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1、主讲：朱瑜Theoretical Atomic Physics1物质世界结构实物分 子原 子原子核质子中子夸 克 电 子(轻子)场 规范粒子宇 宙 大 爆 炸 标 准 模 型粒子物理标准模型宇 宙费米子 21m10-2010-1510-1010-51015105101010251020W+粒子微观介观宏观宇观山太阳系地球星系团星系原子原子核DNA 人3原子物理学是研究原子的结构、性质及其 运动规律的一门科学。“原子”一词来自希腊文，含义是“不 可分割的”。公元前四世纪，古希腊哲学家 德谟克利特(Democritus)提出了这一概念， 并把它当作物质的最小单元。原始的原子学说：41807年，英国
2、科学家约翰道尔顿(John Dalton) 提出原子论。他认为原子类似于刚性的小球，它们是物 质世界的基本结构单元，是不可分割的。In 1807, an English scientist called John Dalton put forward his ideas about atoms. From his experiments and observations, he suggested that:Atoms were like tiny, hard balls. Each chemical element had its own atoms that differed from o
3、thers in mass. Dalton believed that atoms were the fundamental building blocks of nature and could not be split. In chemical reactions, the atoms would rearrange themselves and combine with other atoms in new ways.5道尔顿用他的学说说明了化学中的物质不 灭定律（质量守恒定律）等。道尔顿的原子说 是根据事实概括的结果，能够用来研究和发现 新的现象，因此比古代原子说更进一步。 约翰道尔顿
4、（John Dalton，1766年9月6日 1844年7月27日），英国化学 家、物理学家。近代原子论 的提出者。世界上第一个提 出色盲问题的人，为了纪念 他，色盲症又被称为道尔顿 症。6世纪之交的三大发现 1895年德国物理学家伦琴（W.K.Rontgen）发现 X射线。获得首届诺贝尔物理学奖（1901年）。 1897年英国物理学家汤姆逊（J. J. Thomson） 发现电子。获得了1906年的诺贝尔物理学奖。 1896年法国物理学家贝克勒尔（A.H.Becquerel） 发现放射性。与居里夫妇共同获得1903年的诺贝尔物 理学奖。7X射线、放射性、电子这三大发现表明了原 子是可以分割的
5、，它具有比较复杂的结构，揭 开了近代原子物理的序幕。当时的世界尽管铁轨遍野，电线密布，工厂里的机床彻夜地运转，但是人们对微观世界的认识还停留在遥远的古希腊德谟克里特时代。大家只知道原子是世界的本原，但谁也没想过原子到底能不能再分。而可怜的汤姆逊居然把这种比原子小得多的东西找了出来。 8一个物理学的英雄时代德 布 罗 意n n19271927年第五届索尔瓦会议参与者留影年第五届索尔瓦会议参与者留影-一张聚集了地球上三分之一最智慧一张聚集了地球上三分之一最智慧 大脑的照片：二十九人中有十七人获得或后来获得诺贝尔奖！大脑的照片：二十九人中有十七人获得或后来获得诺贝尔奖！ 9X射线、放射性、电子这三大
6、发现表明了原 子是可以分割的，它具有比较复杂的结构，揭 开了近代原子物理的序幕。那么，原子是怎样组成的？原子的运动规 律如何？这就是原子物理学要研究的问题。10教材及参考书1、原子物理学 褚圣麟 高等教育 出版社2、原子物理学 杨福家 高等教育 出版社3、量子力学与原子物理学 张哲华 刘莲君 武汉大学出版社4、量子力学与原子物理学学习指导 刘莲君 张哲华 武汉大学出版社111、对象：原子的壳层结构、光谱、 原子核的结构及内在运动、相互作用、相 互转化的规律 原子物理学研究的对象、方法和意义 2、方法：实验和理论相结合，不断完 善和发展实验现象提出理论实验检验 （间接实验较多）修正理论再检 验完
7、善理论。多次反复 12密立根在1923年领诺贝尔物理奖 时说：“科学靠两条腿走路，一是理论， 一是实验。有时一条腿走在前面，有 时另一条走在前面。但只有使用两条 腿，才能前进。在实验过程中寻找新 的关系，上升为理论，然后再在实践 中加以检验”。13原子物理研究的物质微观结构对进一步 揭示和丰富一些宏观现象的规律有着重要的意 义。如：金属、磁性材料、发光材料原子物理学与其他科学关系十分密切如：原子壳层理论与理论化学有很大的联系光谱理论对天体物理学影响很大晶体结构方面的理论对矿物学、冶金学等有影响原子物理学对生产、生活影响很广，意 义重大如：原子能的开发和利用、光谱分析在冶金技术上的 应用、X射线
8、的应用3、意义14物理拯救生命 核磁共振（NMR） Nuclear Magnetic Resonance正常 肿瘤15正电子发射层析术(PET)Positron Emission Tomography 利用发射正电子的示踪原子测量 脑的活动功能，诊断异常。16第一 个 诺贝尔物理奖 1901年授予 伦琴 Wilhelm Konrad Rntgen17核裂变反应堆淡蓝色的辉光 是粒子运动速 度超过水中光 速而发出的切 连柯夫辐射。181993年美国加州 IBM Almaden 研究中心的研 究人员用扫描隧穿显微镜(STM)操纵，将48个铁原 子在铜的表面排列成一个圆圈，形成量子围栏 (Quant
9、um Corral) ，电子被束缚在其中，其波函数 形成同心圆状涟漪细浪。19欧洲核子研究中心(CERN)座落在日内瓦郊外 的加速器：大环是周长27 km的强子对撞机，中环 是质子同步加速器。20本书结构及教学内容第一章 原子的基本状况 3学时粒子散射实验卢瑟福的原子核式模 型卢瑟福的散射公式第二章 原子的能级和辐射 8学时首次把量子概念引入到原子领域，提出 了量子态概念，解开了氢原子光谱之迷。绪论 1学时21第四章 碱金属原子和电子自旋 8学时由实验事实出发，引入“电子自旋”概念 ，解释了原子的精细结构。“自旋”在经典物 理中并不陌生，但在微观世界里却是一种崭 新的运动形式，一种状态。第五章
10、 多电子原子 8学时推广，泡利原理电子组态确定原子态22第六章 在磁场中的原子 6学时塞曼效应 第七章 原子的壳层结构 4学时元素周期表、原子基态的电子组态第八章 X射线 4学时连续谱轫致辐射电子打在靶上 被减速而产生的标识谱特征辐射靶中原子内层 电子跃迁而产生的 23第十章 原子核 8学时核结构及性质，核反应和核能第十一章 基本粒子 6学时基本粒子的分类、粒子的相互作用24学习时应注意几点1、注意了解微观体系特有的性质、结 构、规律 2、注意分析方法：实验事实（间接的 较多）理论（分析、综合） 3、为后继学习打下基础：电动力学、量 子力学、固体物理等 25第一章 原子的基本状况 背景知识 J
11、.J.Thomson原子模型 E.Rutherford原子模型 粒子散射实验 粒子散射理论 E.Rutherford原子模型的困难26道尔顿(J.Dalton)提出的原子学说：（i） 一定质量的某种元素，由极大数目的该元素的原子构成。（ii） 每种元素的原子，都具有相同的质量，不同元素的原子，质量各不相同。（iii） 两种可以化合的元素，它们的原子可能按几种比率化合成几种化合物的分子。1.1 背景知识27根据道尔顿的原子学说，可以对简单的无机化学中的化 合物的生成给予定量的解释，反过来，许多实验也证实了原 子学说；并且人们发现气态物质参与的化学反应时的元素的 重量与体积也遵循上述规律。盖吕萨克
12、定律告诉我们，同温 同压下，在每一种生成或分解的气体中，组分和化合物气体 的体积彼此之间具有简单的整数比，与前述规律进行对比， 我们可以得到这样的结论：气体的体积与其中所含的粒子数 目有关。阿伏伽德罗定律告诉我们，同温同压下，相同体积 的不同气体含有相等数目的分子。当原子学说逐渐被人们接受以后，人们又面临着新的问 题： 原子有多大？原子的内部有什么？原子是最小的粒子吗？. 283、 原子质量的相对值：1、不同的原子有不同的质量 2、原子质量单位：碳单位H：1.078252u He: 4.0026036u4、原子质量的绝对值： A：以克为单位时,一摩尔原子的质量 。 N0: 阿伏加德罗常数。(6
13、.0221023/mol) 原子的质量在化学和物理学中常用它们质量的相对 值。现在把碳在自然界中最丰富的一种同位 素的质量定为12.000个单位作为原子质量的 标准，其他原子的质量同碳12比较，定出质 量，称为原子量。295、阿伏伽德罗常量阿氏常量N0（1mol分子的分子数目或1mol原子的原子数目）是联系宏观和微观的物理量。1N0=6.0221367(36)1023mol-1 1mol12C或12g12C含有N0个12C原子12u=12g/N0 1g=N0u1u=1.6605402(10)10-27kgg宏观单位 u微观单位N0：宏观微观的桥梁（1）原子质量单位30（2）法拉第常量F 与电子
14、电荷eF=eN0 F一摩尔带单个电量的离子所带的总电量 F宏观量 e微观量 N0：宏观微观的桥梁（3）普适气体常量R和玻尔兹曼常量k R=kN0 R宏观量 k微观量 N0：宏观微观的桥梁31估算：AX A克X原子具有N0个X原子。质量密度(g/cm3)，总体积 A/原子体积 N0=A/ 1、由密度算出原子半径 原子的大小原子半径32元素质量数A质量密度 (g/cm3)原子半径 r/nmLi70.70.16Al272.70.16Cu638.90.14S322.070.18Pb20711.340.19不同原子的半径几乎都差不多333、从气体分子运动论可以估算原子的大小 气体分子平均自由程： r为分
15、子半径，N为单位体积内分子数。对单原子 分子，r就是原子半径。2、从晶体排列中，求每个原子的体积，立方 根即得原子的线度。344、由范德瓦尔斯方程：上式中，b值按理论应等于分子所占体积的四 倍，由实验定出b，就可算出分子的半径，其数量 级与原子半径相同。用不同方法求一种原子的半径，所得数值是有 些出入的，但数量级是相同的，都是10-10m。351811年，阿伏伽德罗（A.Avogadno）定律问世，提出 1mol任何原子的数目都是 个。1874年，斯迪尼（G.T.Stoney）综合上述两个定律，指 出原子所带电荷为一个电荷的整数倍，并用“电子”来命名 这个电荷的最小单位。但实际上确认电子的存在，却是20 多年后汤姆逊（J.J.Thomson）的工作。1897年，汤姆逊（J.J.Thomson）发现电子：通过阴极 射线管中电子荷质比的测量，汤姆逊（J.J.Thomson）预 言了电子的存在。电子的发现电子的发现并不是偶然的，在此之前已有丰富的积累。1833年，法拉第（M.Faraday）提出电解定律，1mol任何 原子的单价离子永远带有相同的电量-即法拉第常数。36
