近代物理基礎(chǔ)-第一章.ppt

,近代物理基礎(chǔ),物理與光電工程學(xué)院 丁洪斌 教授,近代物理學(xué)基礎(chǔ),目錄,結(jié)束,牛頓力學(xué),麥克斯韋電磁場(chǎng)理論,熱力學(xué)與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論, 19世紀(jì)后期，經(jīng)典物理學(xué)的三大理論體系使經(jīng)典物理學(xué)已趨于成熟。,兩朵烏云： Troubles with Classical Physics, 邁克耳遜莫雷“以太漂移”實(shí)驗(yàn), 黑體輻射實(shí)驗(yàn),狹義相對(duì)論,量子力學(xué),相對(duì)論,A.愛(ài)因斯坦 20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家 1879年3月14日生于德國(guó)烏爾姆，1900年畢業(yè)于瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)。1905年，愛(ài)因斯坦在科學(xué)史上創(chuàng)造了史無(wú)前例的奇跡。這一年的3月到9月的半年中，利用業(yè)余時(shí)間發(fā)表了 6 篇論文，在物理學(xué) 3 個(gè)領(lǐng)域作出了具有劃時(shí)代意義的貢獻(xiàn) 創(chuàng)建了光量子理論、狹義相對(duì)論和分子運(yùn)動(dòng)論。,愛(ài)因斯坦在1915年到1917年3年中還在 3 個(gè)不同領(lǐng)域做出了歷史性的杰出貢獻(xiàn) 建成廣義相對(duì)論、輻射量子理論和現(xiàn)代科學(xué)的宇宙論。,愛(ài)因斯坦獲得 1921 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,量子理論 代表人物：普朗克，玻爾，薛定諤，海森堡，狄拉克等,1900年普朗克提出“量子”概念解釋黑體輻射； 其后玻爾發(fā)表氫原子量子論，薛定諤建立量子波動(dòng)力學(xué)， 海森堡提出測(cè)不準(zhǔn)原理和矩陣力學(xué)，狄拉克建立相對(duì)論量子力學(xué)。,普朗克假設(shè)物質(zhì)(原子)和輻射(電磁輻射)交換 能量時(shí)(吸收和放射)，是以有限的單位進(jìn) 行的，這基本單位稱為量子(quantum)，即必交換、2、3、等的整數(shù)倍，不能以的非整數(shù)倍來(lái)進(jìn)行能量交換。這量子與頻率成正比，即 h h稱為普朗克常數(shù)，其值為6.631034焦耳秒。,第二部：原子結(jié)構(gòu)及量子力學(xué)主要內(nèi)容,原子的構(gòu)形：盧瑟福模型,1,原子的量子態(tài)：玻爾模型,2,原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)：電子的自旋,3,多電子原子：泡利原理,4,5,X射線,量子力學(xué)導(dǎo)論,6,7,分子結(jié)構(gòu),第二部,目錄,結(jié)束,課程安排,a. 作業(yè)、平時(shí)表現(xiàn) 20 % b. 期末考核 80% 丁洪斌: 助教：吳興偉：,第二部,目錄,結(jié)束,參考教材,1.楊桂林，近代物理，科學(xué)出版社（2004） 2. 徐克尊,近代物理學(xué),中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社(2008) 3.凱格納克、裴貝-裴羅拉，近代原子物理學(xué)，科學(xué)出版社（1980） 4.威切曼，量子物理學(xué)，科學(xué)出版社（1979）,第一章：原子的位形：盧斯福模型,第一節(jié) 背景知識(shí),第二節(jié) 盧斯福模型的提出,第三節(jié) 盧斯福散射公式,第四節(jié) 盧斯福公式的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,第五節(jié) 行星模型的意義及困難,結(jié)束,第一節(jié)：背景知識(shí),第一章：原子的位形：盧斯福模型,“原子-atom”一詞來(lái)自希臘文，意思是“不可分割的”。,關(guān)于盧斯福,原子,電子,結(jié)束,目錄,next,back,古希臘哲學(xué)家德漠克利特(Democritus)提出這一概念，并把它看作物質(zhì)的最小單元,中國(guó)古代提出“端”“無(wú)內(nèi)”“莫破”等類似概念。,困難：不能解釋光、電、熱等物理現(xiàn)象和燃燒等化學(xué)過(guò)程,第一節(jié)：背景知識(shí),第一章：原子的位形：盧斯福模型,原子,電子,關(guān)于盧斯福,結(jié)束,目錄,next,back,1811年,阿伏加德羅Avogadro,化學(xué)原子學(xué)說(shuō),1808年,道爾頓Dalton,化學(xué)反應(yīng)中，原子不可分解，性質(zhì)不變；,不同元素的原子不同，每種原子有確定原 子量。,氣體由分子組成，分子由原子組成。,1869年,門捷列夫 Mendeleev,發(fā)現(xiàn)元素周期律，預(yù)言新元素,近代原子物理序幕,同溫同壓的同體積氣體含相同數(shù)目的分子。,19世紀(jì)末,三大發(fā)現(xiàn)X射線（1895）放射性（1896）電子（1897）,第一節(jié)：背景知識(shí),第一章：原子的位形：盧斯福模型,原子,電子,關(guān)于盧斯福,結(jié)束,目錄,next,back,原子是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)層次，介于分子和原子核之間。,1911年,Rutherford,原子核式結(jié)構(gòu)模型,1913年,Bohr,原子量子理論,解釋氫光譜,1923-1927,量子力學(xué)誕生,成功解釋原子現(xiàn)象,1960s 激光器的發(fā)明 激光與原子的相互作用,激光制冷,超冷原子BEC,第一節(jié)：背景知識(shí),第一章：原子的位形：盧斯福模型,當(dāng)原子學(xué)說(shuō)逐漸被人們接受以后，人們又面臨著新的問(wèn)題：,原子,電子,關(guān)于盧斯福,結(jié)束,目錄,next,back,問(wèn)題：,組成成分?,結(jié)構(gòu)和相互作用?,內(nèi)部運(yùn)動(dòng)?,原子是最小的粒子嗎？,在學(xué)習(xí)這門課的時(shí)候；一部分問(wèn)題的謎底會(huì)逐漸揭開。,第一節(jié)：背景知識(shí),第一章：原子的位形：盧斯福模型,電子是原子的組成之一。 電子的發(fā)現(xiàn)并不是偶然的，在此之前已有豐富的積累。,1811年，阿伏伽德羅（A.Avogadno）定律問(wèn)世，提出1mol任何原子的數(shù)目都是6.022*1023個(gè)。,1833年，法拉第（M.Faraday）提出電解定律，1mol任何原子的單價(jià)離子永遠(yuǎn)帶有相同的電量-即法拉第常數(shù)。,原子,電子,關(guān)于盧斯福,結(jié)束,目錄,next,back,第一節(jié)：背景知識(shí),第一章：原子的位形：盧斯福模型,1874年，斯迪尼（G.T.Stoney）綜合上述兩個(gè)定律，指出原子所帶電荷為一個(gè)電荷的整數(shù)倍，斯迪尼提出，用“電子”來(lái)命名這個(gè)電荷的最小單位。但實(shí)際上確認(rèn)電子的存在，卻是20多年后湯姆遜的工作.,1897年，湯姆遜（J.J.Thomson）發(fā)現(xiàn)電子：通過(guò)陰極射線管中電子荷質(zhì)比的測(cè)量，湯姆遜（J.J.Thomson）預(yù)言了電子的存在。,原子,電子,關(guān)于盧斯福,結(jié)束,目錄,next,back,第二節(jié)：盧斯福模型的提出,第一章：原子的位形：盧斯福模型,盧瑟福1871年8月30日生于新西蘭的納爾遜，畢業(yè)于新西蘭大學(xué)和劍橋大學(xué)。 1907年，任曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)教授。1908年因?qū)Ψ派浠瘜W(xué)的研究榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1919年任劍橋大學(xué)教授，并任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任。1931年英王授予他勛爵的桂冠。1937年10月19日逝世。,關(guān)于盧斯福,原子,電子,結(jié)束,目錄,next,back,第二節(jié)：盧瑟福模型的提出,第一章：原子的位形：盧斯福模型,在湯姆遜(Thomson)發(fā)現(xiàn)電子之后,對(duì)于原子中正負(fù)電荷的分布他提出了一個(gè)在當(dāng)時(shí)看來(lái)“較為合理”的模型(如能部分解釋周期表).,即原子中帶正電部分均勻分布在原子體內(nèi),電子鑲嵌在其中，人們稱之為“葡萄干面包模型“.,Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射實(shí)驗(yàn),Thomson模型的失敗,結(jié)束,目錄,next,back,第二節(jié)：盧瑟福模型的提出,第一章：原子的位形：盧斯福模型,為了檢驗(yàn)湯姆遜模型是否正確,盧瑟福于1911年設(shè)計(jì)了粒子散射實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中觀察到大多數(shù)粒子穿過(guò)金箔后發(fā)生約一度的偏轉(zhuǎn).但有少數(shù)粒子（1/8000）偏轉(zhuǎn)角度很大,超過(guò)90度以上,甚至達(dá)到180度.,對(duì)于粒子發(fā)生大角度散射的事實(shí),無(wú)法用湯姆遜(Thomoson)模型加以解釋(幾率1/103500).除非原子中正電荷集中在很小的體積內(nèi)時(shí)，排斥力才會(huì)大到使粒子發(fā)生大角度散射,在此基礎(chǔ)上,盧瑟福(Rutherford)提出了原子的核式模型.,Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射實(shí)驗(yàn),Thomson模型的失敗,結(jié)束,目錄,next,back,第二節(jié)：盧斯福模型的提出,第一章：原子的位形：盧斯福模型,湯姆遜(Thomson)模型認(rèn)為,原子中正電荷均勻分布在原子球體內(nèi)，電子鑲嵌在其中。原子如同西瓜，瓜瓤好比正電荷，電子如同瓜籽分布在其中。,同時(shí)該模型還進(jìn)一步假定，電子分布在分離的同心環(huán)上，每個(gè)環(huán)上的電子容量都不相同，電子在各自的平衡位置附近做微振動(dòng)。因而可以發(fā)出不同頻率的光，而且各層電子繞球心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也會(huì)發(fā)光。這對(duì)于解釋當(dāng)時(shí)已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、元素的周期性以及原子的線光譜，似乎是成功的。,Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射實(shí)驗(yàn),Thomson模型的失敗,結(jié)束,目錄,next,back,第二節(jié)：盧瑟福模型的提出,第一章：原子的位形：盧斯福模型,粒子散射實(shí)驗(yàn)是盧瑟福于1911年設(shè)計(jì)的，后來(lái)根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，盧斯福否定了湯姆遜模型并提出了原子的核式模型,Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射實(shí)驗(yàn),Thomson模型的失敗,結(jié)束,目錄,next,back,盧瑟福模型,第二節(jié)：盧斯福模型的提出,第一章：原子的位形：盧斯福模型,實(shí)驗(yàn)裝置如上圖所示。放射源 R 中發(fā)出一細(xì)束粒子，直射到金屬箔上以后，由于各粒子所受金屬箔中原子的作用不同，所以沿著不同的方向散射。熒光屏S及放大鏡M可以沿著以F為中心的圓弧移動(dòng)。當(dāng)S和M對(duì)準(zhǔn)某一方向上,通過(guò)F而在這個(gè)方向散射的粒子就射到S上而產(chǎn)生閃光，用放大鏡M觀察閃光，就能記錄下單位時(shí)間內(nèi)在這個(gè)方向散射的粒子數(shù)。從而可以研究粒子通過(guò)金屬箔后按不同的散射角的分布情況。,Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射實(shí)驗(yàn),Thomson模型的失敗,結(jié)束,目錄,next,back,第二節(jié)：盧斯福模型的提出,第一章：原子的位形：盧斯福模型,Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射實(shí)驗(yàn),Thomson模型的失敗,結(jié)束,目錄,next,back,第二節(jié)：盧斯福模型的提出,第一章：原子的位形：盧斯福模型,粒子散射實(shí)驗(yàn)觀察到：,被散射的粒子大部分分布在小角度區(qū)域，但是大約有1/8000的粒子散射角 90度，甚至達(dá)到180度,發(fā)生背反射。粒子發(fā)生這么大角度的散射，說(shuō)明它受到的力很大。,湯姆遜模型是否可以提供如此大的力？我們來(lái)看一看這兩個(gè)模型對(duì)應(yīng)的力場(chǎng)模型,Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射實(shí)驗(yàn),Thomson模型的失敗,結(jié)束,目錄,next,back,第二節(jié)：盧斯福模型的提出,第一章：原子的位形：盧斯福模型,由于核式模型正電荷集中在原子中心很小的區(qū)域，所以無(wú)限接近核時(shí)，作用力會(huì)變得的很大，而湯姆遜模型在原子中心附近則不能提供很強(qiáng)的作用力。,Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射實(shí)驗(yàn),Thomson模型的失敗,結(jié)束,目錄,next,back,第二節(jié)：盧斯福模型的提出,第一章：原子的位形：盧斯福模型,對(duì)于湯姆遜模型而言，只有掠入射(r=R)時(shí),入射 粒子受力最大，設(shè)為 Fmax,如上圖,我們假設(shè) 粒子以速度 V 射來(lái),且在原子附近度過(guò)的整個(gè)時(shí)間內(nèi)均受到 Fmax 的作用,那么會(huì)產(chǎn)生多大角度的散射呢?,Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射實(shí)驗(yàn),Thomson模型的失敗,結(jié)束,目錄,next,back,第二節(jié)：盧斯福模型的提出,第一章：原子的位形：盧斯福模型,如果以能量為5MeV的粒子轟擊金箔,最大偏轉(zhuǎn)角為,即在上述兩種情形下,粒子散射角都很小,故Tomson模型不成立,Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射實(shí)驗(yàn),Thomson模型的失敗,結(jié)束,目錄,next,back,第二節(jié)：盧瑟福模型的提出,第一章：原子的位形：盧斯福模型,粒子散射實(shí)驗(yàn)否定了湯姆遜的原子模型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，盧瑟福于1911年提出了原子的核式模型。,原子中心有一個(gè)極小的原子核，它集中了全部的正電荷和幾乎所有的質(zhì)量，所有電子都分布在它的外圍.,盧瑟福根據(jù)設(shè)想的模型，從理論上推導(dǎo)出散射公式，并被蓋革-馬斯頓實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證，核式模型從而被普遍接受。,Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射實(shí)驗(yàn),Thomson模型的失敗,結(jié)束,目錄,next,back,盧瑟福模型：,第二節(jié)：盧斯福模型的提出,第一章：原子的位形：盧斯福模型,Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射實(shí)驗(yàn),Thomson模型的失敗,結(jié)束,目錄,next,back,第三節(jié)：盧斯福散射公式,第一章：原子的位形：盧斯福模型,庫(kù)侖散射公式,Rtherford公式,結(jié)束,目錄,next,back,第三節(jié)：盧斯福散射公式,第一章：原子的位形：盧斯福模型,上一頁(yè)的圖描述了入射速度為 V ，電荷為 的帶電粒子，與電荷為 的靶核發(fā)生散射的情形。當(dāng)粒子從遠(yuǎn)離靶核處射過(guò)來(lái)以后，在為庫(kù)侖力的作用下，粒子的運(yùn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)了 角?？梢宰C明，散射過(guò)程有下列關(guān)系:,其中b是瞄準(zhǔn)距離，表示入射粒子的最小垂直距離。,為庫(kù)侖散射因子。,Rtherford公式,庫(kù)侖散射公式,結(jié)束,目錄,next,back,第三節(jié)：盧斯福散射公式,第一章：原子的位形：盧斯福模型,散射公式推導(dǎo):,設(shè)入射粒子為粒子，在推導(dǎo)庫(kù)侖散射公式之前，我們對(duì)散射過(guò)程作如下假設(shè)：,1.假定只發(fā)生單次散射；,2.假定粒子與原子核之間只有庫(kù)侖力相互作用；,Rtherford公式,庫(kù)侖散射公式,結(jié)束,目錄,next,back,3.忽略核外電子的作用；,4.假定原子核靜止。,第三節(jié)：盧斯福散射公式,第一章：原子的位形：盧斯福模型,牛頓第二定律可得:,Rtherford公式,庫(kù)侖散射公式,原子的角動(dòng)量守恒可得：,系統(tǒng)機(jī)械能守恒可得：,系統(tǒng)角動(dòng)量守恒可得：,第三節(jié)：盧斯福散射公式,第一章：原子的位形：盧斯福模型,Rtherford公式,庫(kù)侖散射公式,結(jié)束,目錄,next,back,其中,得到粒子散射偏轉(zhuǎn)角（庫(kù)倫散射）公式,b 與 之間有著對(duì)應(yīng)關(guān)系，瞄準(zhǔn)距離 b 減小，則散射角增大，但要想通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，卻存在困難，因?yàn)槊闇?zhǔn)距離 b 仍然無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，所以對(duì)上式還需要進(jìn)一步推導(dǎo)，以使微觀量與宏觀量聯(lián)系起來(lái)。,第三節(jié)：盧斯福散射公式,第一章：原子的位形：盧斯福模型,庫(kù)侖散射公式對(duì)核式模型的散射情形作了理論預(yù)言，它是否正確只有實(shí)驗(yàn)?zāi)芙o出答案，但目前瞄準(zhǔn)距離 b 仍然無(wú)法測(cè)量。因此必須設(shè)法用可觀察的量來(lái)代替 b ，才能進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。,庫(kù)侖散射公式,Rtherford公式,結(jié)束,目錄,next,back,第三節(jié)：盧斯福散射公式,第一章：原子的位形：盧斯福模型,盧瑟福完成了這項(xiàng)工作，并推導(dǎo)出了著名的盧瑟福公式,Rutherford公式推導(dǎo):,首先,我們來(lái)看看只有一個(gè)靶原子核時(shí)的情形由庫(kù)侖散射公式,我們知道,隨著瞄準(zhǔn)距離b的減小,散射角增大,參考下圖,可見瞄準(zhǔn)距離在bb=db之間的粒子,必然被散射到-d之間的空心圓錐體之中.,庫(kù)侖散射公式,Rtherford公式,結(jié)束,目錄,next,back,第三節(jié)：盧斯福散射公式,第一章：原子的位形：盧斯福模型,庫(kù)侖散射公式,Rtherford公式,結(jié)束,目錄,next,back,為 對(duì)應(yīng)的空心圓錐體的立體角,上圖所示環(huán)的面積為,第三節(jié)：盧斯福散射公式,第一章：原子的位形：盧斯福模型,在 立體角內(nèi),設(shè)靶的總面積為 A ,靶上原子核單位密度為n,靶的厚度為 t, 則靶上的總原子核為nAt個(gè),那么相應(yīng)于d立體角的總散射面積為：,庫(kù)侖散射公式,Rtherford公式,結(jié)束,目錄,next,back,對(duì)一個(gè)入射粒子而言,被散射到-d 內(nèi)的幾率為：,在實(shí)際測(cè)量中，常引入微分截面來(lái)描述散射幾率。 微分截面定義:靶的單位面積內(nèi)的每個(gè)靶原子核，將粒子散射到方向單位立體角的幾率。,第三節(jié)：盧斯福散射公式,第一章：原子的位形：盧斯福模型,微分截面,這就是著名的盧瑟福公式,庫(kù)侖散射公式,Rtherford公式,結(jié)束,目錄,next,back,物理意義：,入射粒子散射到 角方向單位立體角內(nèi)每個(gè)原子的有效散射截面，即散射到該區(qū)的粒子幾率大小。,的單位：米2/球面度（m2sr-1），通常以靶恩作為截面單位， 用符號(hào)b表示，1b=10-28m-2， 的常用單位是b/sr,第四節(jié)：盧瑟福公式的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,第一章：原子的位形：盧斯福模型,由盧瑟福公式，我們可以作出如下預(yù)言:,2.在粒子能量及偏轉(zhuǎn)角固定時(shí)，被散射的粒子數(shù)與金屬箔厚度成正比；,預(yù)言,盧瑟福公式實(shí)驗(yàn)裝置,R原子核大小的估計(jì),結(jié)束,目錄,next,back,1.一定能量的粒子，被一定的金屬箔散射時(shí)，在 角方向單位立體角中的粒子數(shù)與