意义 入射粒子散射到角方向单位立体角内每个原子的有效散射截面 即散射到该区的粒子几率大小 的单位 米2 球面度 m2sr 1 通常以靶恩作为截面单位 用符号b表示 1b 10 28m 2 的常用单位是b sr 第四节 卢瑟福公式的实验验证 第一章 原子的位形 卢斯福模型 由卢瑟福公式 我们可以作出如下预言 2 在 粒子能量及偏转角固定时 被散射的 粒子数与金属箔厚度成正比 预言 卢瑟福公式实验装置 R原子核大小的估计 结束 目录 next back 1 一定能量的 粒子 被一定的金属箔散射时 在角方向单位立体角中的粒子数与成反比 第四节 卢瑟福公式的实验验证 第一章 原子的位形 卢斯福模型 预言 卢瑟福公式实验装置 R原子核大小的估计 结束 目录 next back 3 偏转角和金属箔厚度固定时 散射的粒子数与 粒子能量的平方成反比 4 散射粒子数与Z2成正比 Ze是原子核的正电荷 从而可以测定Z 1913年 盖革与马斯顿利用下一页图的仪器进行实验 结果表明上述四点都与实验吻合 第四节 卢瑟福公式的实验验证 第一章 原子的位形 卢斯福模型 预言 卢瑟福公式实验装置 R原子核大小的估计 结束 目录 next back 估算原子核的大小 第一章 原子的位形 卢斯福模型 原子核有一定的大小 我们以入射粒子与原子核接近时的最小距离rm作为核的大小 当 粒子在势场中运动时 在任意时刻t有 由角动量守恒得 1 2 预言 卢瑟福公式实验装置 R原子核大小的估计 结束 目录 next back 第五节 行星模型的意义及困难 第一章 原子的位形 卢斯福模型 卢瑟福模型提出了原子的核式结构 在人们探索原子结构的历程中踏出了第一步 可是当我们进入原子内部准备考察电子的运动规律时 却发现与已建立的物理规律不一致的现象 1 原子的稳定性 经典物理学告诉我们 任何带电粒子在作加速运动的过程中都要以发射电磁波的方式放出能量 那电子在绕核作加速运动的过程就会不断地向外发射电磁波而不断失去能量 以致轨道半径越来越小 最后湮没在原子核中 并导致原子坍缩 然而实验表明原子是相当稳定的 结束 目录 next back 第一章 原子的位形 卢斯福模型 第五节 行星模型的意义及困难 结束 目录 next back 目录 结束 本章结束 谢谢观赏