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1、近代物理基础物理与光电工程学院 丁洪斌 教授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 典物理学的三大理 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”实验 黑体辐射实验狭义相对论量子力学相相对论对论对论对论A.爱因斯坦 20世纪最伟大的物理学家 1879年3月14日生于德国乌尔姆，1900年毕业于 瑞士苏黎世联邦工业大学。1905年，爱因斯坦 在科学史上创造了史无前例的奇迹。这一年的3 月到9月的半年中，利用业余时间发表了 6 篇论文，在物理学 3 个领域作出了具
2、有划时代意 义的贡献 创建了光量子理论、狭义相对论 和分子运动论。爱因斯坦在1915年到1917年3年中还在 3 个不同领域做 出了历史性的杰出贡献 建成广义相对论、辐射量子理 论和现代科学的宇宙论。爱因斯坦获得 1921 年的诺贝尔物理学奖。量子理论代表人物：普朗克，玻尔，薛定谔，海森堡，狄拉克等1900年普朗克提出“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 有限的單位進 行的，這基本單位稱 為量子(quantum)，即必交
3、換、2、 3、等的整數倍，不能以的非 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。 第二部：原子结构及量子力学主要内容原子的构形：卢瑟福模型1原子的量子态：玻尔模型2原子的精细结构：电子的自旋3多电子原子：泡利原理45X射线量子力学导论67分子结构第二部目录结束课程安排a. 作业、平时表现 20 %b. 期末考核 80%丁洪斌: 助教：吴兴伟： 第二部目录结束参考教材1.杨桂林，近代物理，科学出版社（2004） 2. 徐克尊,近代物理学,中国科学技术大学出版 社(2008) 3.凯格纳克、裴贝-裴罗拉，近代原子物理学， 科学出版社（19
4、80） 4.威切曼，量子物理学，科学出版社（1979）第一章：原子的位形：卢斯福模型第一节 背景知识第二节 卢斯福模型的提出第三节 卢斯福散射公式第四节 卢斯福公式的实验验证第五节 行星模型的意义及困难结束第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢斯福模型“原子-atom”一词来自希腊文，意思是“ 不可分割的”。关于卢斯福原子电子结束目录nextback古希腊哲学家德漠克利特(Democritus)提 出这一概念，并把它看作物质的最小单元,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 有质量的球形微粒 通过吸引力机械地结合成宏观物体 原子的运动是机械位移，遵
5、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一节：背景知识第一章：原子的位形：卢斯福模型原子电子关于卢斯福结束目录nextback1811年 阿伏加德罗Avogadro化学原子学说 1808年道尔顿Dalton 化学反应中，原子不可分解，性质不变； 不同元素的原子不同，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 发现元素周期律，预言新元素近代原子物理序幕同温同压的同体积气体含相同数目的分子。19世纪末三大发现X射线（1895）放射性（1896）电子（1897）第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢斯福模型原子电子关于卢斯福结
6、束目录nextback原子是物质结构的一个层次，介于分子和原子核之间。1911年Rutherford原子核式结构模型1913年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 激光器的发明 激光与原子的相互作用激光制冷超冷原子BEC第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢斯福模型当原子学说逐渐被人们接受以后，人们 又面临着新的问题：原子电子关于卢斯福结束目录nextback问题： 组成成分?结构和相互作用?内部运动?原子是最小的粒子吗？在学习这门课的时候；一部分问题的谜 底会逐渐揭开。第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢斯福模型电子是原子的组成之一。 电子
7、的发现并不是偶然的，在此之前已有丰富 的积累。1811年，阿伏伽德罗（A.Avogadno）定律问世， 提出1mol任何原子的数目都是6.022*1023个。1833年，法拉第（M.Faraday）提出电解定 律，1mol任何原子的单价离子永远带有相同的 电量-即法拉第常数。原子电子关于卢斯福结束目录nextback第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢斯福模型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，斯迪尼提出，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多年后汤姆逊的工作.1897年，汤姆逊（J.J.Th
8、omson）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。原子电子关于卢斯福结束目录nextback1899年 Thomson测量 和1909年 Millikan油滴实验精确测定第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型卢瑟福1871年8月30日生于新西 兰的纳尔逊，毕业于新西兰大学 和剑桥大学。 1907年，任曼彻斯特大学物理学 教授。1908年因对放射化学的研 究荣获诺贝尔化学奖。1919年任 剑桥大学教授，并任卡文迪许实 验室主任。1931年英王授予他勋 爵的桂冠。1937年10月19日逝世 。关于卢斯福原子电子结束目录ne
9、xtback第二节：卢瑟福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型在汤姆逊(Thomson)发现电子之后,对于 原子中正负电荷的分布他提出了一个在当时 看来“较为合理”的模型(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 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextback第二节：卢瑟福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型为了检验汤姆逊模型是否正确,卢瑟福于 1911年设计了粒子散射实验,实验中观察到 大多数粒子穿过金箔后发生约一度的偏转.但 有少数粒子（1/8000）
10、偏转角度很大,超过 90度以上,甚至达到180度.对于粒子发生大角度散射的事实,无法 用汤姆逊(Thomoson)模型加以解释(几率 1/103500).除非原子中正电荷集中在很小的 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) 提出了原子的核式模型.Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextback第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：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
11、在其中。同时该模型还进一步假定，电子分布在分 离的同心环上，每个环上的电子容量都不相同 ，电子在各自的平衡位置附近做微振动。因而 可以发出不同频率的光，而且各层电子绕球心 转动时也会发光。这对于解释当时已有的实验 结果、元素的周期性以及原子的线光谱，似乎 是成功的。Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextback第二节：卢瑟福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型粒子散射实验是卢瑟福于1911年设计 的，后来根据实验的结果，卢斯福否定了 汤姆逊模型并提出了原子的核式模型Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Tho
12、mson模 型的失败结束目录nextback卢瑟福模型第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型实验装置如上图所示。放射源 R 中发出一细束粒 子，直射到金属箔上以后，由于各粒子所受金属箔中 原子的作用不同，所以沿着不同的方向散射。荧光屏S及 放大镜M可以沿着以F为中心的圆弧移动。当S和M对准某 一方向上,通过F而在这个方向散射的粒子就射到S上而 产生闪光，用放大镜M观察闪光，就能记录下单位时间内 在这个方向散射的粒子数。从而可以研究粒子通过 金属箔后按不同的散射角的分布情况。Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextbac
13、k第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextback第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型粒子散射实验观察到：被散射的粒子大部分分布在小角度区域， 但是大约有1/8000的粒子散射角 90度，甚 至达到180度,发生背反射。粒子发生这么大 角度的散射，说明它受到的力很大。汤姆逊模型是否可以提供如此大的力？我 们来看一看这两个模型对应的力场模型Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextback第二节：卢斯福模型的
14、提出第一章：原子的位形：卢斯福模型由于核式模型正电荷集中在原子中心很小 的区域，所以无限接近核时，作用力会变得 的很大，而汤姆逊模型在原子中心附近则不 能提供很强的作用力。Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextback第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：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 Fmax如上图,我们假设 粒子以速度 V 射来,且 在原子附近度过的整个时间内均受到 Fmax 的 作用,那么会产生多大角度的散射呢?Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验T
15、homson模 型的失败结束目录nextback第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型如果以能量为5MeV的粒子轰击金箔,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 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextback第二节：卢瑟福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型粒子散射实验否定了汤姆逊的原子模型 ，根据实验结果，卢瑟福于1911年提出了原子 的核式模型。原子中心有一个极小的原子核，它集中了 全部的正电荷和几乎所有的质量，所有电子都 分布在它的外围.卢瑟福根据设想的模型，从理论上推
16、导 出散射公式，并被盖革-马斯顿实验所验证， 核式模型从而被普遍接受。Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextback卢瑟福模型：模型：第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextback第三节：卢斯福散射公式第一章：原子的位形：卢斯福模型库仑散射 公式Rtherford 公式结束目录nextback第三节：卢斯福散射公式第一章：原子的位形：卢斯福模型上一页的图描述了入射速度为 V ，电 荷为 的带电粒子，与电荷为 的靶核发 生散射的情形。当粒子从远离靶核处射过来 以后，在为库仑力的作用下，粒子的运动偏 转了 角。可以证明，散射过程有下列关 系:其中b是瞄准
