《原子物理学》(杨福家)讲义

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1、《原子物理学》讲义教材：杨福家《原子物理学》高等教育出版社.2000.7第三版参考教材：褚圣麟《原子物理学》人民教育出版社.1979.6第一版作者简介：1936年6月出生于上海，著名科学家，中科院院士。1958年复旦大学物理系毕业后留校任教，1960年担任复旦大学原子核物理系副主任。此后历任中国科学院上海原子核研究所所长、复旦大学研究生院院长、复旦大学校长、上海市科协主席等职。又受原本只有王室成员和有辭位的人才能扌旦任校长的英国诺丁汉大学的聘请，于2001年出任该校第六任校长。2004年兼任宁波诺丁汉大学校长。1984年获国家级“有突出贡献的中青

2、年专家”称号。1991年当选为中国科学院院士，领导、组织并建成了基于加速器的原子、原子核物理实验室，完成了一批引起国际重视的研究成果。撰有《原子物理学》、《应用核物理》等专著。课程简介：《原子物理学》是20世纪初开始形成的一门学科，主要研究物质结构的“原子”层次。随着近代物理学的发展，原子物理学的知识体系也在不断更新和充实。原子物理学的发展导致量子理论的发展，而量子力学又使原子物理学得以完善。《原子物理学》这门课程是在经典物理课程(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

3、子化槪念，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，为学习量子力学和后续专业课程打下基础。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以简化数值运算。［通常用ooA(l^=10-8cm)描写原子线度

4、，>(1>=10_,57?7)描写核的线度，用eV.Me/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111£2000多年，至19世纪，人们对原子己有了相当的了解。由气体动理论知原子物质含有的原子数是N,=6.022x1()2%。严。因此可由原子的相对质量求出原子的质量，如最轻的盘原子质量约为L67xl(f27畑；原子的大小也可估计出来，其半径是0.1/7/??(Wl()m)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？1.电子的发现18

5、79年，克鲁克斯（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，依次推得：1加。/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。（德国黎凯、赫尔姆霍茨，英国斯通尼）1897年，汤姆逊（1856-1940,J.J.Thomson.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科书和研允。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

6、。通过实验确认电子的存在。高真空放电管中的阴极射线经狭缝约束后成一窄束，窄束射线通过电场和磁场后到达荧屏。从其偏转判断所受电场力和磁场力，从而算得电子的荷质比乂om事实上，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，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。2.电子的电荷和质量精

7、确测定电子电荷的是密立根油滴实验（1910年，美），得出电子电荷的值e-1.6xWl9C,再由十之值求得电子质量阻=9.11x10"畑。密立根并据此发现电荷呈量子化分布。（电荷为何呈量子化分布的机制至今仍未解决）原子物理学中两个重要的无量纲常数之一：叫（另一个为精细结构常—=1836.15271叫数）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。由此还可得出竹-1.67x10-27kg=1.007276470w（在估算中可当作一个u）［作为评价事物的依据，第一性原理和经验参数是两个极端。第一性原理是某些硬性规定或推演得出

8、的结论,而经验参数则是通过大量实例得出的规律性的数据,这些数据可以来口第一性原理（称为理论统计数据），也可以来自实验（称为实验统计数据）