第四章微觀世界及其探索著名英國物理學家開爾文勛爵在1900年元旦獻詞中說：

在物理學的太空，一切都已明朗潔凈了，在遠處只剩下兩朵小小的，令人不安的烏云⑴邁克耳遜—莫雷實驗在尋找機械“以太”時得出了零的結果；⑵運用經(jīng)典物理學理論無法解釋黑體輻射的實驗曲線。

德國維爾茨堡大學校長、物理學家倫琴（W.K.Rontgen，1845-1923）倫琴在給孔特（A.Kundt，1839-1894）的信中說：

我終于發(fā)現(xiàn)了一種光，我不知道是什么光，無以名之，就把它叫做x光吧。一、x射線的發(fā)現(xiàn)§4.1揭開研究微觀世界序幕的三大發(fā)現(xiàn)倫琴的實驗室第一張x光片K+-A

x

射線是由高速電子撞擊物體時產(chǎn)生，從本質上它和可見光一樣，是一種電磁波，它的波長約為：

0.001~0.01(nm)

倫琴榮獲1901年諾貝爾物理獎，成為諾貝爾物理獎的第一個獲獎者。

可以說，現(xiàn)代物理學是從1895年德國物理學家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線開始的。1896年，法國物理學家貝克勒爾（Becquerel,1852-1908）在對一種熒光物質（硫酸鉀鈾）進行研究時發(fā)現(xiàn)了天然放射線。貝克勒爾射線二、放射性的發(fā)現(xiàn)瑪麗·居里（M.S.Curie，1867-1934）

居里夫人從1897年開始直至1934年逝世的38年科學生涯中，她以驚人的毅力、頑強的意志、高度的智慧全心投入放射性研究，發(fā)現(xiàn)了放射性元素“鐳”和“釙”。1910年完成了她的名著《論放射性》，由于她的杰出貢獻：1903年，居里夫婦和貝克勒爾共享了諾貝爾物理獎。1911年又榮獲了諾貝爾化學獎。

天然放射性核素能夠自發(fā)地放出各種射線,從而衰變?yōu)榱硪环N核素。α射線：帶兩個正電荷的氦核粒子流；β射線：帶負電荷的高速電子流；γ射線：從原子核內放出來的電磁波，它實際上是一束能量極高的光子流，它的波長比X射線還要短，穿透本領比X射線更強。αβγ

德國物理學家普魯克（J.Plueker，1801-1868）于1858年利用蓋斯勒放電管研究氣體放電時發(fā)現(xiàn)了對著陰極的管壁上出現(xiàn)了美麗的綠色光輝。1876年德國物理學家哥爾德斯坦證實這種綠色光輝是由陰極上所產(chǎn)生的某種射線射到玻璃上產(chǎn)生的，他把這種射線命名為“陰極射線”。三、電子的發(fā)現(xiàn)實驗演示1886年，J.J.湯姆遜開始研究氣體放電和陰極射線。J.J.湯姆遜，1856年12月18日生于英國。1884年任卡文迪許實驗室教授。B-FEFB設粒子的質量為m，所帶電荷為e。電場力：磁場力：測荷質比:e/mL測定方法：撤去磁場，測出射線在平板電場右端出口處的橫向偏轉值：-S荷質比：荷質比：湯姆遜發(fā)現(xiàn)與陰極材料和管內氣體無關這種粒子應是電極材料原子的基本組成部分J.J.湯姆遜由此斷定：1909年密立根油滴實驗證明一切荷電物質都只能帶有e的整數(shù)倍的電量。

陰極射線粒子所帶的電量e

是電荷的最小單位。稱：電子電子的發(fā)現(xiàn)再一次否定了原子不可分的觀念。J.J.湯姆遜由于發(fā)現(xiàn)電子而于1906年榮獲諾貝爾物理學獎。J.J.湯姆遜被譽為“一位最先打開通向基本粒子物理學大門的偉人”誘發(fā)人類進入電子科技時代。現(xiàn)在人類進入微電子科技時代。微電子學（Microelectronics）是研究在固體（主要是半導體）材料上構成的微小化電路，子系統(tǒng)及系統(tǒng)的電子學分支。1.原子的“葡萄干布丁模型”------1903年，湯姆孫提出原子結構模型：原子里面帶正電的部分均勻地分布在整個原子球體中，而帶負電的電子鑲嵌在帶正電的球體之中。帶正電的球體與帶負電的電子二者電量相等，故原子不顯電性?！?.2原子結構一、盧瑟福散射和原子核的發(fā)現(xiàn)原子由原子核和核外電子構成，原子核帶正電荷，占據(jù)整個原子的極小一部分空間，而電子帶負電，繞著原子核轉動，如同行星繞太陽轉動一樣。原子的核式模型：1911年盧瑟福提出原子的“有核結構模型”。2.原子的有核模型+-粒子散射1/8000被反射，大部分透過原子內大部分是空的粒子散射實驗，驗證了原子的核式模型原子的大小和重量原子的直徑10-10m。把1000萬個碳原子一個接一個排成行，其長度只有1厘米。50萬個原子只能排滿頭發(fā)絲的距離。全世界50億人一起來數(shù)一滴水中包含原子的數(shù)目，假定每人數(shù)一個原子的時間一秒鐘，50億人一起數(shù)完一滴水中全部原子所需的時間為30000年。

原子的質量只有10-23克。一杯水的重量與其中的一個原子的重量相比，約等于地球的重量與其上的一小塊磚頭的重量之比。二、玻爾模型1.盧瑟福模型的困難連續(xù)光譜電子落到核上電子繞核旋轉輻射S輻射電磁波旋轉頻率E能量減小R軌道減小T周期減小

旋轉頻率増加（不穩(wěn)定系統(tǒng)）2.玻爾模型提出的背景（1）愛因斯坦光量子假設：光電效應、康普頓效應（2）氫氣放電管氫原子譜線：7000A4100A5000A6000A6563A4861A4340A在可見光內巴爾末公式：經(jīng)驗公式R=1.096776×107/米里德伯常數(shù)n=3，4，5···通過氫氣放電管獲得氫原子光譜其中m=1,2,3······而n=m+1,m+2,m+3······賴曼系：(紫外光)m=1帕邢系：(紅外光)m=3布喇開系：(紅外光)m=4普芳德系：(紅外光)m=5或進一步3、軌道角動量量子化假設：（3）玻爾假設與氫原子理論1、穩(wěn)定態(tài)假設：原子中的電子只能在一些分裂的穩(wěn)定的軌道上運行，不輻射電磁波2、躍遷假設：高能態(tài)電子躍遷到低能態(tài)時發(fā)射單色光電子角動量根據(jù)牛頓力學原子系統(tǒng)總能量n

稱量子數(shù)當n=1時基態(tài)能量玻爾半徑顯然當電子從nm

發(fā)生躍遷時與比較得（4）玻爾理論對氫原子譜線的解釋（2）電子接收外界能量跑到高能級稱受激狀態(tài)（1）原子位于基態(tài)（n=1）時，能量最小，最穩(wěn)定稱穩(wěn)定態(tài)（3）受激狀態(tài)電子會自發(fā)遷到低能級，發(fā)射光子

h=En-Em（4）氫原子譜線是大量原子發(fā)生躍遷的結果賴曼系巴爾末系帕邢系布喇開系普芳德系-13.58-3.39-1.51-0.85-0.540En(eV)12354氫原子能級圖解：n=2,m→∞例題1：當用波長為λ的光束照射氫原子，使n=2狀態(tài)下的電子剛好移離原子(電離)。求入射光波長。例題2：如用能量為12.8eV的電子轟擊氫原子。問:①將產(chǎn)生幾條譜線？②其中波長最長與最短為多少？③可見光范圍內譜線為多少？解1：氫原子獲得最高能量能量量子化取n

=4則有：41，42，43，31，32，21共6條譜線2：波長最長為43得3：可見光為巴爾末系，為42，32波長最短為41補充題、（1)問：用可見光照射能否使處于n=2的氫原子受到激發(fā)而被電離？（2）求：當用單色光照射，若使第二激發(fā)態(tài)(n=3)的氫原子電離，則入射光波長為多少？三、電子的波粒二重性1.玻爾模型的困難經(jīng)典粒子、電磁波的輻射、躍遷概率2.電子的波粒二重性光具有波粒二象性波動性：衍射，偏振粒子性：光電，康普頓效應能量與頻率動量與波長1924年德布羅意提出了實物粒子也具有波粒二象性（一）德布羅意推論的思想體系（1）自然界在許多方面存在著顯著的對稱性（如動物，植物）對稱是平衡的基礎（2）我們可以觀察到的宇宙是由光和實物組成（3）光具有波粒二象性，物質也具有波粒二象性得實物粒子的波長當v<<c時稱物質波或德布羅意波例如：對宏觀低速物體當m=0.05千克，v=300米/秒無法觀測到微觀粒子？計算電子在室溫下=？室溫T=300K接近x射線波長1928湯姆孫金箔衍射實驗1961約恩孫電子多縫干涉單縫雙縫三縫四縫

(二)電子衍射實驗四、粒子運動的測不準關系1.力學量的不確定度宏觀物體：坐標：位置動量：運動量微觀物體：不能用x，p來確定不確定度看電子衍射xdp△px電子從縫中出來位置不確定量2.海森堡的測不準關系位置能量§4.3x射線譜一、軔致輻射(連續(xù)譜）高速電子打到靶上，電子與靶原子碰撞過程中，受到原子核的庫侖場作用，驟然減速，損失的動能轉換為輻射能。0.050.10.150.2λ20010000200003000040000400電壓為千伏I(計數(shù)、秒）銅靶的x射線譜KαKβ二、特征輻射x射線譜中，分立譜（線光譜）所包含的分立波波長的大小取決于材料本身，是電子內殼層躍遷時放出射線而引起。其頻率可用玻爾氫原子模型近似計算。例如：K殼層α譜線12345nKLMoN各種特征x

射線示意圖基本粒子未必基本長期以來，人們一直在孜孜不倦地探索著物質的基本組成，對物質結構的認識有一個逐步深入的過程。人們曾經(jīng)把當時所認識到的組成物質的最小基本單元，稱為“基本粒子”，現(xiàn)在知道，基本粒子未必基本。電子、光子、質子、中子的發(fā)現(xiàn)，相繼為原子物理學和原子核物理學奠定了基礎，正電子、反質子、π介子、中微子的發(fā)現(xiàn)，使人們感受到粒子物理的豐富內涵與獨特的研究方式，促使粒子物理作為一門獨立的學科出現(xiàn)?！?.3原子核的結構討論：原子核的組成原子量始終是氫原子量的整數(shù)倍。

1919年，盧瑟福用粒子作為高速“炮彈”來轟擊氮原子核，首先實現(xiàn)了原子核的人工破裂。用粒子轟擊氮原子核，能釋放氫核，用硼、氟、鈉、鋁、磷等做實驗，也能打出氫核。氫核定義為“質子”。每個原子核都由氫核構成。盧瑟福得出結論：一、中子的發(fā)現(xiàn)1920年，盧瑟福提出中子假說。

他認為原子核中，質子可能與電子緊密地結合，形成一種不帶電的粒子，即中子。他推測，因為中子周圍不形成電場，所以當它通過氣體時，應不產(chǎn)生離子。它不受電場作用力的影響，所以，穿透力會很強，只有當它與原子核發(fā)生正面碰撞時，才會轉折。而被碰撞的核，因為得到一定的動能，可能以一定的速度射出。

1930年，德國物理學家玻特和貝克發(fā)現(xiàn)利用粒子轟擊鈹元素時，產(chǎn)生了一種穿透力極強而且不受電場或磁場影響的射線。

1932年，查德威克從實驗上發(fā)現(xiàn)了質量與質子相近的中性粒子，并命名為“中子”。