原子物理学讲义new

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1、《原子物理学》教案课程简介：《原子物理学》是在经典物理课程（力学、热学、电磁学、光学）之后的一门重要必修课程。它上承经典物理，下接量子力学，属于近代物理的范畴。它以力、热、光、电磁等课程的知识为基础，从物理实验规律出发，引进量子化概念，探讨原子、原子核及基本粒子的结构和运动规律，从微观机制解释物质的宏观性质，同时介绍原子物理学知识在现代科学技术上的重大应用。本课程强调物理实验的分析、微观物理概念和物理图像的建立和理解。通过本课程教学，使学生初步了解物质的微观结构和运动规律，了解物质世界中三个递进的结构层次，为学习量

2、子力学和后续专业课程打下基础。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像，以及支配物质运动和变化的基本相互作用。该课程大致分为三个层次：第一是成熟、已有定论的基本内容，要求学生掌握并能运用；第二是目前已取得的最新研究成果，要求学生明确其物理概念和物理图像；第三是前沿研究课题内容，要求学生了解并知道其研究方向。本课程注重智能方面的培养，力求讲清基本概念，而大多数问题需经学生通过阅读思考去掌握。部分内容由学生自行学习。本课程原则上采用SI单位制，同时在计算中广泛采用复合常数

3、以简化数值运算。[通常用Å（1Å=10-10m）描写原子线度，用()描写核的线度，用、描述原子和核的能量等。]第一章原子的位形：卢瑟福模型§1-1背景知识“原子”概念（源于希腊文，其意为“不可分割的”）提出已2000多年，至19世纪，人们对原子已有了相当的了解。由气体动理论知，1原子物质含有的原子数是。因此可由原子的相对质量求出原子的质量，如最轻的氢原子质量约为；原子的大小也可估计出来，其半径是()量级。这些是其外部特征，深层的问题：原子为何会有这些性质？原子的内部结构是怎样的？一、电子的发现1879年，克鲁克斯(

4、英)以实验说明阴极射线是带电粒子，为电子的发现奠定基础。1883年，法拉第(英)提出电解定律，据此推得：1任何原子的单价离子均带有相同的电量。由此可联想到电荷存在最小的单位。1881年，斯通尼(英)提出用“电子”这一名子来命名这些电荷的最小单位。1897年，汤姆逊（，81856-1940，英，15岁进入欧文学院读书，20岁进入剑桥三一学院学习，在其94岁高龄的一生中，一直在剑桥教书和研究。自27岁起任卡文迪许实验室主任共34年。因发现电子而获1906年诺贝尔物理学奖。）通过实验确认电子的存在。高真空放电管中的阴极射

5、线经狭缝约束后成一窄束射线，通过电场和磁场后到达荧屏，从其偏转可判断所受的电场力和磁场力，从而算得电子的荷质比。在汤姆逊之前，赫兹（德）做的类似实验未发现射线偏转（因高真空不易实现），误认为阴极射线不带电。休斯脱做过氢放电管中阴极射线偏转的研究，得出阴极射线粒子的荷质比为氢离子的千倍以上。但自己认为此结果是荒谬的，因为他认为射线粒子应比氢原子大。在1897年考夫曼（德）也做过与汤姆逊类似的实验且结果更精确，但他不承认阴极射线是粒子的假设，直到1901年才将实验结果公布。二、电子的电荷和质量精确测定电子电荷的是密立根

6、（美）油滴实验（1910年）,得出电子电荷的值，再由之值求得电子质量。密立根并据此发现电荷是量子化的。（电荷为何是量子化的机制至今仍未解决）是原子物理学中两个重要的无量纲常数之一（另一个为精细结构常数）。此常数决定了原子物理学的主要特征，物理学至今无法从第一性原理导出此常数。由此还可得出（在估算中可当作一个u）按照相对论质能关系，可得出，这是微观物理学中用能量单位表示质量的常用方法。三、阿伏伽德罗常数：物质的所含是粒子数目与12克的原子数目相当。是联系宏观量与微观量的重要常数，起到桥梁的作用。物质质量单位g与原子质

7、量单位u之比为，()；在热学中有；在电学中法拉第常数F也是通过与e相联系的，有。(法拉第常数F：产生１摩尔的任何物质所需的电量为96493库仑，或表示为)四、原子大小的估算　1)从晶体中原子的规则排列估计：设原子挨排，某种原子的质量密度为，球形原子半径为r，则有8。据此式可估算出不同原子的半径(详见教材)，知不同原子的半径相差不大，其数量级为Å（1Å=10-10m)，这是经典物理学无法解释的。2)从气体动理论估计：气体平均自由程，式中n为分子数密度，d为分子直径。若由实验得出和n，则可求出分子半径r。单原子分子的半

8、径即为原子半径，简单分子的半径的数量级与其原子半径的数量级相同。3)从范德瓦尔斯方程估计：在中，b值按理论应为分子体积的4倍，由实验得出b即可确定分子半径，其数量级与原子半径相同。用不同的方法估算出的原子半径有些出入，但数量级都是10-10m。§1.2卢瑟福模型一、卢瑟福模型的提出在汤姆逊发现电子之后，为解释原子中正负电荷分布的问题，曾先后有多种模型。1.汤