微观世界及其探索(一级)

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1、第四章 微观世界及其探索 著名英国物理学家开尔文勋 爵在1900年元旦献词中说： 在物理学的太空，一切 都已明朗洁净了，在远处只剩下 两朵小小的，令人不安的乌云乌云 迈克耳逊莫雷实验在寻找 机械“以太”时得出了零的结果； 运用经典物理学理论无法 解释黑体辐射的实验曲线。 德国维尔茨堡大学校 长、物理学家伦琴（W. K. Rontgen，1845-1923 ） 伦琴在给孔特（A. Kundt， 1839-1894）的信中说： 我终于发现了一种光 ，我不知道是什么光，无 以名之，就把它叫做x光吧 。 一、x 射线的发现 4.1揭开研究微观世界序幕的三大发现 伦琴的实验室 第一张x光片 K +- A

2、 x 射线是由 高速电子撞击物体 时产生，从本质上 它和可见光一样， 是一种电磁波，它 的波长约为： 0.0010.01(nm) 伦琴荣获1901年诺贝尔物理奖，成为诺贝尔物理 奖的第一个获奖者。 可以说，现代物理学是从1895年德国物理学家伦 琴发现X射线开始的。 1896年，法国物理学 家贝克勒尔（Becquerel, 1852-1908）在对一种荧 光物质（硫酸钾铀）进行 研究时发现了天然放射线 。 贝克勒尔射线 二、放射性的发现 玛丽居里（M. S. Curie，1867-1934） 居里夫人从1897年开 始直至1934年逝世的38年 科学生涯中，她以惊人的 毅力、顽强的意志、高度

3、的智慧全心投入放射性研 究，发现了放射性元素“ 镭”和“钋”。1910年完 成了她的名著论放射性 ，由于她的杰出贡献： 1903年，居里夫妇和 贝克勒尔共享了诺贝尔物 理奖。 1911年又荣获了诺 贝尔化学奖。 天然放射性核素能够自发地放出各种射 线,从而衰变为另一种核素。 射线：带两个正电荷的氦核 粒子流； 射线：带负电荷的高速电子流； 射线：从原子核内放出来的电磁 波，它实际上是一束能量极高的 光子流，它的波长比X射线还要 短，穿透本领比X射线更强。 德国物理学家普鲁克（J. Plueker，1801-1868 ）于1858年利用盖斯勒放电管研究气体放电时发现了 对着阴极的管壁上出现了美丽

4、的绿色光辉。 1876年德国物理学家 哥尔德斯坦证实这种绿色 光辉是由阴极上所产生的 某种射线射到玻璃上产生 的，他把这种射线命名为 “阴极射线”。 三、电子的发现 实验演示 1886年，J. J. 汤姆逊开始研 究气体放电和 阴极射线。 J. J. 汤姆逊，1856年12月18日生于英国。 1884年任卡文 迪许实验室教 授。 B - FE FB 设粒子的质量为m，所带电荷为e。 电场力： 磁场力： 测荷质比: e / m L 测定方法：撤去磁场，测出射线在平板电场右端出口处的 横向偏转值： - S 荷质比： 荷质比： 汤姆逊发现与阴极材料和管内气体无关 这种粒子应是电极材料原子的基本组成部

5、分 J. J. 汤姆逊由此断定： 1909年密立根油滴实验证明一切荷电物质都 只能带有e的整数倍的电量。 阴极射线粒子所带的电量 e 是电荷的最小单位。 称：电子 电子的发现再一次否定了原子不可分的观念。 J. J. 汤姆逊由于发现电 子而于1906年荣获诺贝尔物理 学奖。 J. J. 汤姆逊被誉为“一 位最先打开通向基本粒子物 理学大门的伟人” 诱发人类进入电子科技时代。 现在人类进入微电子科技时代。 微电电子学（Microelectronics）是研究在固体（主要是半导导体 ）材料上构成的微小化电电路，子系统统及系统统的电电子学分支。 1. 原子的“葡萄干布丁模型” - - - - - 1

6、903年，汤姆孙提出 原子结构模型：原子里面 带正电的部分均匀地分布 在整个原子球体中，而带 负电的电子镶嵌在带正电 的球体之中。带正电的球 体与带负电的电子二者电 量相等，故原子不显电性 。 4.2 原子结构 一、卢瑟福散射和原子核的发现 原子由原子核和 核外电子构成，原子 核带正电荷，占据整 个原子的极小一部分 空间，而电子带负电 ，绕着原子核转动， 如同行星绕太阳转动 一样。 原子的核式模型：原子的核式模型： 1911年卢瑟福提出原 子的“有核结构模型”。 2. 原子的有核模型 + + - - 粒子散射1 / 8000被反射，大部分透过 原子内大部分是空的 粒子散射实验，验证了原子的核式

7、模型 原子的大小和重量 原子的直径10-10m。 把1000万个碳原子一个接一个 排成行，其长度只有1厘米。 50万个原子只能排满头发丝的 距离。 全世界50亿人一起来数一滴水 中包含原子的数目，假定每人 数一个原子的时间一秒钟，50 亿人一起数完一滴水中全部原 子所需的时间为30000年。 原子的质量只有10-23克。一杯水的重量 与其中的一个原子的重量相比，约等于地球 的重量与其上的一小块砖头的重量之比。 二、玻尔模型 1. 卢瑟福模型的困难 连续光谱电子落到核上 电子 绕核旋转 辐射 S 辐射电磁波 旋转频率 E 能量减小 R 轨道减小 T 周期减小 旋转频率増加 （不稳定系统） 2.

8、玻尔模型提出的背景 （1）爱因斯坦光量子假设：光电效应、康普顿效应 （2）氢气放电管氢原子谱线： 7000A4100A5000A6000A6563A4861A 4340A 在可见光內 巴尔末公式： 经验公式 R = 1.096776107 /米 里德伯常数 n =3，4，5 通过氢气放电管 获得氢原子光谱 其中m = 1,2,3而 n = m +1, m + 2, m +3 赖曼系： (紫外光) m = 1 帕邢系： (红外光) m = 3 布喇开系：( 红外光) m = 4 普芳德系：( 红外光) m = 5 或 进一步 3、轨道角动量量子化假设： （3）玻尔假设与氢原子理论 1、稳定态假设

9、：原子中的电子只能在一些分裂的稳定的 轨道上运行，不辐射电磁波 2、跃迁假设： 高能态电子跃迁到低能态时发射单色光 电子角动量 根据牛顿力学 原子系统 总能量 n 称量子数 当 n = 1 时 基态能量 玻尔半径 显然 当电子从 n m 发生跃迁时 与比较 得 （4）玻尔理论对氢原子谱线的解释 （2）电子接收外界能量跑到高能级称受激状态 （1）原子位于基态（n = 1）时，能量最小，最稳定 称稳定态 （3）受激状态电子会自发迁到低能级，发射光子 h = En-Em （4）氢原子谱线是大量原子发生跃迁的结果 赖曼系 巴尔末系 帕邢系 布喇开系 普芳德系 -13.58 -3.39 -1.51 -0

10、.85 -0.54 0 En(eV) 1 2 3 5 4 氢原子能级图 解： n = 2 ,m 例题1：当用波长为的光束照射氢原子，使 n = 2 状态 下的电子刚好移离原子(电离)。求入射光波长。 例题2：如用能量为12.8eV的电子轰击氢原子。问: 将 产生几条谱线？ 其中波长最长与最短为多少？ 可见光范围内谱线为多少？ 解 1：氢原子获得最高能量 能量量子化 取n =4 则有：41，42，43，31，32，21 共6条谱线 2：波长最长 为43 得 3：可见光为巴尔末系，为 42，32 波长最短 为41 补充题、（1) 问：用可见光照射能否使处于n = 2的氢原 子受到激发而被电离？ （

11、2）求：当用单色光照射，若使第二激发态 (n=3) 的氢 原子电离，则入射光波长为多少？ 三、电子的波粒二重性 1. 玻尔模型的困难 经典粒子、电磁波的辐射、跃迁概率 2. 电子的波粒二重性 光具有波 粒二象性 波动性：衍射，偏振 粒子性：光电，康普顿效应 能量与频率 动量与波长 1924 年 德布罗意提出了实物粒子也具有波粒二象性 （一）德布罗意推论的思想体系 （1）自然界在许多方面存在着显著的对称性（如动物， 植物）对称是平衡的基础 （2）我们可以观察到的宇宙是由光和实物组成 （3）光具有 波粒二象性，物质也具有 波粒二象性 得实物粒子的波长 当 v c 时称物质波或德布罗意波 例如：对宏

12、观低速物体当 m = 0.05千克，v = 300 米/秒 无法观测到 微观粒子？计算电子在室温下=？ 室温 T = 300 K 接近x 射线波长 1928 汤姆孙 金箔衍射实验 1961 约恩孙 电子多缝干涉 单缝 双缝 三缝 四缝 (二)电子衍射实验 四、粒子运动的测不准关系 1. 力学量的不确定度 宏观物体： 坐标： 位置 动量： 运动量 微观物体：不能用 x，p 来确定 不确定度看电子衍射 x d p px 电子从缝中出来位置不确定量 2. 海森堡的测不准关系 位置 能量 4.3 x 射线谱 一、轫致辐射(连续谱） 高速电子打到靶上，电子与靶 原子碰撞过程中，受到原子核 的库仑场作用，

13、骤然减速，损 失的动能转换为辐射能。 0.050.10.150.2 200 10000 20000 30000 40000 400 电压为千伏 I (计数、秒） 铜靶的 x 射线谱 K K 二、特征辐射 x 射线谱中，分立谱（线光谱）所包含的分立波波长的大 小取决于材料本身，是电子内壳层跃迁时放出射线而引起。 其频率可用玻尔氢原子模型近似计算。 例如：K壳层谱线谱线 1 2 3 4 5 n K L M o N 各种特征 x 射线示意图 基本粒子未必基本 长期以来，人们一直在孜孜不倦地探索着物质的基本组成， 对物质结构的认识有一个逐步深入的过程。 人们曾经把当时所认识到的组成物质的最小基本单元，

14、称为 “基本粒子”，现在知道，基本粒子未必基本。 电子、光子、质子、中子的发现，相继为原子物理学和原子 核物理学奠定了基础，正电子、反质子、介子、中微子的 发现，使人们感受到粒子物理的丰富内涵与独特的研究方式 ，促使粒子物理作为一门独立的学科出现。 4.3 原子核的结构 讨论：原子核的组成 原子量始终是氢原子量的整数倍。 1919年，卢瑟福用粒子作为高速“炮弹”来 轰击氮原子核，首先实现了原子核的人工破裂。 用粒子轰击氮原子核，能释放氢核，用硼 、氟、钠、铝、磷等做实验，也能打出氢核。 氢核定义为“质子”。 每个原子核都由氢核构成。 卢瑟福得出结论： 一、中子的发现 1920年，卢瑟福提出中子

15、假说。 他认为原子核中，质子可能与电子紧密地结 合，形成一种不带电的粒子，即中子。他推测， 因为中子周围不形成电场，所以当它通过气体时 ，应不产生离子。它不受电场作用力的影响，所 以，穿透力会很强，只有当它与原子核发生正面 碰撞时，才会转折。而被碰撞的核，因为得到一 定的动能，可能以一定的速度射出。 1930年，德国物理学家玻特和贝克发现利 用 粒子轰击铍元素时，产生了一种穿透力极 强而且不受电场或磁场影响的射线。 1932年，查德威克从实验上发现了质量与 质子相近的中性粒子，并命名为“中子”。 粒子轰击铍核反应产物一个中子（n) 和一个碳核（ ） u 原子质量单位: 核力是把质子和中子纠合在一起，构成一 个个稳定的原子核(也包括不稳定的原子核)的强 大的束缚力。 核力出现于质子质子、中子中子、质 子中子之间，强度相等。 (3)核力是与粒子的带电状态完全无关的强大的 吸引力。 核力的特点： (2)核力是短程力，作用半径为310-15m。 (1) 核力是强相互作用，主要是吸引力。 二、一种新的相互作用力核力 电磁力、万有引力、强相互作用力（核力）