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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著名英国物理学家开尔文勋爵在爵在19001900年元旦献词中说：年元旦献词中说： 在物理学的太空，一切在物理学的太空，一切都已明朗洁净了，在远处只剩下都已明朗洁净了，在远处只剩下两朵小小的两朵小小的，令人不安的，令人不安的乌云乌云乌云乌云 迈克耳逊迈克耳逊莫雷实验在寻找莫雷实验在寻找机械机械“以太以太”时得出了零的结果；时得出了零的结果； 运用经典物理学理论无法运用经典物理学理论无法解释黑体辐射的实验曲线。解释黑体辐射的实验曲线。 德国维尔茨堡大学校德国维尔茨堡大学校长、物理学家伦琴（长、物理学家伦琴（W. W. K. RontgenK. Ron
2、tgen，1845-1845-19231923）伦琴在给孔特（伦琴在给孔特（A. KundtA. Kundt，1839-18941839-1894）的信中说：）的信中说： 我终于发现了一种光，我终于发现了一种光，我不知道是什么光，无以我不知道是什么光，无以名之，就把它叫做名之，就把它叫做x光吧。光吧。一、一、x 射线的发现射线的发现 4.1 4.1揭开研究微观世界序幕的三大发现揭开研究微观世界序幕的三大发现伦琴的实验室伦琴的实验室第一张第一张x光片光片K+-A x 射线是由射线是由高速电子撞击物体高速电子撞击物体时产生，从本质上时产生，从本质上它和可见光一样，它和可见光一样，是一种电磁波，它是
3、一种电磁波，它的波长约为：的波长约为： 0.0010.01(nm) 伦琴荣获伦琴荣获19011901年年诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖，成为诺贝尔物理，成为诺贝尔物理奖的第一个获奖者。奖的第一个获奖者。 可以说，现代物理学是从可以说，现代物理学是从可以说，现代物理学是从可以说，现代物理学是从18951895年德国物理学家伦年德国物理学家伦年德国物理学家伦年德国物理学家伦琴发现琴发现琴发现琴发现X X射线开始的。射线开始的。射线开始的。射线开始的。 1896 1896年，法国物理学年，法国物理学家贝克勒尔（家贝克勒尔（Becquerel, Becquerel, 1852-19081852-1908）在
4、对一种荧）在对一种荧光物质（硫酸钾铀）进行光物质（硫酸钾铀）进行研究时发现了天然放射线。研究时发现了天然放射线。贝克勒尔射线贝克勒尔射线贝克勒尔射线贝克勒尔射线二、放射性的发现二、放射性的发现玛丽玛丽 居里（居里（M. S. CurieM. S. Curie，1867-19341867-1934） 居里夫人从居里夫人从18971897年开年开始直至始直至19341934年逝世的年逝世的3838年年科学生涯中，她以惊人的科学生涯中，她以惊人的毅力、顽强的意志、高度毅力、顽强的意志、高度的智慧全心投入放射性研的智慧全心投入放射性研究，发现了放射性元素究，发现了放射性元素“镭镭”和和“钋钋”。191
5、01910年完年完成了她的名著成了她的名著论放射性论放射性，由于她的杰出贡献：，由于她的杰出贡献： 1903 1903年，居里夫妇和年，居里夫妇和贝克勒尔共享了诺贝尔贝克勒尔共享了诺贝尔物物理理奖。奖。 1911 1911年又荣获了诺年又荣获了诺贝尔贝尔化学化学奖。奖。 天然放射性核素能够自发地放出各种射天然放射性核素能够自发地放出各种射线线, ,从而衰变为另一种核素。从而衰变为另一种核素。射线：射线：带两个正电荷的氦核带两个正电荷的氦核 粒子流；粒子流；射线：射线：带负电荷的高速电子流；带负电荷的高速电子流；射线：射线：从原子核内放出来的电磁从原子核内放出来的电磁波，它实际上是一束能量极高的
6、波，它实际上是一束能量极高的光子流，它的波长比光子流，它的波长比X X射线还要射线还要短，穿透本领比短，穿透本领比X X射线更强。射线更强。 德国物理学家普鲁克（德国物理学家普鲁克（J. PluekerJ. Plueker，1801-1801-18681868）于）于18581858年利用盖斯勒放电管研究气体放电时发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的绿色光辉。现了对着阴极的管壁上出现了美丽的绿色光辉。 1876 1876年德国物理学家年德国物理学家哥尔德斯坦证实这种绿色哥尔德斯坦证实这种绿色光辉是由阴极上所产生的光辉是由阴极上所产生的某种射线射到玻璃上产生某种射
7、线射到玻璃上产生的，他把这种射线命名为的，他把这种射线命名为 “阴极射线阴极射线”。三、电子的发现三、电子的发现实验演示1886年，年，J. J. 汤姆逊开始研汤姆逊开始研究气体放电和究气体放电和阴极射线。阴极射线。J. J. 汤姆逊，汤姆逊，1856年年12月月18日生于英国。日生于英国。1884年任卡文年任卡文迪许实验室教迪许实验室教授。授。B-FEFB设粒子的质量为设粒子的质量为m，所带电荷为，所带电荷为e。电场力：电场力：磁场力：磁场力：测荷质比测荷质比: e / mL测定方法：撤去磁场，测出射线在平板电场右端出口处的测定方法：撤去磁场，测出射线在平板电场右端出口处的横向偏转值：横向偏
8、转值：-S荷质比：荷质比：荷质比：荷质比：汤姆逊发现与阴极材料和管内气体无关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分这种粒子应是电极材料原子的基本组成部分J. J. J. J. J. J. J. J. 汤姆逊由此断定：汤姆逊由此断定：汤姆逊由此断定：汤姆逊由此断定： 1909 1909年密立根油滴实验证明一切荷电物质都年密立根油滴实验证明一切荷电物质都只能带有只能带有e的整数倍的电量。的整数倍的电量。 阴极射线粒子所带的电量阴极射线粒子所带的电量 e 是电荷的最小单位。是电荷的最小单位。称：称：电子电子电子的发现再一次否定了原子不可分的观念。电子的发现再一次否定
9、了原子不可分的观念。电子的发现再一次否定了原子不可分的观念。电子的发现再一次否定了原子不可分的观念。 J. J. J. J. 汤姆逊由于发现电汤姆逊由于发现电子而于子而于19061906年荣获诺贝尔物理年荣获诺贝尔物理学奖。学奖。 J. J. J. J. 汤姆逊被誉为汤姆逊被誉为“一位最先打开通向基本粒子一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人物理学大门的伟人”诱发人类进入电子科技时代。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。现在人类进入微电子科技时代。微微电子学子学（Microelectronics）是研究在固体（主要是半）是研究在固体（主要是半导体）体）材料上构成的微小化材料
10、上构成的微小化电路，子系路，子系统及系及系统的的电子学分支。子学分支。1. 原子的原子的“葡萄干布丁模型葡萄干布丁模型”- 1903年，汤姆孙提出年，汤姆孙提出原子结构模型：原子里面原子结构模型：原子里面带正电的部分均匀地分布带正电的部分均匀地分布在整个原子球体中，而带在整个原子球体中，而带负电的电子镶嵌在带正电负电的电子镶嵌在带正电的球体之中。带正电的球的球体之中。带正电的球体与带负电的电子二者电体与带负电的电子二者电量相等，故原子不显电性。量相等，故原子不显电性。 4.2 4.2 原子结构原子结构一、卢瑟福散射和原子核的发现卢瑟福散射和原子核的发现 原子由原子核和原子由原子核和核外电子构成
11、，原子核外电子构成，原子核带正电荷，占据整核带正电荷，占据整个原子的极小一部分个原子的极小一部分空间，而电子带负电，空间，而电子带负电，绕着原子核转动，如绕着原子核转动，如同行星绕太阳转动一同行星绕太阳转动一样。样。原子的核式模型：原子的核式模型：原子的核式模型：原子的核式模型： 1911年卢瑟福提出原年卢瑟福提出原子的子的“有核结构模型有核结构模型”。2. 原子的有核模型原子的有核模型+ +- 粒子散射粒子散射1 / 8000被反射，大部分透过被反射，大部分透过原子内大部分是空的原子内大部分是空的 粒子散射实验，验证了原子的核式模型粒子散射实验，验证了原子的核式模型原子的大小和重量原子的大小
12、和重量原子的直径原子的直径10-10m。把把1000万个碳原子一个接一个万个碳原子一个接一个排成行，其长度只有排成行，其长度只有1厘米。厘米。 50万个原子只能排满头发丝的万个原子只能排满头发丝的距离。距离。全世界全世界50亿人一起来数一滴水亿人一起来数一滴水中包含原子的数目，假定每人中包含原子的数目，假定每人数一个原子的时间一秒钟，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亿人一起数完一滴水中全部原子所需的时间为子所需的时间为30000年年。 原子的质量只有原子的质量只有10-23克。克。一杯水的重量一杯水的重量与其中的一个原子的重量相比，约等于地球与其中的一个原子的重量相比，约
13、等于地球的重量与其上的一小块砖头的重量之比。的重量与其上的一小块砖头的重量之比。二、玻尔模型二、玻尔模型1. 卢瑟福模型的困难卢瑟福模型的困难连续光谱连续光谱电子落到核上电子落到核上电子电子 绕核旋转绕核旋转辐射辐射 S辐射电磁波辐射电磁波 旋转频率旋转频率E 能量减小能量减小R 轨道减小轨道减小T 周期减小周期减小 旋转频率増加旋转频率増加（不稳定系统）（不稳定系统）2. 玻尔模型提出的背景玻尔模型提出的背景（1）爱因斯坦光量子假设：）爱因斯坦光量子假设：光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应（2）氢气放电管氢原子谱线：）氢气放电管氢原子谱线：7000A4100A5000A6000A656
14、3A4861A 4340A在可见光內在可见光內巴尔末公式：巴尔末公式：经验公式经验公式R = 1.096776107 /米米 里德伯常数里德伯常数n =3，4，5 通过氢气放电管通过氢气放电管获得氢原子光谱获得氢原子光谱其中其中m = 1,2,3而而 n = m +1, m + 2, m +3 赖曼系：赖曼系： (紫外光紫外光)m = 1帕邢系帕邢系：(红外光红外光)m = 3布喇开系：布喇开系：(红外光红外光)m = 4普芳德系：普芳德系：(红外光红外光)m = 5或或进一步进一步3 3、轨道角动量量子化假设轨道角动量量子化假设：（3 3）玻尔假设与氢原子理论）玻尔假设与氢原子理论1 1、稳
15、定态假设：稳定态假设：原子中的电子只能在一些分裂的稳定的原子中的电子只能在一些分裂的稳定的 轨道上运行，不辐射电磁波轨道上运行，不辐射电磁波2 2、跃迁假设：跃迁假设： 高能态电子跃迁到低能态时发射单色光高能态电子跃迁到低能态时发射单色光电子角动量电子角动量根据牛顿力学根据牛顿力学原子系统原子系统 总能量总能量n 称量子数称量子数当当 n = 1 时时基态能量基态能量玻尔半径玻尔半径显然显然当电子从当电子从 n m 发生跃迁时发生跃迁时与与比较比较得得（4）玻尔理论对氢原子谱线的解释）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）电子接收外界能量跑到高能级称受激状态受激状态（1
16、）原子位于基态（）原子位于基态（n = 1）时，能量最小，最稳定时，能量最小，最稳定 称称稳定态稳定态（3）受激状态电子会自发迁到低能级，发射光子）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）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-13.58-3.39-1.51-0.85-0.540E En n(eV)(eV)1 12 23 35 54 4氢原子能级图氢原子能级图解：解：n = 2 ,m 例题例题1：当用波长为：当用波长为的光束照射的光束照射氢原子，使氢原子，使 n = 2 状态状态 下的电子刚好移离原子下
17、的电子刚好移离原子(电离电离)。求入。求入射光波长。射光波长。例题例题2 2：如用能量为如用能量为12.812.8eVeV的电子轰击氢原子。问的电子轰击氢原子。问: : 将将 产生几条谱线？产生几条谱线？ 其中波长最长与最短为多少？其中波长最长与最短为多少？ 可见光范围内谱线为多少？可见光范围内谱线为多少？解解 1 1：氢原子获得最高能量氢原子获得最高能量能量量子化能量量子化取取n =4=4则有：则有：4 41 1，4 42 2，4 43 3，3 31 1，3 32 2，2 21 1 共共6 6条谱线条谱线2 2：波长最长：波长最长 为为4 43 3得得3 3：可见光为：可见光为巴尔末系，为巴
18、尔末系，为 4 42 2，3 32 2波长最短波长最短 为为4 41 1补充题、（补充题、（1) 问：用可见光照射能否使处于问：用可见光照射能否使处于n = 2的氢原的氢原 子受到激发而被电离？子受到激发而被电离？（2）求：当用单色光照射，若使第二激发态）求：当用单色光照射，若使第二激发态 (n=3) 的氢的氢原子电离，则入射光波长为多少？原子电离，则入射光波长为多少？三、电子的波粒二重性三、电子的波粒二重性1. 玻尔模型的困难玻尔模型的困难经典粒子、电磁波的辐射、跃迁概率经典粒子、电磁波的辐射、跃迁概率2. 电子的波粒二重性电子的波粒二重性光具有波光具有波粒二象性粒二象性波动性：波动性：衍射
19、衍射，偏振，偏振 粒子性：粒子性：光电，康普顿效应光电，康普顿效应 能量与频率能量与频率动量与波长动量与波长1924 年年 德布罗意提出了德布罗意提出了实物粒子也具有波粒二象性实物粒子也具有波粒二象性（一）德布罗意推论的思想体系（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，）自然界在许多方面存在着显著的对称性（如动物， 植物）植物）对称是平衡的基础对称是平衡的基础（2）我们可以观察到的宇宙是由）我们可以观察到的宇宙是由光和实物组成光和实物组成（3）光具有）光具有 波粒二象性，波粒二象性，物质也具有物质也具有 波粒二象性波粒二象性得实物粒子的波长得实物粒子的波长当
20、当 v c 时时称物质波或德布罗意波称物质波或德布罗意波例如：对宏观低速物体例如：对宏观低速物体当当 m = 0.05千克，千克，v = 300 米米/秒秒无法观测到无法观测到微观粒子？微观粒子？计算电子在室温下计算电子在室温下 =？ 室温室温 T = 300 K接近接近x 射线波长射线波长1928 汤姆孙汤姆孙 金箔衍射实验金箔衍射实验1961 约恩孙约恩孙 电子多缝干涉电子多缝干涉单缝单缝 双缝双缝 三缝三缝 四缝四缝 (二二)电子衍射实验电子衍射实验四、粒子运动的测不准关系四、粒子运动的测不准关系1. 力学量的不确定度力学量的不确定度宏观物体：宏观物体：坐标：坐标： 位置位置动量：动量：
21、 运动量运动量微观物体：微观物体：不能用不能用 x，p 来确定来确定不确定度看电子衍射不确定度看电子衍射xd ppx 电子从缝中出来位置不确定量电子从缝中出来位置不确定量2. 海森堡的测不准关系海森堡的测不准关系位置位置能量能量 4.3 4.3 x 射线谱射线谱一、轫致辐射一、轫致辐射(连续谱）连续谱）高速电子打到靶上，电子与靶高速电子打到靶上，电子与靶原子碰撞过程中，受到原子核原子碰撞过程中，受到原子核的库仑场作用，骤然减速，损的库仑场作用，骤然减速，损失的动能转换为辐射能。失的动能转换为辐射能。0.050.10.150.2 20010000200003000040000400电压为千伏电压
22、为千伏I (计数、秒）计数、秒）铜靶的铜靶的 x 射线谱射线谱KK二、特征辐射二、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。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。其频率可用玻尔氢原子模型近似计算。例如：例如：K壳层壳层谱线12345nKLMoN各种特征各种特征 x 射线示意图射线示意图基本粒子未必基本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，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
23、认识有一个对物质结构的认识有一个逐步深入逐步深入的过程。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，称为人们曾经把当时所认识到的组成物质的最小基本单元，称为“基本粒子基本粒子”，现在知道，基本粒子，现在知道，基本粒子未必基本未必基本。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、反质子核物理学奠定了基础，正电子、反质子、介子、中微子的介子、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，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，促使促使粒子物理粒子物理作为一门独立的学科出
24、现。作为一门独立的学科出现。 4.3 4.3 原子核的结构原子核的结构讨论：讨论：原子核的组成原子核的组成原子量始终是氢原子量的整数倍。原子量始终是氢原子量的整数倍。 1919年，卢瑟福用年，卢瑟福用 粒子作为高速粒子作为高速“炮弹炮弹”来轰击氮原子核，首先实现了原子核的人工破裂。来轰击氮原子核，首先实现了原子核的人工破裂。 用用 粒子轰击氮原子核，能释放氢核，用硼、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。氟、钠、铝、磷等做实验，也能打出氢核。氢核定义为氢核定义为“质子质子”。每个原子核都由氢核构成。每个原子核都由氢核构成。卢瑟福得出结论：卢瑟福得出结论：卢瑟
25、福得出结论：卢瑟福得出结论：一、中子的发现一、中子的发现 1920年，卢瑟福提出中子假说。年，卢瑟福提出中子假说。 他认为原子核中，质子可能与电子紧密地结他认为原子核中，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，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，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，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，因为得到一定的时，才会转折。而被碰撞
26、的核，因为得到一定的动能，可能以一定的速度射出。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年，德国物理学家玻特和贝克发现利用用 粒子轰击铍元素时，产生了一种穿透力极粒子轰击铍元素时，产生了一种穿透力极强而且不受电场或磁场影响的射线。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，并命名为质子相近的中性粒子，并命名为“中子中子”。 粒子轰击铍核粒子轰击铍核反应产物反应产物一个中子（一个中子（n) 和一个碳核（和一个碳核（ ）u 原子质量单位原子质量单位: 核核力力是是把把质质子子和和中中子子
27、纠纠合合在在一一起起，构构成成一一个个个个稳稳定定的的原原子子核核(也也包包括括不不稳稳定定的的原原子子核核)的的强强大的束缚力。大的束缚力。 核核力力出出现现于于质质子子质质子子、中中子子中中子子、质质子中子之间，强度相等。子中子之间，强度相等。(3)核核力力是是与与粒粒子子的的带带电电状状态态完完全全无无关关的的强强大大的的吸引力。吸引力。核力的特点：核力的特点：(2)核力是短程力，作用半径为核力是短程力，作用半径为310-15m。(1) 核力是核力是强相互作用强相互作用，主要是吸引力。，主要是吸引力。二、一种新的相互作用力二、一种新的相互作用力核力核力电磁力、万有引力、强相互作用力（核力）电磁力、万有引力、强相互作用力（核力）
