原子物理學緒論

1、原子物理學原子物理學 Atomic Physics廣州大學物理與電子工程學院廣州大學物理與電子工程學院皮飛鵬皮飛鵬_E-mail: ；QQ:1269142263答疑地點：行政西樓前座答疑地點：行政西樓前座401，周，周1上午上午1大節(jié)、周大節(jié)、周4下午下午短號：短號：683399緒論緒論o本課程的定位本課程的定位o原子物理發(fā)展簡史原子物理發(fā)展簡史o學習建議學習建議o參考書目參考書目o課程要求課程要求關(guān)于本課程的定位關(guān)于本課程的定位o可以確定的：普通物理學的第可以確定的：普通物理學的第5門！量子力學的基礎(chǔ)！門！量子力學的基礎(chǔ)！o不那么確定的：叫什么名字！講什么內(nèi)容！不那么確定的：叫什么名字！講什

2、么內(nèi)容！ 原子物理學：原子物理學：介紹原子介紹原子/量子物理的發(fā)展歷程，量子力學基本原理及應量子物理的發(fā)展歷程，量子力學基本原理及應用于原子、分子的結(jié)果（重點），亞原子物理。歸納法！用于原子、分子的結(jié)果（重點），亞原子物理。歸納法！(常見常見) 量子物理：量子物理：從量子力學基本原理出發(fā)，研究原子、分子的結(jié)構(gòu)和規(guī)律，從量子力學基本原理出發(fā)，研究原子、分子的結(jié)構(gòu)和規(guī)律，介紹亞原子物理。演繹法！介紹亞原子物理。演繹法！(費曼的體系；趙凱華的體系費曼的體系；趙凱華的體系) 近代物理學：近代物理學：原子原子/量子物理，有時包括相對論量子物理，有時包括相對論o我的選擇：原子物理學我的選擇：原子物理學At

3、om Physicso我的想法：我的想法： 我們是師范生，了解知識的創(chuàng)建過程也許比了解知識本身更重要！我們是師范生，了解知識的創(chuàng)建過程也許比了解知識本身更重要！ 普通物理前幾門都是演繹法，讓我們忘記了前人的艱辛和快樂！普通物理前幾門都是演繹法，讓我們忘記了前人的艱辛和快樂！20世紀初的物理學革命：相對論、量子力學世紀初的物理學革命：相對論、量子力學o相對論相對論：極富傳奇色彩，眾人皆：極富傳奇色彩，眾人皆“知知” 主要是主要是A.Einstein個人的杰作個人的杰作o量子力學量子力學：每個人須臾都離不開，卻知者甚少：每個人須臾都離不開，卻知者甚少 其實也極富傳奇色彩！其實也極富傳奇色彩！ 由由

4、N.Bohr領(lǐng)導的一批天才的年輕物理學家創(chuàng)建領(lǐng)導的一批天才的年輕物理學家創(chuàng)建o發(fā)端于發(fā)端于：1920世紀之交的世紀之交的3大發(fā)現(xiàn)大發(fā)現(xiàn)o讓我們將思緒先調(diào)整到春秋戰(zhàn)國讓我們將思緒先調(diào)整到春秋戰(zhàn)國/ /古希臘時期，人類第古希臘時期，人類第一個思想輝煌的時代一個思想輝煌的時代o西方：西方： Atom: 物質(zhì)的最小單元，物質(zhì)的最小單元，“不可分割的不可分割的” 古希臘：古希臘： 最早由最早由BC5世紀希臘思想家留基伯提出，其學生世紀希臘思想家留基伯提出，其學生Democritus德謨克利特德謨克利特發(fā)展發(fā)展 近代：近代：Galileo伽利略伽利略Descartes 笛卡爾笛卡爾 Boyle 玻玻意爾意

5、爾Newton牛頓牛頓Dalton道爾頓道爾頓 物質(zhì)無限可分：物質(zhì)無限可分：物質(zhì)是連續(xù)的物質(zhì)是連續(xù)的 古希臘：古希臘：Aristotle亞里斯多德亞里斯多德 現(xiàn)代現(xiàn)代: 分子分子原子原子基本粒子基本粒子夸克夸克？人類認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)的歷史：人類認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)的歷史：古代古代o中國中國戰(zhàn)國時期戰(zhàn)國時期 端端小一小一 莫破莫破: 物質(zhì)的最小單元物質(zhì)的最小單元（梁啟超的解讀梁啟超的解讀） 墨子墨子：端，體之無序最前者也：端，體之無序最前者也 惠施惠施：其小無內(nèi)，謂之小一：其小無內(nèi)，謂之小一 中庸中庸、朱熹、嚴復、朱熹、嚴復：莫破，莫能破：莫破，莫能破 物質(zhì)無限可分物質(zhì)無限可分：物質(zhì)是連續(xù)可分的：物質(zhì)是連續(xù)

6、可分的 公孫龍公孫龍：一尺之棰，日取其半，萬世不竭：一尺之棰，日取其半，萬世不竭人類認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)的歷史：人類認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)的歷史：古代古代討論：物質(zhì)是無限可分的嗎？討論：物質(zhì)是無限可分的嗎？oAtom(希臘字希臘字): indivsible, not+cut, 不可分割的不可分割的o楊福家：楊福家：“公孫龍兩千多年前的臆想，正在不斷得到現(xiàn)代科學的支持公孫龍兩千多年前的臆想，正在不斷得到現(xiàn)代科學的支持”o何祚庥：物質(zhì)無限可分何祚庥：物質(zhì)無限可分 = 辯證法，辯證法， 夸克（即：層子），毛粒子（毛的辯證法）夸克（即：層子），毛粒子（毛的辯證法）o關(guān)洪：關(guān)洪：1. “物質(zhì)無限可分物質(zhì)無限可分”既不合于

7、辯證法，既不合于辯證法， 亦沒有得到任何物理學規(guī)律的支持亦沒有得到任何物理學規(guī)律的支持； 2. 中國古代沒有原子論的萌芽中國古代沒有原子論的萌芽o1.關(guān)洪，原子論的歷史與現(xiàn)狀，北京大學出版社，關(guān)洪，原子論的歷史與現(xiàn)狀，北京大學出版社，2006，第一章，第一章 2.何祚庥，三大論戰(zhàn)何祚庥，三大論戰(zhàn)現(xiàn)代物理學研究中的哲學問題，北京師大出版社，現(xiàn)代物理學研究中的哲學問題，北京師大出版社，2000人類認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)的歷史：人類認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)的歷史：1919世紀的化學世紀的化學o1807年年J.Dalton原子學說；原子學說；1811年年A.Avodadro假說假說o1818世紀，化學大師世紀，化學大師A.

8、L.LavoisierA.L.Lavoisier（拉瓦錫）（拉瓦錫）發(fā)現(xiàn)氧發(fā)現(xiàn)氧O, 否定燃素說，確定化學元素概念，否定燃素說，確定化學元素概念，古代古代煉金術(shù)煉金術(shù) 近代化學近代化學o1818世紀末世紀末1919世紀初，世紀初，化學家發(fā)現(xiàn)：化學家發(fā)現(xiàn)： 定比定律、等比定律（化學反應物與生成物的質(zhì)量關(guān)系）定比定律、等比定律（化學反應物與生成物的質(zhì)量關(guān)系）o Dalton Dalton原子原子- -分子學說：分子學說：原子是化學反應中不可分割的微粒原子是化學反應中不可分割的微粒 原子是不能化學分解的最單純的物質(zhì)，是物質(zhì)的最小單元原子是不能化學分解的最單純的物質(zhì)，是物質(zhì)的最小單元 化學反應只改變原

9、子的結(jié)合方式，不能使原子互相嬗變化學反應只改變原子的結(jié)合方式，不能使原子互相嬗變J.DaltonoJ.DaltonJ.Dalton生于英格蘭一個偏遠的生于英格蘭一個偏遠的小山村，只上過幾年小學和中小山村，只上過幾年小學和中學，為了生計四處漂泊學，為了生計四處漂泊o天生色盲天生色盲道爾頓癥（道爾頓癥（19951995年色盲之謎才解決）年色盲之謎才解決）o提出新的原子學說提出新的原子學說o化學哲學新體系化學哲學新體系1833-341833-34年，年，M.FaradayM.Faraday法拉第法拉第提出電解定律：提出電解定律： 化學親和力的本質(zhì)為電力，化學親和力的本質(zhì)為電力，原子里有電荷原子里有電

10、荷18811881年，年，H.HelmholtzH.Helmholtz霍姆赫茲霍姆赫茲：原子所帶電荷是分立的：原子所帶電荷是分立的1860-611860-61年，年，G.KirchhoffG.Kirchhoff基爾霍夫基爾霍夫等等用光譜學方法幫助化學家用光譜學方法幫助化學家發(fā)現(xiàn)多種元素：發(fā)現(xiàn)多種元素： CsCs、RbRb TlTl、InIn、GaGa等等18691869年，年，D.MendeleevD.Mendeleev門捷列夫門捷列夫發(fā)現(xiàn)：元素周期律發(fā)現(xiàn)：元素周期律說明：不同元素的原子結(jié)構(gòu)具有共同的模式說明：不同元素的原子結(jié)構(gòu)具有共同的模式人類認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)的歷史：人類認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)的歷史：19

11、19世紀世紀19世紀末：物質(zhì)由原子組成！世紀末：物質(zhì)由原子組成！o那么，原子那么，原子還有沒有還有沒有結(jié)構(gòu)？結(jié)構(gòu)？o原子里面有什么？怎么結(jié)合成原子？原子里面有什么？怎么結(jié)合成原子？o三大發(fā)現(xiàn)，揭開了物理學革命的序幕三大發(fā)現(xiàn)，揭開了物理學革命的序幕oX射線：射線：1895，W.Rontgeno放射性：放射性：1896，H.Becquerelo電子：電子：1897，J.J.Thomson物理學家總更喜歡沒完物理學家總更喜歡沒完沒了地問這類問題！沒了地問這類問題！X射線的發(fā)現(xiàn)：射線的發(fā)現(xiàn)：歷史歷史o1895.12.28，第一張，第一張X射線照片射線照片(倫琴夫人的手倫琴夫人的手)，轟動世界，轟動世界

12、o1896年有年有1000多篇論文發(fā)表多篇論文發(fā)表o3個月后應用于臨床，半年后醫(yī)學應用雜志出版?zhèn)€月后應用于臨床，半年后醫(yī)學應用雜志出版o1901年第一屆年第一屆Nobel物理獎物理獎o當時不知道射線的危害，許多科學家身體受損傷當時不知道射線的危害，許多科學家身體受損傷o1895.11.8, (德德)W.C.Rntgen在研究陰極射線時在研究陰極射線時意外發(fā)現(xiàn)意外發(fā)現(xiàn)一種一種新的穿透性很強的射線新的穿透性很強的射線X射線射線o陰極射線穿透性差，能被磁場偏轉(zhuǎn)，而新射線不被磁場偏陰極射線穿透性差，能被磁場偏轉(zhuǎn)，而新射線不被磁場偏轉(zhuǎn)，穿透性強，所以不是陰極射線（電子）轉(zhuǎn)，穿透性強，所以不是陰極射線（電

13、子）W.C.Rontgen,1845-1923第一張第一張X X射線照片：射線照片：倫琴夫人的手倫琴夫人的手現(xiàn)代手的現(xiàn)代手的X X射線照片射線照片X射線發(fā)現(xiàn)射線發(fā)現(xiàn)的啟示：偶然中的必然的啟示：偶然中的必然o偶然：偶然：許多科學家觀察到類似的現(xiàn)象，陰極射線管附許多科學家觀察到類似的現(xiàn)象，陰極射線管附近的照相底板被曝光，但是，不重視，更沒深入研究近的照相底板被曝光，但是，不重視，更沒深入研究o必然：倫琴扎住了歷史賦予的機遇必然：倫琴扎住了歷史賦予的機遇 一貫十分熱愛和關(guān)注實驗一貫十分熱愛和關(guān)注實驗 敏銳的觀察和判斷能力敏銳的觀察和判斷能力 鍥而不舍的工作作風鍥而不舍的工作作風 o機遇總是垂青那些有

14、準備的人機遇總是垂青那些有準備的人X射線的發(fā)現(xiàn)：射線的發(fā)現(xiàn)：相關(guān)的相關(guān)的Nobel獎超過獎超過16項項o1901年，倫琴因發(fā)現(xiàn)年，倫琴因發(fā)現(xiàn)X射線射線(1895)o1914年，年，Laue因因X射線在晶體上的衍射射線在晶體上的衍射(1912)o1915年，年，H.&L.Bragg父子父子XRD晶體結(jié)構(gòu)分析（晶體結(jié)構(gòu)分析（1912）o1927年，年，Compton因因Compton效應效應(1923),證明光子假說證明光子假說o1962年生理學獎，年生理學獎，Wason,Crick在威爾金斯在威爾金斯DNA分子的分子的XRD實驗基礎(chǔ)上，提出實驗基礎(chǔ)上，提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)（雙螺旋結(jié)構(gòu)（1

15、953）o1946年生理學獎，馬勒用年生理學獎，馬勒用X射線誘發(fā)果蠅基因突變射線誘發(fā)果蠅基因突變o X射線在多晶上的衍射射線在多晶上的衍射Laue 1914 Nobel-PX射線在單晶上的衍射射線在單晶上的衍射H.&L.Bragg父子父子1915Nobel-P放射性的發(fā)現(xiàn)：放射性的發(fā)現(xiàn)：Becquerel的的意外意外發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)oBecquerel(1896)：發(fā)現(xiàn)鈾鹽暴曬后發(fā)熒光，且能像：發(fā)現(xiàn)鈾鹽暴曬后發(fā)熒光，且能像X射線射線一樣讓照相底板感光；但是，陰天也能使底片感光一樣讓照相底板感光；但是，陰天也能使底片感光o新射線新射線：穿透性強，且是鈾鹽本身發(fā)光，顯然不是：穿透性強，且是鈾鹽本身

16、發(fā)光，顯然不是X射線射線o偶然與必然偶然與必然：B家族幾代人研究熒光現(xiàn)象和鈾鹽家族幾代人研究熒光現(xiàn)象和鈾鹽1903N-PoBecquerel的局限：以為放射性只是鈾鹽才有的性質(zhì)的局限：以為放射性只是鈾鹽才有的性質(zhì)o居里夫婦居里夫婦(1897)：擴大擴大尋找范圍，找到測量發(fā)射性的方法尋找范圍，找到測量發(fā)射性的方法o瀝青鈾礦中分離出新的放射性元素瀝青鈾礦中分離出新的放射性元素(1898)： 釷釷Th；釙；釙Po；鐳；鐳Ra（放射性是（放射性是U的百萬倍）的百萬倍）Becquerel(法國法國)(1852-1908)1903Nobel-PM.&P. Curie1903Nobel-P放射性的發(fā)

17、現(xiàn)：放射性的發(fā)現(xiàn)：Curie家族堅持不懈的努力家族堅持不懈的努力o轟動與質(zhì)疑：把鐳拿來看看！轟動與質(zhì)疑：把鐳拿來看看！oP.&M.Curie 4年年勞作：勞作：親手親手從幾噸礦渣中提煉從幾噸礦渣中提煉0.1g純的純的氧化鐳氧化鐳1903年年Nobel-PoNobel-C：M.Curie繼續(xù)研究，分離出純的金屬鐳！繼續(xù)研究，分離出純的金屬鐳！o女兒依琳、女婿女兒依琳、女婿Joliot-Curie ： 發(fā)現(xiàn)人工放射性發(fā)現(xiàn)人工放射性(1934)：1935Nobel-C 錯失中子的發(fā)現(xiàn)錯失中子的發(fā)現(xiàn)(1932)：機遇只鐘情有準備的頭腦?。簷C遇只鐘情有準備的頭腦！查德威克查德威克1935Nobe

18、l-PJ-Curie與錢三強與錢三強放射性的發(fā)現(xiàn)：放射性的發(fā)現(xiàn)：a a、b b、g g射線射線o放射線的本質(zhì)是什么？放射線的本質(zhì)是什么？oE.Rutherford (J.J.Thomson的學生的學生)： 1908年：年：發(fā)現(xiàn)并命名發(fā)現(xiàn)并命名a a射線射線 ( (He 核核) )、b b 射線射線 (電子流電子流) g g 射線：射線：1900年證實其強穿透性，年證實其強穿透性，1902年年Rutherford命名命名1908年年Nobel-Co放射性的本質(zhì)：放射性的本質(zhì)： 原子核的衰變，三種射線都來自原子核原子核的衰變，三種射線都來自原子核o原子核：質(zhì)子原子核：質(zhì)子p+中子中子no實驗一：實

19、驗一：證明陰極射線是帶負電的粒子流證明陰極射線是帶負電的粒子流o實驗二：實驗二：測出荷質(zhì)比測出荷質(zhì)比 e/m，比氫離子大，比氫離子大1000多倍，只能多倍，只能是一種新的粒子是一種新的粒子電子電子o實驗三：實驗三：用云室測量電子電量用云室測量電子電量e，從而質(zhì)量，從而質(zhì)量me (mH/1837)湯姆遜湯姆遜: : 一位最先打開通向基本粒子物理學大門的偉人一位最先打開通向基本粒子物理學大門的偉人電子的發(fā)現(xiàn)：電子的發(fā)現(xiàn)：Thomson的實驗的實驗(1897-1899)o陰極射線的本質(zhì)：波？粒子流？陰極射線的本質(zhì)：波？粒子流？ 德國：以太波；德國：以太波； 英國：帶負電的粒子流英國：帶負電的粒子流A

20、P1P2SOP陰極射線實驗裝置示意圖陰極射線實驗裝置示意圖2LlBEhme1897年年, e/me = 7.6 1010c/kg, 而而 e/mH = 9.6 107c/kg陰極射線管陰極射線管o要敢于突破傳統(tǒng)：要敢于突破傳統(tǒng)： 其他人拘泥于其他人拘泥于“原子不可分原子不可分”的觀念，的觀念， J.J.Thomson突破傳統(tǒng)，承認是一種質(zhì)量非常小的新粒子突破傳統(tǒng)，承認是一種質(zhì)量非常小的新粒子o卡文迪許實驗室成功的秘密：卡文迪許實驗室成功的秘密： 追求卓越，不斷開拓新的研究領(lǐng)域追求卓越，不斷開拓新的研究領(lǐng)域 善于選擇和培養(yǎng)優(yōu)秀人才（超過善于選擇和培養(yǎng)優(yōu)秀人才（超過25人獲人獲Nobel獎）獎）

21、優(yōu)良學風（重視實驗、求實與批評精神、教學與科研結(jié)合優(yōu)良學風（重視實驗、求實與批評精神、教學與科研結(jié)合) 電子的發(fā)現(xiàn)：電子的發(fā)現(xiàn)：啟示啟示o原子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)：原子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)：突破了原子不可分的觀念，原子具有突破了原子不可分的觀念，原子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，電子是原子的組成部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)，電子是原子的組成部分o開創(chuàng)了原子物理學、粒子物理學的研究：開創(chuàng)了原子物理學、粒子物理學的研究： 電子的發(fā)現(xiàn)開啟了原子物理研究新領(lǐng)域電子的發(fā)現(xiàn)開啟了原子物理研究新領(lǐng)域 第一個被發(fā)現(xiàn)的基本粒子第一個被發(fā)現(xiàn)的基本粒子 開啟了物理學革命的新紀元，大批開啟了物理學革命的新紀元，大批Nobel獎獎 o開啟了電子技術(shù)的新時代開啟了電子技術(shù)

22、的新時代 我們每天的生活都離不開這一發(fā)現(xiàn)我們每天的生活都離不開這一發(fā)現(xiàn) 電子的發(fā)現(xiàn)：電子的發(fā)現(xiàn)：意義意義原子結(jié)構(gòu)模型的建立原子結(jié)構(gòu)模型的建立o18971897年，年，J.J.Thomson: J.J.Thomson: 發(fā)現(xiàn)電子發(fā)現(xiàn)電子 1906Nobel1906NobelP P o1898-19071898-1907年年, J.J.Thomson: , J.J.Thomson: 原子結(jié)構(gòu)的原子結(jié)構(gòu)的“西瓜模型西瓜模型”o19111911年，年，E.Rutherfold: E.Rutherfold: a a粒子散射，粒子散射，“行星模型行星模型”， 原子由原子核和核外電子組成原子由原子核和核外電

23、子組成o19321932年，年，J.ChadwickJ.Chadwick：發(fā)現(xiàn)中子，：發(fā)現(xiàn)中子， 1935NobelP 1935NobelP 原子核由質(zhì)子原子核由質(zhì)子proton和中子和中子neutron組成組成至此，原子結(jié)構(gòu)確立至此，原子結(jié)構(gòu)確立關(guān)于原子內(nèi)部粒子運動規(guī)律的認識：關(guān)于原子內(nèi)部粒子運動規(guī)律的認識：量子理論的建立量子理論的建立o19001900年年, M.Planck: , M.Planck: 能量量子假說能量量子假說 1918NobelP1918NobelPo19051905年年, A.Einstein: , A.Einstein: 光光( (量量) )子子photonphoto

24、n假說假說 1921NobelP1921NobelP o19131913年，年，N.Bohr: N.Bohr: 氫原子的量子理論氫原子的量子理論 1922NobelP1922NobelPo19241924年，年，de Broglie: de Broglie: 物質(zhì)波假說物質(zhì)波假說 1929NobelP1929NobelPo19251925年，年，W.Heisenberg: W.Heisenberg: 矩陣力學矩陣力學 1932NobelP1932NobelPo19261926年，年，E.SchE.Schdinger: dinger: 波動力學波動力學 1933NobelP1933NobelPo

25、19261926年，年，M.Born:M.Born:波函數(shù)的統(tǒng)計解釋波函數(shù)的統(tǒng)計解釋 1954NobelP1954NobelPo19281928年，年，P.Dirac: DiracP.Dirac: Dirac方程方程 1933NobelP1933NobelPo原子物理發(fā)展簡史：原子物理發(fā)展簡史： 量子理論的建立量子理論的建立o到到19301930年代，經(jīng)過年代，經(jīng)過 Planck, Einstern, Bohr, de Broglie, Planck, Einstern, Bohr, de Broglie, Heisenberg, Schodinger, Dirac, Born, Feynma

26、nnHeisenberg, Schodinger, Dirac, Born, Feynmann等人等人的努力，量子力學的完整理論基本建立起來的努力，量子力學的完整理論基本建立起來量子力學相 對 論近代物理學與原子物理、量子力學相關(guān)的部分諾貝爾獎獲得者 學習建議學習建議o原子物理學研究微觀規(guī)律，概念和理論常常與常識相矛原子物理學研究微觀規(guī)律，概念和理論常常與常識相矛盾，其正確性由實驗驗證盾，其正確性由實驗驗證o我們的課程：開始是按歷史發(fā)展的過程，介紹物理學家我們的課程：開始是按歷史發(fā)展的過程，介紹物理學家“實驗實驗理論理論實驗實驗”，逐步修正錯誤走向真理的過程，逐步修正錯誤走向真理的過程，然后用量子力學的結(jié)論研究原子的性質(zhì)然后用量子力學的結(jié)論研究原子的性質(zhì)o新眼光、新思維，勤思考、多理解新眼光、新思維，勤思考、多理解o蓋爾曼：蓋爾曼：量子力學是一門量子力學是一門“十米的、令人捉摸不透的學科，十米的、令人捉摸不透的學科，我們誰都談不上真正