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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,近代物理基础,物理与光电工程学院,丁洪斌 教授,第1页,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，经典物理学三大理论体系使经典物理学已趋于成熟。,两朵乌云,：,Troubles with,Classical Physics,迈克耳逊,莫雷“以太漂移”试验,黑体辐射试验,狭义相对论,量子力学,第2页,相对论,A.爱因斯坦 20世纪最伟大物理学家,1879年3月14日生于德国乌尔姆，19毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学。19，爱因斯坦在科学史上创造了史无前例奇迹。这一年3月到9月六个月中，利用业余时间发表了 6 篇论文，在物理学 3 个领域作出了含有划时代意义贡献 创建了光量子理论、狭义相对论和分子运动论。,爱因斯坦在19到193年中还在 3 个不一样领域做出了历史性出色贡献 建成广义相对论、辐射量子理论和当代科学宇宙论。,爱因斯坦取得,1921,年诺贝尔物理学奖。,第3页,量子理论,代表人物：,普朗克，玻尔，薛定谔，海森堡，狄拉克等,19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,),，是以有限單位,進 行，這基本單位,稱為量子,(quantum),，即必交換,、,2,、,3,、,等,整數倍，不能以,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,6.6310,34,焦耳秒。,第4页,第二部：原子结构及量子力学主要内容,原子构形：卢瑟福模型,1,原子量子态：玻尔模型,2,原子精细结构：电子自旋,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5页,第二部,目录,结束,课程安排,a.作业、平时表现,20,%,b.期末考评,80,%,丁,洪斌:,助教,：,吴兴伟：,第6页,第二部,目录,结束,参考教材,1.,杨桂林,，,近代物理,，,科学出版社,（,）,2.,徐克尊,近代物理学,中国科学技术大学出版社,(),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7页,第一章：原子位形：卢斯福模型,第一节 背景知识,第二节 卢斯福模型提出,第三节 卢斯福散射公式,第四节 卢斯福公式试验验证,第五节 行星模型意义及困难,结束,第8页,第一节：背景知识,第一章：原子位形：卢斯福模型,“,原子,-atom,”,一词来自希腊文，意思是“,不可分割,”。,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，并把它看作物质最小单元,中国古代提出“端”“无内”“莫破”等类似概念,。,机械原子学说,17,世纪,Newton,有质量球形微粒,经过吸引力机械地结合成宏观物体,原子运动是机械位移，恪守力学定律,困难：不能解释光、电、热等物理现象和燃烧等化学过程,第9页,第一节：背景知识,第一章：原子位形：卢斯福模型,原子,电子,关于卢斯福,结束,目录,next,back,18,阿伏加德罗,Avogadro,化学原子学说,18,道尔顿,Dalton,化学反应中，原子不可分解，性质不变；,不一样元素原子不一样，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,发觉元素周期律，预言新元素,近代原子物理序幕,同温同压同体积气体含相同数目标分子。,19,世纪末,三大发觉,X,射线（,1895,）放射性（,1896,）电子（,1897,）,第10页,第一节：背景知识,第一章：原子位形：卢斯福模型,原子,电子,关于卢斯福,结束,目录,next,back,原子是物质结构一个层次，介于分子和原子核之间。,19,Rutherford,原子核式结构模型,19,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,1960s,激光器创造 激光与原子相互作用,激光制冷,超冷原子,BEC,第11页,第一节：背景知识,第一章：原子位形：卢斯福模型,当原子学说逐步被人们接收以后，人们又面临着新问题：,原子,电子,关于卢斯福,结束,目录,next,back,问题：,组成成份,?,结构和相互作用,?,内部运动,?,原子是最小粒子吗？,.,在学习这门课时候；一部分问题谜底会逐步揭开。,第12页,第一节：背景知识,第一章：原子位形：卢斯福模型,电子是原子组成之一,。,电子发觉并不是偶然，在此之前已经有丰富积累。,18，阿伏伽德罗（A.Avogadno）定律问世，提出1mol任何原子数目都是6.022*1023个。,1833,年，,法拉第（,M.Faraday,）,提出电解定律，,1mol,任何原子单价离子永远带有相同电量,-,即法拉第常数。,原子,电子,关于卢斯福,结束,目录,next,back,第13页,第一节：背景知识,第一章：原子位形：卢斯福模型,1874,年，,斯迪尼（）,综合上述两个定律，指出原子所带电荷为一个电荷整数倍，斯迪尼提出，用“电子”来命名这个电荷最小单位。,但实际上确认电子存在，却是,20,多年后,汤姆逊,工作,.,1897,年，,汤姆逊（）,发觉电子：,经过阴极射线管中电子荷质比测量，汤姆逊（）预言了电子存在。,原子,电子,关于卢斯福,结束,目录,next,back,1899,年,Thomson,测量 和,19,Millikan,油滴试验准确测定,第14页,第二节：卢斯福模型提出,第一章：原子位形：卢斯福模型,卢瑟福1871年8月30日生于新西兰纳尔逊，毕业于新西兰大学和剑桥大学。,19，任曼彻斯特大学物理学教授。19因对放射化学研究荣获诺贝尔化学奖。19任剑桥大学教授，并任卡文迪许试验室主任。1931年英王授予他勋爵桂冠。1937年10月19日逝世。,关于卢斯福,原子,电子,结束,目录,next,back,第15页,第二节：卢瑟福模型提出,第一章：原子位形：卢斯福模型,在,汤姆逊,(Thomson),发觉电子之后,对于原子中正负电荷分布他提出了一个在当初看来“较为合理”,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,模型提出,Thomson,模型,散射试验,Thomson,模型失败,结束,目录,next,back,第16页,第二节：卢瑟福模型提出,第一章：原子位形：卢斯福模型,为了检验汤姆逊模型是否正确,卢瑟福于19设计了粒子散射试验,试验中观察到大多数粒子穿过金箔后发生约一度偏转.但有少数粒子（1/8000）偏转角度很大,超出90度以上,甚至到达180度.,对于,粒子发生大角度散射事实,无法用汤姆逊,(Thomoson),模型加以解释,(,几率,1/10,3500,).,除非,原子中正电荷集中在很小体积内,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,原子核式模型,.,Rutherford,模型提出,Thomson,模型,散射试验,Thomson,模型失败,结束,目录,next,back,第17页,第二节：卢斯福模型提出,第一章：原子位形：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。,同时该模型还深入假定，电子分布在分离同心环上，每个环上电子容量都不相同，电子在各自平衡位置附近做微振动。因而能够发出不一样频率光，而且各层电子绕球心转动时也会发光。这对于解释当初已经有试验结果、元素周期性以及原子线光谱，似乎是成功。,Rutherford,模型提出,Thomson,模型,散射试验,Thomson,模型失败,结束,目录,next,back,第18页,第二节：卢瑟福模型提出,第一章：原子位形：卢斯福模型,粒子散射试验是卢瑟福于19设计，以后依据试验结果，卢斯福否定了汤姆逊模型并提出了原子核式模型,Rutherford,模型提出,Thomson,模型,散射试验,Thomson,模型失败,结束,目录,next,back,卢瑟福模型,第19页,第二节：卢斯福模型提出,第一章：原子位形：卢斯福模型,试验装置如上图所表示。放射源,R,中发出一细束,粒子，直射到金属箔上以后，因为各,粒子所受金属箔中原子作用不一样，所以沿着不一样方向散射。荧光屏,S,及放大镜,M,能够沿着以,F,为中心圆弧移动。当,S,和,M,对准某一方向上,经过,F,而在这个方向散射,粒子就射到,S,上而产生闪光，用放大镜,M,观察闪光，就能统计下单位时间内在这个方向散射,粒子数。从而能够研究,粒子经过金属箔后按不一样散射角,分布情况。,Rutherford,模型提出,Thomson,模型,散射试验,Thomson,模型失败,结束,目录,next,back,第20页,第二节：卢斯福模型提出,第一章：原子位形：卢斯福模型,Rutherford,模型提出,Thomson,模型,散射试验,Thomson,模型失败,结束,目录,next,back,第21页,第二节：卢斯福模型提出,第一章：原子位形：卢斯福模型,粒子散射试验观察到：,被散射粒子大部分分布在小角度区域，不过大约有,1/8000,粒子散射角,90,度，甚至到达,180,度,发生背反射。,粒子发生这么大角度散射，说明它受到力很大。,汤姆逊模型是否能够提供如此大力？,我们来看一看这两个模型对应力场模型,Rutherford,模型提出,Thomson,模型,散射试验,Thomson,模型失败,结束,目录,next,back,第22页,第二节：卢斯福模型提出,第一章：原子位形：卢斯福模型,因为核式模型正电荷集中在原子中心很小区域，所以无限靠近核时，作用力会变得很大，而汤姆逊模型在原子中心附近则不能提供很强作用力。,Rutherford,模型提出,Thomson,模型,散射试验,Thomson,模型失败,结束,目录,next,back,第23页,第二节：卢斯福模型提出,第一章：原子位形：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,F,max,如上图,我们假设,粒子以速度,V,射来,且在原子附近度过整个时间内均受到,F,max,作用,那么,会产生多大角度散射,呢,?,Rutherford,模型提出,Thomson,模型,散射试验,Thomson,模型失败,结束,目录,next,back,第24页,第二节：卢斯福模型提出,第一章：原子位形：卢斯福模型,假如以能量为,5MeV,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,模型提出,Thomson,模型,散射试验,Thomson,模型失败,结束,目录,next,back,第25页,第二节：卢瑟福模型提出,第一章：原子位形：卢斯福模型,粒子散射试验,否定了,汤姆逊原子模型，依据试验结果，,卢瑟福,于19提出了原子核式模型。,原子中心有一个极小原子核，它集中了全部正电荷和几乎全部质量，全部电子都分布在它外围.,卢瑟福依据构想模型，从理论上推导出散射公式，并,被盖革-马斯顿试验,所验证，核式模型从而被普遍接收。,Rutherford,模型提出,Thomson,模型,散射试验,Thomson,模型失败,结束,目录,next,back,卢瑟福,模型：,第26页,第二节：卢斯福模型提出,第一章：原子位形：卢斯福模型,Rutherford,模型提出,Thomson,模型,散射试验,Thomson,模型失败,结束,目录,next,back,第27页,第三节：卢斯福散射公式,第一章：原子位形：卢斯福模型,库仑散射公式,Rtherford,公式,结束,目录,next,back,第28页,第三节：卢斯福散射公式,第一章：原子位形：卢斯福模型,上一页图描述了入射速度为,V,，电荷为,带电粒子，与电荷为,靶核发生散射情形。当粒子从远离靶核处射过来以后，在为库仑力作用下，粒子运动偏转了,角。能够证实，散射过程有以下关系:,其中,b,是瞄准距离，表示入射粒子最小垂直距离。,为,库仑散射因子,。,Rtherford,公式,库仑散射公式,结束,目录,next,back,第29页,第三节：卢斯福散射公式,第一章：原子位形：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，我们对散射过程作以下,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,核外电子作用；,4.,假定,原子核静止,。,第30页,第三节：卢斯福散射公式,第一章：原子位形：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31页,第三节：卢斯福散射公式,第一章：原子位形：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，但要想经过试验验证，却存在困难，因为瞄准距离,b,依然无法准确测量，所以对上式还需要深入推导，以使微观量与宏观量联络起来,。,第32页,第三节：卢斯福散射公式,第一章：原子位形：卢斯福模型,库仑散射公式,对核式模型散射情形作了理论预言，它是否正确只有试验能给出答案，但当前瞄准距离,b,依然无法测量。所以必须设法用可观察量来代替,b,，才能进行相关试验。,库仑散射公式,Rtherford,公式,结束,目录,next,back,第33页,第三节：卢斯福散射公式,第一章：原子位形：卢斯福模型,卢瑟福完成了这项工作，并推导出了著名,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情形由库仑散射公式,我们知道,伴随瞄准距离,b,减小,散射角,增大,参考下列图,可见瞄准距离在,bb=db,之间粒子,必定被散射到,-d,之间空心圆锥体之中.,库仑散射公式,Rtherford,公式,结束,目录,next,back,第34页,第三节：卢斯福散射公式,第一章：原子位形：卢斯福模型,库仑散射公式,Rtherford,公式,结束,目录,next,back,为 对应空心圆锥体立体角,上图所表示,环面积,为,第35页,第三节：卢斯福散射公式,第一章：原子位形：卢斯福模型,在,立体角内,设靶总面积为,A,靶上原子核单位密度为,n,靶厚度为,t,则靶上总原子核为,nA,t,个,那么对应于,d,立体角,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,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,:,靶单位面积内每个靶原子核，将,粒子散射到,方向单位立体角几率。,第36页,第三节：卢斯福散射公式,第一章：原子位形：卢斯福模型,微分截面,这就是著名,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有效散射截面，即散射到该区粒子几率大小。,单位：米,2,/球面度（m,2,sr,-1,），通常以靶恩作为截面单位，,用符号b表示，1b=10,-28,m,-2,，惯用单位是b/sr,第37页,第四节：卢瑟福公式试验验证,第一章：原子位形：卢斯福模型,由,卢瑟福公式,，我们能够作出以下预言,:,2.在,粒子能量及偏转角固定时，被散射,粒子数与金属箔厚度成正比；,预言,卢瑟福公式试验装置,R,原子核大小预计,结束,目录,next,back,1.,一定能量,粒子，被一定金属箔散射时，在 角方向单位立体角中粒子数与 成反比,第38页,第四节：卢瑟福公式试验验证,第一章：原子位形：卢斯福模型,预言,卢瑟福公式试验装置,R,原子核大小预计,结束,目录,next,back,3.,偏转角 和金属箔厚度固定时，散射粒子数与,粒子能量平方成反比；,4.散射粒子数与,Z,2,成正比,Ze,是原子核正电荷，从而能够测定Z。,19，盖革与马斯顿利用下一页图仪器进行试验，结果表明上述四点都与试验吻合。,第39页,第四节：卢瑟福公式试验验证,第一章：原子位形：卢斯福模型,预言,卢瑟福公式试验装置,R,原子核大小预计,结束,目录,next,back,第40页,估算原子核大小,第一章：原子位形：卢斯福模型,原子核有一定大小,我们以入射粒子与原子核靠近时最小距离,r,m,作为核大小。,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,卢瑟福公式试验装置,R,原子核大小预计,结束,目录,next,back,当 时有,(3),第41页,第五节：行星模型意义及困难,第一章：原子位形：卢斯福模型,卢瑟福模型,提出了原子核式结构，在人们探索原子结构历程中踏出了第一步，可是当我们进入原子内部准备考查电子运动规律时，却发觉与已建立物理规律不一致现象。,1.,原子稳定性,经典物理学告诉我们，任何带电粒子在作加速运动过程中都要以发射电磁波方式放出能量，那电子在绕核作加速运动过程就会不停地向外发射电磁波而不停失去能量，以致轨道半径越来越小，最终湮没在原子核中，并造成原子坍缩。然而试验表明原子是相当稳定,.,。,结束,目录,next,back,第42页,第一章：原子位形：卢斯福模型,第五节：行星模型意义及困难,2.,原子同一性（与泡利不相容原理相关）,任何元素原子都是确定，某一元素全部原子之间是无差异，这种原子同一性是经典行星模型无法了解。,3.,原子再生性（与量子定态及态叠加原理相关）,一个原子在同外来粒子相互作用以后，这个原子能够恢复到原来状态，就象未曾发生过任何事情一样。原子这种再生性，是卢瑟福模型所无法说明,.,结束,目录,next,back,第43页,目录,结束,本章结束，谢谢观赏,第44页,
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