毕业论文--对精细结构常数的研究综述

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1、对精细结构常数的研究综述摘要：关键词：精细结构常数；无量纲常数；物理意义精细结构常数是原子物理学中重要的无量纲常数，通常用希腊字母a表示，它的值约等于1/137，更确切的数值是a=0.007297352533（27）或1/a=137.03599976，它通常表示成其它几个常数的组合：a=其中e是电子的电荷，是真空介电常数，h是普朗克常数，c是真空中的光速，那么这个常数究竟从何而来，为什么被称为精细结构常数？在物理上又有什么意义呢？这些都要从氢原子光谱的精细结构说起。1.精细结构常数的导出1.1氢原子光谱的精细结构最早的光谱是来自于太阳光，166

2、6年，牛顿（Issac.Newton,英，1642-1727）就发现一束细小的太阳光在通过三棱镜后会分解成像彩虹那样的连续光带。牛顿把这彩色的光带叫做光谱。这是对光谱的最早研究。到19世纪初，英国物理学家威廉·渥拉斯顿（WilliamWollaston,1766-1828）zai1802年发现太阳光的连续光谱带其实并不是真正连续的，而是带有许许多多的暗线条。1814年，德国物理学家夫琅和费（J.V.Fraunhofer,1787-1826）也独立地发现它。牛顿之所以没有能观察到光谱线，是因为他使太阳光通过了圆孔而不是通过狭缝。在1814-181

3、5年之间，夫琅和费公布了太阳光谱中的许多条暗线，并以字母来命名。其中有些命名沿用至今，此后便把这些线称为夫琅和费暗线。以后德国物理学家约瑟夫·冯·福隆霍弗（JosenhvonFraunhofer,1787-1826）进一步精确记录了数百条这种暗线的位置。实用光谱学是由德国物理学家古斯塔夫·罗伯特·克基霍夫（GustavR.kinchhoff,1824-1887）与德国化学家罗伯特·本生（RobertBunsen）在19世纪60年代发展起来的，他们证明光谱学可以用作定性化学分析的新方法，并利用这种方法发现了几种当时还未知的元素，并且证明了太阳里也

4、存在着多种已知的元素。光谱学中的光谱一般是指的光的频率或波长成分和强度的分布的关系图谱。氢原子光谱的发现。氢原子光谱中最强的一条谱线是1853年由瑞典物理学家埃斯特朗（AndersJonasAngstron,1814-1874）探测出来的。此后的20年，在星体的光谱中观测到了更多的氢原子谱线。1885年，从事天文测量的瑞士数学家和物理学家巴耳末（JohannJakobBalmer,1825-1898）找到了一个经验公式来说明已知的氢原子谱线的位置，以后便把这一组线称为巴耳末系。继巴耳末的成就之后，1889年，瑞典物理学家里德伯（Johannes

5、RobertRydberg.1854-1919）发现了许多元素的线状光谱系，其中最为明显的为氢原子和碱金属原子的光谱系，它们也都能满足一个简单的公式。从19世纪中叶起，氢原子光谱一直是光谱学中研究的重要课题之一。氢原子的精细结构的发现。1891年，迈克尔逊（AlbertMichelson.1852-1931）通过更精确的实验发现，原子光谱的每一条谱线，实际上是由两条或多条靠的很近的谱线组成的，这种细微的结构称为光谱线的精细结构。1.2精细结构常数a第一个对氢原子光谱作出成功解释的，是尼尔斯·玻尔（Niels.Bohr.丹麦.1885-1962）

6、于1913年发表的关于原子结构的氢原子理论，在这个理论中，玻尔通过两个著名的假说“定态假设”和“频率假设”将基本作用量子引入原子系统，指出氢原子的核外电子在核的库仑场中绕核作高速圆周运动，其轨道半径和能量均为量子化，即：1915年，索末菲对玻尔的氢原子理论作了几方面的改进和推广。首先，索末菲认为原子核的质量并非无穷大，应取有限值，所以电子并不是绕静止的原子核转动，而应该是原子核和电子绕着它们的共同质心转动。其次，电子绕核运行的轨道与行星绕日运行的轨道相似，不必是一个正圆，也可以使椭圆。最后，因为核外电子的运动速度很快，有必要考虑质量随速度变化的

7、相对论效应。经过这样改进后，索末菲发现电子的轨道能级除了跟原来玻尔模型中的轨道主量子数n有关外，还跟另一个角量子数l有关，对于某个主量子数n，可以去n个不同的l值，这些具有相同主量子数但不同角量子数的轨道能级有一个微小的差别，正是这个微小的差别造成了原子光谱的精细结构，更加符合原子的实际情况。在索末菲理论中，氢原子的能量可表示为：其中a为常熟，且（3）式中第一项和玻尔能量相同，为原子能量的主要部分。从第二项起是相对论效应的结果，由于a的值很小，所以忽略a的高次项，只保留其平方项，该项的大小不仅和主量子数有关，还和轨道量子数有关，是产生光谱的精细

8、结构成分的能量，称其为精细结构能量。当主量子数和轨道量子数一定时，精细结构能量和a成正比，所以称a为精细结构常数。2.精细结构常数的物理意义2.1在玻