原子物理（ Atomic Physics ）

原子物理（Atomic Physics） 1．原子结构和玻尔模型 2．单电子原子 3．多电子原子

古代原子学说 B. C. 4世纪 Democritus 原子（Atom）组成物质的最小单元，永恒不变机械原子学说 17世纪 Newton 有质量的球形微粒通过吸引力机械地结合成宏观物体原子的运动是机械位移，遵守力学定律困难：不能解释光、电、热等物理现象和燃烧等化学过程

化学原子学说 化学反应中，原子不可分解，性质不变； Dalton 1808年不同元素的原子不同，每种原子有确定原子量。 Avogadro 气体由分子组成，分子由原子组成。 1811年同温同压的同体积气体含相同数目的分子。 Mendeleev 发现元素周期律，预言新元素 1869年现代原子学说 19世纪末三大发现——X射线、放射性和电子

原子是物质结构的一个层次，介于分子和原子核之间。原子是物质结构的一个层次，介于分子和原子核之间。原子核式结构模型 1911年 Rutherford 1913年原子量子理论解释氢光谱 Bohr 1923-1927 量子力学诞生成功解释原子现象问题：组分? 结构和相互作用? 内部运动?

Millikan油滴实验精确测定 1mol一价离子所带电量为常数（法拉第常数） Thomson测量和通过磁场中的偏转测卢瑟福－玻尔原子模型电子（electron）的发现 Faraday电解定律：析出物质量正比于电解液电量 1833年 Stoney提出电荷的最小单位 1874年 Stoney命名电量子为电子 1881年 Thomson证实阴极射线由负电微粒组成 1897年电子的发现 1899年 1909年

The Nobel Prize in Physics 1906 in recognition of the great merits of his theoretical and experimental investigations on the conduction of electricity by gases J. J. Thomson (1856-1940) The Nobel Prize in Physics 1923 for his work on the elementary charge of electricity and on the photoelectric effect R. Millikan (1868-1953)

原子中存在一定数量的电子，带负电。 原子电中性，必定带有相同电量的正电荷，承担了绝大部分质量。正电部分和电子如何分布与相对运动？

原子的核式模型 1．原子模型西瓜模型葡萄干布丁模型 Thomson模型（1898年）正电荷均匀分布于原子球体内，电子嵌于其中。核式结构模型行星模型 Rutherford模型（1911年）正电荷集中于占原子线度1/104的核内，电子绕核运动。

Geiger和Marsden发现粒子经原子散射后散射角大于 的概率约为1/8000 E. Rutherford (1871-1937) 1909年 “就像一枚15英寸的炮弹打在一张纸上又被反射回来一样，” 模型比较： 粒子进入原子内部时，电子的影响可忽略重元素原子正电部分近似固定不动

T模型 易穿过原子，只能发生小角度散射。 R模型距核愈近力愈大，可能被大角度散射。

守恒守恒 2．粒子在平方反比中心力场中的运动斥力引力

瞄准距离 散射角散射态圆锥曲线

粒子反射 具有确定能量的粒子束均匀入射，研究散射粒子的角分布

散射粒子数按的分布 入射粒子流密度入射粒子数按的分布 3．卢瑟福散射公式微分散射截面

原子数密度 厚度 Rutherford公式靶：很薄的金属箔核不相互遮掩，都起散射作用。入射粒子最多被散射一次。

卢瑟福公式忽略电子屏蔽作用，对小角度散射不适用。卢瑟福公式忽略电子屏蔽作用，对小角度散射不适用。 4．盖革－马斯顿实验（1913年）验证：靶不变，粒子能量不变改变靶厚改变粒子能量 1920年 Chadwick改进仪器，测靶材原子序数改变靶材实验确认“核式模型”的正确性

卢瑟福公式成立前提下， 愈大，估计愈准确。 5．原子核大小的估计卢瑟福公式成立条件 29Cu

原子光谱 1．光谱及其分类光谱（spectrum）电磁辐射频率成分和强度分布的关系图纪录仪（感光底片或光电纪录器）光谱仪光源分光器（棱镜或光栅）按光谱结构分类固体热辐射连续光谱线光谱原子发光

样品光源 分光器纪录仪分光器纪录仪连续光源样品带光谱分子发光按光谱机制分类发射光谱吸收光谱光谱由物质内部运动决定，包含内部结构信息

2．氢原子光谱 1885年已观察到14条谱线 Balmer经验公式 1890年 Rydberg经验公式波数光谱项

1916年 赖曼（Lyman）系（紫外区） 1885年巴耳末（Balmer）系（可见光区） 1908年帕邢（Paschen）系（近红外区） 1922年布喇开（Brackett）系（红外区） 1924年普丰特（Pfund）系（远红外区）原子光谱特点：分立线光谱波数可表示为两光谱项之差

原子寿命 玻尔氢原子理论 1．原子行星模型的困难原子稳定性困难电子加速运动辐射电磁波，能量不断损失，电子回转半径不断减小，最后落入核内，原子塌缩。

光谱分立性困难 电子绕核运动频率电磁波频率等于电子回转频率，发射光谱为连续谱。 2．玻尔模型（1913年）背景：能量子和光子假设、核式模型、原子线光谱 (1) 定态（stationary state）假设电子只能在一系列分立的轨道上绕核运动，且不辐射电磁波，能量稳定。

电子轨道和能量分立 (2) 跃迁（transition）假设原子在不同定态之间跃迁，以电磁辐射形式吸收或发射能量。频率规则吸收发射

(3) 角动量量子化假设 电子定态轨道角动量满足量子化条件：玻尔半径精细结构常数基态（ground state）

激发态（excited state） 电子轨道赖曼系巴耳末系能级（energy level）帕邢系实验值

理论值 角动量量子化来自电子的波动性首尾位相相同的环波才能稳定存在散射态轨道不闭合，非量子化与散射态有关的跃迁对应连续光谱

原子序数 化学价类氢离子核外只有一个电子的离子 He+，Li2+，Be3+，B4+，… 1．毕克林线系 1897年 Pickering从星光中发现类巴耳末系 Rydberg公式 He+光谱

2．玻尔类氢离子理论 核电荷实验值

Evans观测He+光谱，证实毕克林线系属其线系之一。Evans观测He+光谱，证实毕克林线系属其线系之一。误差超过1/104（光谱测量精度）的原因：理论值忽略原子核的运动，相当于取核质量为无限大。 3．原子核质量有限带来的修正两质点在相互作用下运动两体问题两体约化质量

质点1相对2的运动相当于固定2后质量为 的质点的运动。质心速度不变质心系

质心系 核系

1932年 Urey发现巴耳末系的双线结构，证实氘的存在，获1934年Nobel化学奖

The Nobel Prize in Physics 1922 for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them N. Bohr (1885-1962) 玻尔理论解释了原子光谱分立性和原子的稳定性

弗兰克－赫兹实验 原子内部能量量子化证据原子光谱分立性 Franck和Hertz实验发现原子经电子碰撞后吸收能量的分立性 1914年 K：热阴极，发射电子 KG区：电子加速，与Hg原子碰撞 GA区：电子减速，能量大于0.5 eV的电子可克服反向偏压，产生电流

电子经过 次加速和非弹性碰撞，能量全部损失，电流最小。非弹性碰撞，电子损失能量，激发Hg原子弹性碰撞，电子几乎不损失能量缺陷：电子动能达到4.9 eV便经碰撞失去能量，无法达到更高动能。

1920年 Franck改进实验装置 K：旁热式热阴极，均匀发射电子，提高能量测量精度 KG1区：电子加速 G1G2区：电子与原子碰撞 G2A区：电子减速 1924年 Hertz测得4.9 eV以上的高激发能

The Nobel Prize in Physics 1925 for their discovery of the laws governing the impact of an electron upon an atom G. Hertz (1887-1975) J. Franck (1882-1964) 原子能量量子化另一证据：原子吸收电子能量的分立性习题《原子物理学》p. 42，14、16题

卢瑟福－玻尔原子模型小结 一．原子的核式结构 1．卢瑟福模型核（占原子线度1/104）+电子 2．实验验证卢瑟福散射理论（基于核式结构）和盖革－马斯顿实验相符二．原子的量子论 1．玻尔模型量子化概念核式模型光谱实验定态假设辐射跃迁假设角动量量子化假设原子能级

解释氢光谱分立性、原子稳定性 电子绕核运动经典力学处理电子轨道半径量子条件限制半经典量子理论 2．弗兰克－赫兹实验原子能量量子化的另一实验证据电子与原子碰撞能量转移分立性

原子物理（ Atomic Physics ）