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原子物理学
主讲：陈向军
办公室：理化大楼02－008
Email: [email protected]
辅导：宫毛毛、李哲安、沈振杰
办公室：理化大楼02－001
课件地址：http://staff.ustc.edu.cn/~xjun
课程信息
主要参考书
《近代物理学》 徐克尊等编著
中国科学技术大学出版社
第1章 原子模型和单电子原子
第2章 量子力学初步
第3章 电子自旋和原子能级的精细结构
第4章 多电子原子的能级和光谱
第5章 分子结构和分子光谱
第6章 粒子与原子和分子的相互作用
第7章 原子核的基本性质和结构
第8章 核衰变和核反应
第9章 粒子物理
课程信息
其它参考书
(1)杨福家 《原子物理学》第四版 高等教育出版社
(2) H.哈肯，H.C.沃尔夫 《原子物理学和量子物理学》
(3)《费曼物理学讲义》
(4) 朱栋培等人 《原子物理与量子力学》
科学出版社
课程信息
If, in some cataclysm, all of scientific knowledge were
destroyed, and only one sentence passed to the next
generations of creatures, what statement would contain
the most important information in the fewest words?
Atomic hypothesis that
ALL THINGS ARE MADE OF ATOMS
little particles that move around in perpetual motion,
attracting each other when they are a little distance apart,
but repelling upon being squeezed into each other.
Richard Feynman
(1918-1988)
第一章 原子模型和单电子原子
§1.1 物质的原子性
§1.1物质的原子性--物质是由原子组成的
???
古希腊哲学家：Leucippus及其学生Demoncritus(ca 460BC~ ca 370BC)
原子假说 (古老的原子论)：
(1) 宇宙是由无限广延的虚空和极其微小、坚硬、不能穿透、不可再分割(atomos)的颗粒“原子”组成的；
(2) “原子”在虚空中不断运动；
(3) 由“原子”组成组成不同的物质。各种物质的区别只在于“原子”的数目、形状、大小和位置以及排列方式的不同。
Philosophical atomism
§1.1物质的原子性--物质是由原子组成的
(1) 物理：气体分子运动论
实验基础：气体实验定律
① 1662年，波义耳的P-V定律；
② 1787年，查理的V-T和P-T定律；
③ 1802年，盖吕萨克独立发现了V-T定律。
R. Boyle
(1627–1691)
J. Charles
(1746-1823)
J L Gay-Lussac
(1778 –1850)
Scientific atomic theory
§1.1物质的原子性--物质是由原子组成的
在气体实验定律的基础上，19世纪，由克劳修斯、麦克思韦、玻尔兹曼等人发展出气体分子运动论，很好地解释了气体的物理性质：
R. Clausius
(1822 –1888)
J. C. Maxwell
(1831–1879)
L. E. Boltzmann
(1844-1906)
§1.1物质的原子性--物质是由原子组成的
① 气体是由大量被称为“分子”的粒子组成的，粒子与粒子之间、粒子与容器壁之间发生弹性碰撞；
② 同种物质的“分子”都是相同的，其大小与其间的距离相比可以忽略；
③ 气体的温度正比于分子的平均动能。
① 1801年，普劳斯特的定比定律：
J. L. Proust
(1754 –1826)
§1.1物质的原子性--物质是由原子组成的
(2) 化学：原子论
实验基础：化学组成定律
C + O2 CO2
6克 16克 22克
12克 32克 44克
② 1807年，道尔顿的倍比定律：
J. Dalton
(1766 –1844)
C + O2 CO2
6克 16克 22克
C + O2 CO
6克 8克 14克
化学元素合成化合物时，各元素之间的重量比总是相同的。
两种元素化合形成不同的化合物时，给定其中一种元素的重量，另一种元素的重量总是成简单的小整数比。
J. Dalton
(1766 –1844)
1808年，道尔顿提出了“原子论”：
§1.1物质的原子性--物质是由原子组成的
① 物质是由大量分立的原子组成的；
② 同种物质的原子其质量、形状和性质均相同；
③ 元素由“简单原子”组成，化合物由“复杂原子”组成；
④ “复杂原子”是由为数不多的“简单原子”组成的。
1808年，盖吕萨克又发现了气体反应的体积比定律：气体化合时，体积成简单的比例关系。
1811年，阿伏伽德罗引入“分子”的概念。明确区分了原子和分子，从而发展成为“原子分子论”：
① 原子是元素的最小颗粒；
② 分子是由原子绑在一起形成的化合物的最小颗粒，是保持物质化学性质的最小单元。
A. Avogadro
(1776 –1856) 阿伏伽德罗定律：在相同的温度和压力条件下，同体积的任何气体含有的分子数相同。
§1.1物质的原子性--物质是由原子组成的
J L Gay-Lussac
(1778 –1850)
道尔顿定义了元素原子的相对质量：
§1.1物质的原子性--原子的质量与大小
(1) 元素的原子量
以H原子质量为1，其它元素原子的相对质量(原子量)可以通过化学反应定律确定。
1961年，国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)采用C元素在自然界中最丰富的同位素的原子为基准，设其原子量为12。
An atomic weight (relative atomic mass) of an element from a
specified source is the ratio of the average mass per atom of the
element to 1/12 of the mass of 12C" in its nuclear and electronic
ground state.
H：1.00794 O：15.9994
化合物的分子量
§1.1物质的原子性--原子的质量与大小
(2) 阿伏伽德罗常数
若某种物质的原子量(分子量)为A，则质量为A克的这种物质称为1 摩尔(mole) (克原子 gram-atom, 克分子gram-molecule) 。
1 摩尔(mol)任意物质所含的原子(分子)数是一个普适的常数，称为阿伏伽德罗常数NA 。
J. Loschmidt
(1821-1895)
NA = 6.022 14199(47) 1023 mole-1
现代值
1865年，洛施米特最早对NA作出了估测。
§1.1物质的原子性--原子的质量与大小
(3) 原子的质量
A
AM
N
IUPAC采用12C原子为基准衡量原子质量， 12C原子质量的1/12称为1个原子单位 u。
27
H 23
1.008~ 1.67 10
6.02 10A
A gM kg
N
1 u =1.66053873(13)10-27 kg
(4) 原子数密度N： 单位体积内的原子数
AN NA
是物质密度
单位体积摩尔数
例如
例如固体铜 3
23 22 38.966.02 10 8.49 10
63.5A
g cmN N cm
A
§1.1物质的原子性--原子的质量与大小
(3) 原子的大小
单个原子平均占有的空间体积 1
A
A
AV
N N
球形密堆积
3
(2 )( 3 )( 8 / 3 )
4 2
AV R R R
R
六角密堆积 立方密堆积
34 2A
AR
N
1/3
4 2 A
AR
N
元素 Z A ρ
(×103kg·m-3）
M
（×10-26kg）
N
（×1028m-3）
VA
（×10-29m3）
R
（×10-10m）
锂Li 3 6.9 0.534 1.15 4.66 2.15 1.53
铝Al 13 27.0 2.70 4.49 6.02 1.66 1.41
铁Fe 26 55.8 7.86 9.30 8.48 1.18 1.25
铜Cu 29 63.5 8.94 10.5 8.48 1.18 1.25
银Ag 47 108 10.5 17.9 5.85 1.71 1.42
铅Pb 82 207 11.4 34.4 3.32 3.02 1.72
§1.1物质的原子性--原子的质量与大小
表1.1 部分固态金属物质的一般性质
思考：不同原子的半径大小差异不大？
§1.1物质的原子性--原子论的实验验证
人眼的分辨
~0.1 mm(灰尘)
光学显微镜的分辨
~0.2 m(细胞)
眼见为实
~10-10m
原子大小
Robert Brown
(1773 -1858)
§1.1物质的原子性--原子论的实验验证
(1) 布朗运动 Brownian Motion
1827年，苏格兰植物学家Robert Brown用光学显微镜观察悬浮在水中的花粉颗粒，发现颗粒做一种无规律的曲折运动。
用无机物颗粒做实验，断定这种运动与生命现象无关。
A. Einstein
(1879-1955)
§1.1物质的原子性--原子论的实验验证
1905年，德国物理学家Albert Einstein利用分子运动论给出了完整的理论解释。
(2) 布朗运动的理论解释
Annalen der Physik 322 (1905) 549–560
物理图象：液体分子对悬浮颗粒的不规则撞击造成的。
定量计算：
设小球的半径为a，在粘滞系数为的液体中做布朗运动。
计算得到的位移均方值为：
2
3 A
RTx t
aN
t为测量的时间间隔，R是气体常数，T是温度。
t0
t1
t2
t3
t4
§1.1物质的原子性--原子论的实验验证
(3) 布朗运动的实验测量
J. B. Perrin
(1870 –1942)
23A
RTN t
a x
NA = 7.15 1023 mole-1
有力地证明了原子分子的存在！ Nobel Prize for Physics in 1926
1981年，IBM公司苏黎世实验室的宾
尼格与罗雷尔发明了扫描隧道显微镜(Scanning Tunnelling Microscope)，第一次在实空间观察到单原子分子。
§1.1物质的原子性--原子论的实验验证
G. Binnig
(1947 -)
H. Rohrer
(1933-)
1986 Nobel laureates of Physics
1986年第一台商用STM 1990年在金属Ni表面上
的35个Xe原子
CO分子组成的卡通人
§1.1物质的原子性--原子论的实验验证
§1.1物质的原子性--原子论的实验验证
HOPG表面的单原子像
§1.1物质的原子性--原子是物质的一个层次
?
§1.1物质的原子性--原子是物质结构的一个层次
W. C. Röntgen
(1845-1923)
H.Becquerel
(1852-1908)
J. J. Thomson
(1856-1940)
1895年，发现X射线
1896年，发现放射性
1897年，发现电子
揭开了近代物理的序幕
原子是物质结构的一个层次
原子物理学是在这一层次上，研究物质的结构、运动规律和相互作用的一门科学。