20原子物理学Ch1

Canwe“see”theatoms?ByEyesnoByOpticalmicroscopenoByElectronmicroscopepossibleModernmethods:ThefieldemissionmicroscopeTovisualizesingleatomorlargemoleculesonthetipoffinemetalpointsSEM(ScanningElectronMicroscopy)Toimagetheindividualatomsinmoleculesandincrystals.TEM(TransmissionElectronMicroscopy)STM(ScanningTunnelingMicroscopy)知识挑战TEMSTMimage原子物理学主讲：封东来[e-mail]课后:江湾先进材料楼333室，或科学楼432.请提前预约时间Tel:23486，30266TA姜娟,Tel:[phone],[e-mail]张亚峰Tel:24150,[e-mail]WangWeiAtommanipulationBySTMFeatomsonCu(111)课程信息教学互动:复旦大学信息化教学管理系统用户名:eandm分数：作业14%+出勤6％＋期末考试30%◦每次作业皆在周二课前上交(同时发上周批改后的）◦出勤(课堂5分钟小测验×2次，答对3分，答错2分）约16节课课堂上不讲授的章节：◦第七、第八章（寒假阅读）◦其他待定序言和绪论0.原子物理的教学智能的培养（学会学习，学会运用知识）讲清楚，又留有空间诱发问题思考问问题的重要性巴斯德、李政道与玻尔实验科学之美◦丁肇中历史发现之旅◦Segre物理图像的建立尤为重要，将为固体物理、量子力学、量子化学等等打下基础“原子”的哲学史公元前四世纪，德谟克利特提出物质最小单位，不可分割；亚里士多德，物质连续战国时期的墨翟的“端”，儒家《中庸》的“莫破”公孙龙：物质连续的观点。“原子”科学概念的形成1806，Proust,化合物分子的定组成定律◦定比定律：元素按一定的物质比相互化合。◦1815.assumedthatthattheatomsofallelementsareputtogetheroutofHydrogenatoms.1807，Dalton,倍比定律，提出物质的原子论◦倍比定律：若两种元素能生成几种化合物，则在这些化合物中，与一定质量的甲元素化合的乙元素的质量，互成简单整数比。◦14gN2+16gO2—30gNO;◦1.一定质量的某种元素，由极大数目的该元素的原子所构成；◦2.每种元素的原子，都具有相同的质量，不同元素的原子，质量也不相同；◦3.两种可以化合的元素，它们的原子可能按几种不同的比率化合成几种化合物的分子根据道尔顿的原子学说，我们可以对简单的无机化学中的化合物的生成给予定量的解释，反过来，许多实验也证实了原子学说；并且人们发现气态物质参与的化学反应时的元素的重量与体积也遵循上述规律。1808，盖·吕萨克定律告诉我们，在每一种生成或分解的气体中，组分和化合物气体的体积彼此之间具有简单的整数比，元素气体等体积的重量正比于原子量1volumeN+1volumeO2=2volumesNOThehypothesisofAvogadro(1811):与前述规律进行对比，我们可以得到这样的结论：气体的体积与其中所含的粒子数目有关。阿伏伽德罗定律告诉我们，温同压下，相同体积的不同气体含有相等数目的分子.1826，Brownianmotion1833，Faraday电解定律，化学力电力.Basedonthequantitativeevaluationofexceedinglycarefulmeasurementsoftheelectrolysisofliquids,MichaelFaraday(in1833):Thequantityofanelementwhichisseparatedisproportionaltothequantityofchargetransportedintheprocess.The“atoms”ofelectricitywaslaterknownastheelectrons.1869，门捷列夫元素周期表(TheperiodicsystemofL.MeyerandD.I.Mendeleev)TheexplanationofheatledtothekinetictheoryofgasesbyClausiusandBoltzmanninabout1870.能量的量子化1860,KirchhoffandBunsen:opticalspectraarecharacteristicoftheelementswhichareemittingorabsorbingthelight.1885,Balmer:findinganorderingprincipleinspectrallinesemittedfromHydrogenatoms.OnDec.14,1900,Planckannouncedthat:theenergyofharmonicoscillations,forblackbodyradiation,canonlytakeondiscretevalues(theconceptofquanta)—thebirthofquantumtheory.1911,Rutherford:theplanetmodeloftheatom;1913,Bohr:BohrmodelofHydrogenatom.ByDeBroglie:theconceptofmatterwaves.1920~1930,Born,Heisenberg,Schrödinger,Pauli,Dirac,andotherresearches:Quantumtheory.Segre:1895年的物理学界1900年左右的实验物理学当原子学说逐渐被人们接受以后，人们又面临着新的问题：原子有多大？原子的内部有什么？原子是最小的粒子吗？原子物理的目标：Anunderstandingof:Thestructureofatoms,Theinteractionwithoneanother,Theinteractionwithelectricandmagneticfields.原子的位形：卢瑟福模型第一章§1.1背景知识1.电子的发现1.1833,法拉第电解定律2.1811,Avogadro假说3.1874,Stoney提出“电子”4.1897,Thomson阴极放电实验阴极射线19世纪末,低压气体放电实验人们得到结论认为某种射线流–称作阴极射线–从真空管里面加了高的负电压的阴极上放出.◦它们是什么?GasdischargetubePlasmaballSegre电子的发现1897年，汤姆逊通过阴极射线管的实验发现了电子，并进一步测出了电子的荷质比:e/m汤姆逊被誉为:“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人.”图１汤姆逊正在进行实验Segre图2阴极射线实验装置示意图加电场E后，射线偏转，阴极射线带负电。再加磁场H后，射线不偏转，去掉电场E后，射线成一圆形轨迹求出荷质比。qEBqBE/rmBq/22//rBEmq微粒的荷质比为氢离子荷质比的千倍以上阴极射线质量只有氢原子质量的千分之一还不到电子1890年，休斯脱(A.Schuster),1887年考夫曼(W.Kaufman)做了类似的实验他测得的荷质比的数值比汤姆逊的还要精确，他还发现荷质比随粒子速度的改变而改变。但是他当时没有勇气发表这些结果，他不相信阴极射线是由粒子组成的。直到1901年他才公布自己的实验结果.汤姆逊以惊人的胆识同传统观念决裂，勇敢地确认了有比氢原子小得多的微粒——电子存在，而被誉为最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人。由此他获得了1906年诺贝尔物理学奖.电子电荷的精确测定是在1910年由R.A.密立根（Millikan）作出的，即著名的“油滴实验”。e=1.60217733×10-19Cm=9.1093897×10-31kg•电荷的量子化•Millikan故意只发表支持整数倍电荷的数据•MartinPerl的夸克实验精确测定了电子电荷数值为：1.59×10-19库仑，很多年来一直被认为是最精确的数值，密立根因此获得了1923年诺贝尔物理学奖，直到1929年才发现它约有1%的误差，来自对空气粘滞性测量的偏离，电子电荷的精确值为Millikan的实验设备.X光可以使由atomizer产生的油滴带电。从Faraday电解定律，分解1mol氢所需电量，得到氢离子的荷质比e/mp从电子荷质比，e/me可得mp/me=1836.152701Avogaderoconstant1mol(12g)的12C所含的原子数目为NA单个12C的质量为12uF=eNAR=kBNANA联系了微观和宏观NA:阿伏加德罗常数。(6.0221023/mol))(1211126CMuANgu11原子的大小质量最轻的氢原子：1.673×10-27kg原子质量的数量级：10-27kg——10-25kg0NAMA310)43(NAr•A：以克为单位时,一摩尔原子的质量.。N0:阿伏加德罗常数。(6.0221023/mol)原子的半径－10-1０m（0.1nm）化学直觉，离子半径等原子的质量：1mol物质含有的基本单元数为NA，元素摩尔质量数值上等于该元素的原子量A，则单个原子的绝对质量为：原子核半径－10-14m电子半径－10-1８mIonRadius“Chemical”pressure§2卢瑟福模型的提出汤姆逊原子模型：1903年英国科学家汤姆逊提出“葡萄干蛋糕”式原子模型或称为“西瓜”模型－原子中正电荷和质量均匀分布在原子大小的弹性实心球内，电子就象西瓜里的瓜子那样嵌在这个球内。同时该模型还进一步假定，电子分布在分离的同心环上，每个环上的电子容量都不相同，电子在各自的平衡位置附近做微振动。因而可以发出不同频率的光，而且各层电子绕球心转动时也会发光。这对于解释当时已有的实验结果、元素的周期性以及原子的线光谱，似乎是成功的.Rutherford,Ernest(1871-1937)NewZealander-EnglishphysicistwhowasborninNelson,NewZealand.Rutherfordisbestknownfordevisingthenamesalpha,beta,andgammaraystoclassifyvariousformsofrayswhichwerepoorlyunderstoodathistime.Rutherfordsuggestedthatthesimplestpossibleraysmustbethoseobtainedbyhydrogenandthatthesemustbethefundamentalpositivelychargedparticle,whichhedubbedtheprotonin1914.In1917,hepassedalphaparticlesthroughagasofnitrogenandoccasionallyobservedscintillationofhydrogenimpactingonhisscreen.Heconcludedthatthealphaparticleswereknockingprotonsoutofthenitrogenatoms,andthusthathehadmadethefirstobservationofnuclearreactions.Rutherf