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1、原子物理学,绪 论,物质结构的一个层次：介于分子与原子核之间内容：原子的组成与位形；原子内部的运动规律和相互作用规律；,一、原子物理学的研究对象,二、原子物理学发展简史,古代的“原子”观点 公元前4世纪，古希腊人的观点：德莫克利特: 原子作为物质的最小单元，不可再分割；亚里士多德:物质是连续的，可无限分割。 中国战国时期：墨经：“端，体之无序最前者也”；惠施：“其小无内，谓之小一”； 公孙龙：“一尺之棰，日取其半，万世不竭”。,科学原子论1806，Proust: 化合物分子的定组成定律；1807, Dalton: 倍比定律，原子论；1808, Gay-Lussac: 元素气体在相等体积中的重
2、量正比语其原子量；1811，Avogadro: 阿伏伽德罗定律；1826，Brown: 布朗运动；1833，Farady: 电解定律；1869，门捷列夫：元素周期表；19世纪末，X射线，放射性，电子的发现近代物理,原子行为的表现形式： 光谱 1、理论与实验结合的方法； 2、注重历史发展过程； 3、非经典的思维方法。,三、原子物理学的研究方法,1、研究对象:10-15m L 10-10m。对微观体系不能要求都按宏观规律来描述，微观体系自有一套规律，原子物理学中并未完全否定经典规律，不少经典规律仍在微观物理中有用，至于何者可用，何处可用，或不可用，决定于实践的检验；微观体系不能直接观察，缺少直观性
3、。2、原子物理学是实验性学科物理现象理论假设实验验证正确理论3.、过渡性理论是一个经典观念与量子观点的混合物，在经典物理与量子力学间起承前启后的作用。,四、原子物理学的主要特点,第一章 原子的基本状况,一、原子的质量,一百多种元素的原子，其质量各不相同。将自然界最丰富的12C的原子质量定为12个单位，记为12u，u为原子质量单位。12C的摩尔质量12g/mol（原子量），一个12C原子质量为,元素 X 的原子质量为,A是原子量，代表一摩尔原子以克为单位的质量数。, 1.1 原子的质量和大小,氢原子的质量：MH=1.6736710-24克,二、 原子的大小,原子的半径为,例如 Li原子 A=7，
4、 =0.7， rLi=0.16nm；Pb原子 A=207， =11.34，rPb=0.19nm；,三、 原子的组成,1897年汤姆逊从如 右图放电管中的阴极射 线发现了带负电的电子, 并测得了e/m比。1910年 密立根用油滴做实验发 现了电子的电量值为 e =1.6021019（c） 从而电子质量是me=9.1091031kg=5.487104u 原子是由电子和原子核组成的,这是卢瑟福在1911年提出的原子模型。,一、汤姆逊原子模型汤姆逊提出原子的布丁(pudding)模型,认为正电荷均匀分布在半径为R 的原子球体内,电子像布丁镶嵌在其中,如下图, 1.2 原子核式结构模型,1903年英国科
5、学家汤姆逊提出 “葡萄干蛋糕”式原子模型或称为“西瓜”模型。,二、 粒子散射实验,检验汤姆逊模型的正确性,目的,原理,带电粒子射向原子,探测出射粒子的角分布。,( a) 侧视图,(b) 俯视图,R:放射源 F:散射箔 S:闪烁屏 B:圆形金属匣 A:代刻度圆盘 C:光滑套轴 T:抽空B的管 M:显微镜,实验装置和模拟实验,大多数散射角很小，约1/8000散射大于90； 极个别的散射角等于180。,结果,卢瑟福等人用质量为4.0034 u的高速粒子(带+2e电量)撞击原子, 探测原子结构。按照布丁模型，原子只对掠过边界（R）的粒子有较大的偏转。,例如, EK=5.0 MeV ， Z(金)=79
6、， maxm（粒子质量）时, 可视为核不动,于是问题化为单质点m在有心反平方库仑斥力作用下的运动问题。,粒子的散射角与瞄准距离的关系,粒子的散射角与瞄准距离的关系,例1、 动能为5.00MeV的粒子被金核以90散射时,它的瞄准距离(碰撞参数)为多大? 解: 因入射的粒子质量远小于金核的质量,故可忽略靶核的反冲,利用库仑散射公式可求得瞄准距离,已知Z1=2, Z2=79 , EK=5.00MeV,代入上式后得:,2.原子核大小的估算,由能量守恒定律:,又物体在有心力场中运动，角动量守恒,联立两式消去v,粒子离原子核的最小距离rm近似为原子核的半径:,rm=310-14m （金） rm=1.2 1
7、0-14 m （铜）rm=2 10-14m （银）,放出的粒子，150理论仍然有效， V0.064C 金薄箔 Z=79 ，计算出：,只要知道散射物的Z和粒子的原有速度v，从观察到的散射角，可推算粒子离原子核的最近距离,原子半径数量级为10-10米，原子核半径数量级为10-15-10-14米，相差4-5个数量级，面积相差8-10个数量级，体积相差12-15个数量级。若把原子放大到足球场地那么大，则原子核相当于场地中心的一个黄豆粒。可见原子中是非常空旷的。,库仑散射公式只在库仑力作用下才成立，在小角度散射下,当粒子进入原子中时,由于内层电子对核的屏蔽作用,这时粒子感受到非库仑力的作用,上公式不再成
8、立。 考虑核的反冲运动时,必须作两体问题处理，引入折合质量 散射公式不变，但公式中,3.一些讨论,例2、 (1)试问:4.0MeV的粒子与金核对心碰撞时的最小距离是多少?(2)若把金核改为 核,则结果又如何? 解(1)在卢瑟福散射中,当散射角为时,带正电Z1e的散射粒子与靶核中心的最近距离由下式给出:,对心碰撞时,散射角=180,代入上式即得入射粒子与靶核对心碰撞时的最小距离:,(2)当靶核由金核改为3Li核后,靶核的质量不再远大于入射粒子的质量,此时必须考虑靶核的反冲,即库仑散射因子必须采用下式:,式中E0为质心系中能量,于是有:,1. 卢瑟福散射公式的推导2. 卢瑟福散射公式的实验验证,五
9、、卢瑟福散射公式及实验验证,1.卢瑟福散射公式的推导(P-12),由库仑散射角公式（1）对瞄准距离在bb+db之间的 粒子，散射角为-d，在一个散射物原子核外环形面积为d=2bdb内的粒子必散射到+d圆锥壳内，对应的立体角,（1）式平方后微分,d 粒子被某个散射物原子散射到+d之间立体角为d内的有效散射截面，称为微分截面。单位：靶（b）， 1b=10-28m2 1mb=10-31m2,实验情况是n个粒子打在面积为A，厚度为t的散射薄膜上，若单位体积内有N 个原子核，那么体积At内共有NAt个核对入射粒子散射。假定各个核对 粒子的散射是独立事件，散射在 +d内的薄膜总有效散射截面为d=NAt d
10、，粒子数为dn，则,对同一粒子源（EK同），同一靶体（Z,t同）， 一定时说明：实际测量往往不是在+d张开的全部立体角 d=2sind内测量被散射的粒子数dn，而是在一个有限小窗口（ds ）张的立体角d=ds/r2内测量散射的粒子数dN 。 由于散射公式只与有关，在同一个位置上有 dN/d=dN/d ，所以上公式可运于小窗口探测。,2 . 卢瑟福散射公式的实验验证,对同一放射源（EK同），同一靶体（Z,t同） 对同一放射源，同一靶材，但厚度t不同，在方向接收的 不同放射源（ EK不同），同一靶体，在方向测得 对同一放射源；不同靶材（Z不同），但Nt同，在方向测得盖革和马斯顿按上述作了一系列实验
11、，结果与理论符合很好，从而确立了原子有核模型。,a.卢瑟福散射公式仅对 大角(45)有效。当45时,理论与实验偏离很大。,几点说明：,b. 仅对薄靶才有效。,题3 、钋放射的一种粒子的速度为1.597米/秒，正面垂直入射于厚度为10-7米、密度为1.932104公斤/米3的金箔。试求所有散射在900的粒子占全部入射粒子数的百分比。已知金的原子量为197。,解：散射角在+d之间的粒子数dn与入射到箔上的总粒子数n的比是：dn/n=Ntd(P-14公式4） 其中单位体积中的金原子数：N=/mAu = n0/AAu 而散射角大于900的粒子数为：,六、粒子散射实验的意义,1、通过实验解决了原子中正、负电荷的排布问题，建立了一个与 实验相符的原子结构模型，使人们认识到原子中的正电荷集中 在核上，提出了以核为中心的概念，从而将原子分为核外与核 内两部分，并且认识到高密度的原子核的存在，在原子物理学 中起了重要作用。,2、 粒子散射实验为人类开辟了一条研究微观粒子结构的新途径，以散射为手段来探测，获得微观粒子内部信息的方法，为近代物理实验奠定了基础，对近代物理有着巨大的影响。,3、粒子散射实验还为材料分析提供了一种手段。,作业,第一章习题：1、2、3、4、5。,
