1、原 子 物 理 學(xué)課 程 設(shè) 置 本課程在大學(xué)二年級一學(xué)期開設(shè)，共計(jì)72學(xué)時(shí)?？己朔绞綖榭荚??？荚囉善綍r(shí)作業(yè)及練習(xí)、期末考試（閉卷）三部分組成，方式為筆試。比例為20%、10%、70%。評定學(xué)期成績結(jié)合平時(shí)得出綜合成績?yōu)樵撻T課成績。教材與參考書目教 材：原子物理學(xué) 褚圣麟 高等教育出版社1979 參考書目：原子物理學(xué)（第三版）楊福家 高等教育出版社2000 原子物理學(xué) 陳宏芳 中國科技大學(xué)出版社1997 近代物理學(xué) 徐克尊等 高等教育出版社1993 原子物理 鄭樂民 北京大學(xué)出版社2000 緒 論【學(xué)習(xí)目的】 了解原子物理學(xué)研究的對象以及學(xué)習(xí)這門課程的意義。 了解原子物理學(xué)發(fā)展的過程。學(xué)習(xí)一些

2、著名物理學(xué)家以及學(xué)派的觀點(diǎn)，以及他們通過實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行分析、推理的過程。 了解原子物理學(xué)在物理學(xué)中的地位與作用以及與其他學(xué)科的關(guān)系。物理學(xué)全明星夢之隊(duì)德布羅意物理學(xué)是關(guān)于物質(zhì)基本組成、基本結(jié)構(gòu)和物質(zhì)變化規(guī)律及其應(yīng)用的的學(xué)科（如力、熱、光、電、磁等）。原子物理學(xué)是研究原子（離子）的電子結(jié)構(gòu)、電子運(yùn)動規(guī)律及其與外界相互作用的學(xué)科。是隨近代物理學(xué)的發(fā)展而發(fā)展起來的。近代物理學(xué)發(fā)展概述近代物理學(xué)是區(qū)別于經(jīng)典物理的物理學(xué)。什么是經(jīng)典物理學(xué)？經(jīng)典物理學(xué)是以絕對時(shí)空觀（連續(xù)時(shí)空觀）為基礎(chǔ)的物理學(xué)，包括以牛頓三定律和萬有引力定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)、以麥克斯韋方程為基礎(chǔ)的電磁場理論、以熱力學(xué)三定律為基礎(chǔ)的熱力學(xué)宏觀

3、理論和以分子運(yùn)動論及統(tǒng)計(jì)物理學(xué)為基礎(chǔ)的熱力學(xué)微觀理論、以相干疊加性為基礎(chǔ)的經(jīng)典光學(xué)理論等。 20世紀(jì)初經(jīng)典物理學(xué)的“輝煌”總結(jié) 世間萬物都是由基本的八十幾種元素的原子組成，元素種類不發(fā)生變化。 原子是不可再分的最小微粒，它的運(yùn)動服從牛頓力學(xué)定律。 熱是大量分子作混亂機(jī)械運(yùn)動的集體表現(xiàn)，利用力學(xué)規(guī)律和統(tǒng)計(jì)規(guī)律可以解釋氣體、液體和固體等聚集態(tài)物質(zhì)的性質(zhì)。 存在正負(fù)兩種電荷，他們可能是某種類似流體的東西。電荷產(chǎn)生電場，電場運(yùn)動產(chǎn)生磁場。電磁場可以脫離電荷而運(yùn)動，即電磁波。熱輻射、可見光和紫外線等均不過是不同波長的電磁波。 無論力、熱、聲、光、電等現(xiàn)象如何復(fù)雜，一切過程都遵從能量守恒和動量守恒定律。

4、海王星的發(fā)現(xiàn)（Leverrier,1846） “不必向天空看一眼就發(fā)現(xiàn)了這顆新行星” “是在Leverrier的筆尖下看到的，” 電磁理論解釋了波動光學(xué) 如果物理現(xiàn)象得不到解釋，并不是物理基本理論有問題，而是數(shù)學(xué)工具不行？ 經(jīng)典物理與近代物理20世紀(jì)初物理大家的自滿情緒約利告訴普郎克：“物理學(xué)實(shí)際上已經(jīng)完成，所有的微分方程都已經(jīng)能夠求解。年輕人不應(yīng)該毀掉自己的一生，不值得選擇一種將來不會有任何發(fā)展前途的事去做”。開爾文：大廈基本建成，兩朵烏云 MM實(shí)驗(yàn)相對論黑體輻射 量子論、量子力學(xué)在1899年除夕之夜的歐洲著名科學(xué)家年會上，大會主席開爾文發(fā)表了一篇新年賀詞，其中寫道：“十九世紀(jì)已將物理學(xué)大廈

5、全部建成，今后物理學(xué)家的任務(wù)只是修飾和完善這座大廈，物理學(xué)晴朗的天空還存在兩朵小小的烏云，一朵是熱輻射中的紫外災(zāi)難，另一朵是邁克爾莫雷干涉實(shí)驗(yàn)的以太零結(jié)果”。 支撐近代物理學(xué)的著名發(fā)現(xiàn)X射線（德國 倫琴，1895.11.8)天然放射性（法國 貝克勒爾，1896.2)電子（英國 湯姆遜，1897）熱輻射紫外災(zāi)難（1896-1900）以太零結(jié)果（1907）近代物理學(xué)三條脈絡(luò)邁克爾遜莫雷干涉的以太零結(jié)果狹義相對論熱輻射紫外災(zāi)難能量量子化光電效應(yīng)、康普頓散射、原子量子理論（包括玻爾舊量子論、量子力學(xué)基礎(chǔ)及其在原子物理中應(yīng)用）天然放射性元素種類變化（原子核變化）原子核和基本粒子 物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動的最

6、一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的科學(xué)。 原子物理學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)分支，是研究原子、分子、原子核等微觀粒子運(yùn)動規(guī)律的一門基礎(chǔ)學(xué)科，也就是關(guān)于物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的一門科學(xué)。 原子物理學(xué)所形成的物理思想，物理圖象和實(shí)驗(yàn)方法可為化學(xué)、生物、材料科學(xué)等學(xué)科提供指導(dǎo)。一、原子物理學(xué)研究的對象及意義物質(zhì)世界的空間尺度宇宙的42個(gè)臺階宇宙學(xué)、粒子物理的奇妙銜接哈勃半徑：星系團(tuán)：銀河系：地球軌道半徑：太陽半徑：地球半徑：月球半徑：大分子：小分子：原子：原子核：基本粒子：Electrons (10-18 m )Atom nucleus nucleon quark10-10 m 10-14 m 10-15 m 10-18 m 微

7、觀結(jié)構(gòu) seeAfricanElephant Height 3.3 mRabbit (Length)3 x 10-1 m紅細(xì)胞 7x10-6 m by 10-5 m病毒 (Length) 9 x 10-7 m 10-7 mCarbon-Carbon Bond Length 1.5 x 10-10 m人類頭發(fā)截面 8 x 10-5 m 10-4 m家蠅7.5 x 103 m102 m10 7 m 較大結(jié)構(gòu)及尺度地球太陽（Sun ）日冕10 9 mSun 2x1030 kg 1057 (核子)10 11 m地球軌道旋渦星系（Spiral Galaxy）1021m10 11 stars galaxy

8、 cluster of galaxies 10 21 m 10 22 m 10 23 m super-cluster metagalaxy universe m 10 24 m 10 25 m 10 26 m 物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次實(shí)物分子原子原子核質(zhì)子夸克電子（輕子）規(guī)范粒子場中子實(shí)物和場實(shí)物：具有質(zhì)量、不可入性，以空間間斷形式存在。宏觀客體（ ）服從因果律微觀客體（ ）服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律介觀客體 （1081011個(gè)原子，亞微米尺寸器件） 一定條件下出現(xiàn)量子效應(yīng)場:無靜止質(zhì)量,不具有不可入性，以連續(xù)形式存在，具有可疊加性，不能作為參考系。*實(shí)物周圍存在相關(guān)的場，場傳遞實(shí)物間的相互作用，場和實(shí)物可以相互轉(zhuǎn)化*

9、現(xiàn)代物理認(rèn)為場是更基本的，粒子只是場處于激發(fā)態(tài)的表現(xiàn)。真空：所有的場處于基態(tài)，表現(xiàn)為沒有粒子；粒子：相關(guān)的場處于激發(fā)態(tài)。中子衰變： 四種基本相互作用所有粒子大多數(shù)粒子帶電粒子強(qiáng)子引力子？中間玻色子光子膠子1種類引力弱力電磁力強(qiáng)力作用對象作用距離(cm)相對強(qiáng)度傳遞作用的基本粒子（1013 cm處）迄今為止，人類了解得最早的是引力,了解得最晚的是強(qiáng)力；了解得最少的是引力，了解得最多的是電磁力。想想其中的原因！物理理論的發(fā)展趨向統(tǒng)一天體引力地球引力牛頓 愛因斯坦經(jīng)典力學(xué) 相對論力學(xué)電磁光弱力強(qiáng)力麥克斯韋電動力學(xué)格拉肖 薩拉姆 溫泊格規(guī)范場弱電統(tǒng)一理論設(shè)想的大統(tǒng)一理論設(shè)想的超對稱大統(tǒng)一理論原子的概念

10、 雖然原子概念的提出已有兩千多年的歷史，但是我們要講授的原子物理學(xué)是在20世紀(jì)初開始形成的一門學(xué)科，它是隨著近代物理學(xué)的發(fā)展而發(fā)展起來的。 原子這個(gè)層次，介于分子和原子核兩層次之間（如圖所示）。 量子階梯 原子是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)層次固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子態(tài)分子、離子、原子集團(tuán)原 子電子、原子核（質(zhì)子、中子）基本粒子 原子物理學(xué)的研究方法 物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)。原子的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動規(guī)律是由物理學(xué)實(shí)驗(yàn)得到的。 原子是微觀系統(tǒng) 其運(yùn)動規(guī)律不能簡單地用經(jīng)典物理學(xué)的規(guī)律描述。 有關(guān)原子物理學(xué)的內(nèi)容，被稱為“近代物理學(xué)”（Modern Physics） 原子是一種物理模型 由物理實(shí)驗(yàn)得到物理現(xiàn)象 由物理現(xiàn)象歸

11、納出物理規(guī)律 由物理規(guī)律抽象出物理模型 由物理模型建立物理學(xué)的理論體系原子模型The components of atomsCan we “see” the atoms?By Eyes noBy Optical microscope noBy Electron microscope possibleModern methods:The field emission microscope To visualize single atom or large molecules on the tip of fine metal pointsSEM(Scanning Electron Microsco

12、py) To image the individual atoms in molecules and in crystals.TEM (Transmission Electron Microscopy)STM (Scanning Tunneling Microscopy)TEMSTM image1991年，恩格勒等用STM在鎳單晶表面逐個(gè)移動氙原子拼成了字母IBM，每個(gè)字母長5納米！“量子圍欄掃描隧道顯微術(shù)的又一杰作” 48個(gè)Fe原子形成“量子圍欄”，圍欄中的電子形成駐波。Atom manipulationBy STMFe atoms on Cu(111)二、原子物理學(xué)的發(fā)展 早期的原子論 “

13、原子”一詞來自希臘文s，代表否認(rèn)，s代表可切割的；英文atom,意思是“不可分割的”。 國外：兩種觀點(diǎn)公元前4世紀(jì) 物質(zhì)由許多極小的微粒構(gòu)成，最小的原子不可再分代表人物：德謨克利特 物質(zhì)是連續(xù)的，可以無限地分割下去代表人物：亞里士多德 我 國：兩種觀點(diǎn)戰(zhàn)國時(shí)期（公元前476-221年 ）墨家：主張物質(zhì)不可無限分割 “端：體之無序最前者也?！?墨經(jīng) “其小無內(nèi)，謂之小一?！?惠施 “語小，天下莫能破焉?！?中庸 公孫龍：主張物質(zhì)可以無限分割的 “一尺之棰，日取其半，萬世不竭?！?直覺、猜想、思辨 19世紀(jì)，建立了原子學(xué)說物質(zhì)的原子學(xué)說：所有的化學(xué)元素都由原子組成 熱的原子學(xué)說：利用原子的運(yùn)動解釋

14、熱力學(xué)定律電的原子學(xué)說：自然界存在帶電的原子 實(shí)驗(yàn)總結(jié)，認(rèn)識到原子是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)層次 3、19世紀(jì)末20世紀(jì)初，建立了嚴(yán)格的原子物理理論量子力學(xué)。重大發(fā)現(xiàn)有： 1869， 周期表發(fā)現(xiàn)， 門捷列夫1885， 氫原子光譜規(guī)律發(fā)現(xiàn)，巴耳末1895， X射線發(fā)現(xiàn)， 倫琴1896， 放射線發(fā)現(xiàn)， 貝克勒耳1897， 電子發(fā)現(xiàn)， 湯姆遜1900， 能量子概念建立，普朗克1911，原子核式結(jié)構(gòu)建立，盧瑟福1913，玻爾量子理論建立，玻爾1925前后，量子力學(xué)建立， 近代物理的序幕 原子物理的新篇章 對原子這一層次的認(rèn)識，從實(shí)驗(yàn)到理論獲得比較完全的認(rèn)識。20世紀(jì)初至現(xiàn)在，對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識不斷地深入，原子-原

15、子核-基本粒子-夸克, 上世紀(jì)世紀(jì)之交的三大發(fā)現(xiàn) 1895年德國物理學(xué)家倫琴（）發(fā)現(xiàn)X射線。獲得首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（1901年）。 1897年英國物理學(xué)家湯姆遜（J. J. Thomson）發(fā)現(xiàn)電子。獲得了1906年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 1896年法國物理學(xué)家貝克勒爾（）發(fā)現(xiàn)放射性。與居里夫婦共同獲得1903年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。量子力學(xué)的建立 1900年，普朗克（Planck）把多人關(guān)于黑體輻射的研究結(jié)果進(jìn)一步研究以后，提出了量子論。他在德國物理學(xué)年會上提出了一個(gè)黑體輻射能量分布公式： 此式與當(dāng)時(shí)測得的最精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者以驚人的精確度相符合。 1、普朗克能量子學(xué)說這些諧振子所具有

16、的能量是分立的，它的能量與其振動頻率 成正比： 。其中 h 為普朗克常數(shù)， 。 通過能量求和，再計(jì)算出單位體積內(nèi)在附近單位頻率間隔中的輻射能量密度為： 這就是普朗克公式。 為了給上述公式找到合理的理論解釋，普朗克提出了能量量子化的假設(shè)：黑體的腔壁是由無數(shù)個(gè)帶電的諧振子組成的，這些諧振子不斷地吸收和輻射電磁波，與腔內(nèi)的輻射場交換能量 普朗克提出的能量量子化的假設(shè)，沖破了經(jīng)典物理思想的束縛，為整個(gè)量子理論的建立開辟了道路，具有劃時(shí)代的意義，它是物理學(xué)家認(rèn)識事物時(shí)從連續(xù)的世界向不連續(xù)的世界過渡的第一次突破。 正因?yàn)槠绽士嗽谀芰孔訉W(xué)說與經(jīng)典物理是如此不同，因此在普朗克公式正式提出后5年內(nèi)，沒有人對其加

17、以理會，直到1905年，才由愛因斯坦作了發(fā)展，提出了光量子說支持普朗克的量子論。普朗克因此獲得了1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 普朗克能量子學(xué)說的意義2、玻爾的氫原子理論 電子從能量較高的定態(tài)躍遷到能量較低的定態(tài)時(shí)，將放出一個(gè)光子，光子的能量等于兩定態(tài)能量之差。 定態(tài)的條件是，電子繞核運(yùn)動的軌道角動量L必須滿足量子化條件，第n個(gè)軌道角動量值為： ， ，這里的 n 稱為主量子數(shù)。 在此基礎(chǔ)上，玻爾（Bohr）于1913年提出了他的氫原子結(jié)構(gòu)理論。主要有3個(gè)要點(diǎn)： 應(yīng)用核式模型，但突破經(jīng)典物理學(xué)的限制，假定電子沿圓軌道繞核運(yùn)動時(shí)，不輻射能量，而是處于穩(wěn)定狀態(tài)（定態(tài)）。玻爾氫原子理論的意義 玻爾理論突破

18、了經(jīng)典概念的束縛，提出了量子化條件、分立軌道、頻率條件、能級躍遷等極其重要的新概念，第一次從理論上解釋了氫原子光譜頻率分布的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。 3、量子力學(xué)的建立這個(gè)理論對物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展起了巨大作用。 此后幾年中，原子物理學(xué)發(fā)展得很快。在19231927年間，一個(gè)關(guān)于微觀體系的新理論體系量子力學(xué)建立起來了。 從德布羅意（De Broglie）的波粒二象性假設(shè)開始，起初海森堡（Hersenberg）和薛定諤（Schrodinger）兩人幾乎同時(shí)從不同的角度研究了這個(gè)問題，各自提出了自己的理論。后來證明，這兩種理論是等價(jià)的。后來有其他多位學(xué)者參加，共同完善了量子力學(xué)理論。三、原子物理學(xué)的地位與作用 1

19、、揭示物質(zhì)現(xiàn)象和本質(zhì)的基礎(chǔ) 事物的宏觀現(xiàn)象豐富多彩，要揭示其內(nèi)在的本質(zhì)，就非從微觀結(jié)構(gòu)入手考慮不可。很多事實(shí)都是在原子物理學(xué)發(fā)展以后，才得到了更清楚地理解。原子物理學(xué)不但對許多已知的宏觀現(xiàn)象作了解釋，而且發(fā)展了新的知識，從而使人們對物質(zhì)世界有了更深入的而且比較統(tǒng)一的認(rèn)識。 物質(zhì)為什么有導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體之分？導(dǎo)熱率高的物體導(dǎo)電率也高，其內(nèi)在聯(lián)系是什么？2、與其他學(xué)科的關(guān)系 原子結(jié)構(gòu)的知識是化學(xué)與物理學(xué)的共同貢獻(xiàn)。 在現(xiàn)代天文學(xué)中的天體物理學(xué)大部分是通過天體所發(fā)出的光譜來進(jìn)行分析研究的，而光譜的理論是原子物理學(xué)中的重要內(nèi)容。 晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究需要原子結(jié)構(gòu)的知識，這樣，原子物理學(xué)又與那些與結(jié)晶學(xué)有關(guān)系的礦物學(xué)、冶金學(xué)等學(xué)科也有關(guān)系。 生物科學(xué)中引用原子物理學(xué)中的原理與技術(shù)的地方日益增加。 其他科學(xué)部門，不論是基礎(chǔ)科學(xué)或應(yīng)用科學(xué)，與原子物理學(xué)也有多方面的聯(lián)系。 3、原子物理學(xué)的作用 原子物理學(xué)在生產(chǎn)上所起的作用是具有基本性的。原子物理學(xué)研究的是物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，這是基本知識，把它用在生產(chǎn)上，影響必然是深而廣的。 電子器件電子源物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu) 原子物理學(xué)。 各種金屬、磁性材料、半導(dǎo)體等也需要原子物理學(xué)的知識。 發(fā)光材料、光譜分析（冶金）、X射線（檢測）、光電管（自動控制）等等，都與原子