第17单元原子物理学

《原子物理学》教案课程简介：《原子物理学》是在经典物理课程（力学、热学、电磁学、光学）之后的一门重要必修课程。

它上承经典物理，下接量子力学，属于近代物理的范畴。

它以力、热、光、电磁等课程的知识为基础，从物理实验规律出发，引进量子化概念，探讨原子、原子核及基本粒子的结构和运动规律，从微观机制解释物质的宏观性质，同时介绍原子物理学知识在现代科学技术上的重大应用。

本课程强调物理实验的分析、微观物理概念和物理图像的建立和理解。

通过本课程教学，使学生初步了解物质的微观结构和运动规律，了解物质世界中三个递进的结构层次，为学习量子力学和后续专业课程打下基础。

在内容体系的描述上，原子物理学采用了普通物理的描述风格，讲述量子物理的基本概念和物理图像，以及支配物质运动和变化的基本相互作用。

该课程大致分为三个层次：第一是成熟、已有定论的基本内容，要求学生掌握并能运用；第二是目前已取得的最新研究成果，要求学生明确其物理概念和物理图像；第三是前沿研究课题内容，要求学生了解并知道其研究方向。

本课程注重智能方面的培养，力求讲清基本概念，而大多数问题需经学生通过阅读思考去掌握。

部分内容由学生自行学习。

本课程原则上采用SI 单位制，同时在计算中广泛采用复合常数以简化数值运算。

[通常用Å（1Å=10-10m ）描写原子线度，用fm (m fm 15101-=)描写核的线度，用eV 、MeV 描述原子和核的能量等。

]第一章 原子的位形：卢瑟福模型§1-1背景知识“原子”概念（源于希腊文，其意为“不可分割的” ）提出已2000多年，至19世纪，人们对原子已有了相当的了解。

由气体动理论知，1mol 原子物质含有的原子数是12310022.6-⨯=mol N A 。

因此可由原子的相对质量求出原子的质量，如最轻的氢原子质量约为kg .2710671-⨯；原子的大小也可估计出来，其半径是nm .10(m 1010-)量级。

《原子物理学》教学大纲学时：51 学分：3 适用专业；物理学一、课程的性质、目的和任务原子物理学是物理学专业的专业必修课程，它属物理学范畴。

在总的目标培养下，着重从物理实验规律出发，引进量子化概念，主要探讨原子的发光机理以及原子的运动规律和原子内壳层电子跃迁规律（X射线）等。

从而让学生初步了解微观世界的结构和运动规律，了解可无限分割的物质世界中的结构层次。

逐步建立用量子化的思想、概念、语言及思维方法来研究微观世界，为继续学习量子力学、近代物理实验等后续课程打下基础。

二、课程教学的基本要求（1）理解原子物理学的基本概念，掌握微观系统遵从的基本规律和处理问题的基本方法，掌握对微观系统思维方法，提高学生应用基本规律解决实际问题的能力；（2）了解原子物理学的研究对象、研究方法思维的内容及相关内容的发展状况；（3）理解原子物理学的基本概念，包括定态、能级、角动量、光谱、磁矩、自旋；（4）掌握玻尔理论及其应用、电子自旋与光谱的精细结构、塞曼效应、电子的耦合与原子的能级、泡利不相容原理、元素周期表、射线的产生机制。

三、课程教学内容（一）绪论1．原子物理学的发展2．原子物理学的地位与作用3．学习上应注意的几点（二）原子的基本状况1．原子的质量和大小2．原子的核式结构3．同位素说明：本章的重点是卢瑟福模型，α粒子的偏转角与瞄准距离的关系，难点是卢瑟福散射公式的推导。

（三）原子的能级和辐射1．光谱2．氢原子光谱和原子光谱一般情况等3．玻尔的氢原子理论和关于原子的普遍规律4．类氢离子的光谱5．夫兰克—赫兹实验与原子能级6．量子化通则7．电子的椭圆轨道与氢原子的相对论效应8．史特恩——盖拉赫实验与原子空间取向的量子化9．原子的激发与辐射激光原理*10．对应原理与玻尔理论的地位说明：本章的重点是氢原子光谱规律及巴尔末公式，玻尔基本假设、圆轨道量子化条件等，难点是类氢离子的结构及其光谱规律，索末菲量子化条件，电子的椭圆轨道与氢原子的相对论效应等。

原子物理学知识点高三第一部分：原子和元素的基本概念原子物理学是研究原子和原子核的性质及其相互作用的学科，是现代物理学的重要分支之一。

在高三的学习中，我们会遇到一些基本的原子物理学知识点，让我们来系统地学习一下。

1. 原子的基本构成：原子是物质的基本组成单元，由原子核和围绕核运动的电子组成。

原子核是由质子和中子组成，质子带正电荷，中子不带电。

电子带负电荷，质量远小于质子和中子。

2. 元素和周期表：元素是指由具有相同原子序数的原子组成的纯物质，目前已经发现的元素有118种。

元素可以根据原子序数和原子量等特征排列在周期表中，周期表是原子物理学中的重要工具，能够帮助我们理解元素的性质和相互关系。

3. 原子的核内外层结构：原子核内包含质子和中子，质子数决定了元素的原子序数。

电子围绕在原子核外层运动，形成电子层。

电子层之间存在能级的差异，高能级电子离原子核越远，电子的能量越高。

第二部分：量子力学和原子结构量子力学是研究微观领域物理现象的理论框架，对于研究原子物理学非常重要。

在高三学习中，我们也会接触到一些基本的量子力学概念和应用。

1. 波粒二象性：在量子力学中，微观粒子既可以表现出粒子的性质，也可以表现出波动的性质。

典型的例子就是电子的行为，既可以看作是以粒子形式存在，也可以看作是以波动形式传播。

2. 波函数：波函数是描述量子系统状态的数学函数，可以用于计算能级、态密度等物理量。

波函数的平方模长（即概率密度）表示在特定位置或状态下找到粒子的概率。

3. 原子能级和电子排布规则：根据量子力学的原理，原子中的电子分布在不同的能级上，每个能级由一个或多个轨道构成。

根据泡利不相容原理、奥克形矩阵规则等，我们能够了解电子在不同能级上的排布规律。

第三部分：原子核和核反应除了电子外，原子核也是原子物理学研究的重要对象。

在高三学习中，我们会接触到一些关于原子核的知识和相关的核反应。

1. 原子核的结构：原子核由质子和中子组成，质子数决定了元素的原子序数。

第⼗七章原⼦物理学第⼗七章原⼦物理学★原⼦结构认识的历史过程→汤姆⽣原⼦模型→卢瑟福核式结构模型例：卢瑟福实验证明：当两个原⼦核之间的距离⼩到10-15m 时, 它们之间的排斥⼒仍遵守库仑定律. ⾦的原⼦核中有79个质⼦, 氦原⼦核(α粒⼦)中有2个质⼦. 已知每个质⼦带电e=1.60×10-19C, α粒⼦质量为6.68×10-27kg, 当α粒⼦与⾦核相距为6.9×10-15m 时(设这时它们仍可当作点电荷), 求：(1) α粒⼦所受的⼒; (2) α粒⼦的加速度.例：电⼦的质量m=9.1×10-28g, 电⼦的电荷e=1.6×10-19C, 已知原⼦的核外电⼦绕核运动的圆轨道半径r=5.3×10-9cm . 问：(1) 电⼦所受向⼼⼒等于多少? (2) 电⼦绕核运动的周期等于多少? →波尔原⼦模型例：玻尔在他提出的原⼦模型中所做的假设有( ).A 、原⼦处于称为定态的能量状态时,虽然电⼦做加速运动,但并不向外辐射能量B 、原⼦的不同能量状态与电⼦沿不同的圆轨道绕核运动相对应,⽽电⼦的可能轨道的分布是不连续的C 、电⼦从⼀个轨道跃迁到另⼀轨道时,辐射(或吸收)⼀定频率的光⼦D 、电⼦跃迁时辐射的光⼦的频率等于电⼦绕核做圆周运动的频率例：玻尔理论中依据氢原⼦电⼦绕核转动是库仑⼒提供向⼼⼒，即n n n r v me r e k 222=，加之玻尔假设的电⼦轨道（半径）公式12r n r n =（n 为量⼦数），试推导出电⼦绕核运转的动能公式21nE E k kn =及周期公式13T n T n =。

例：氢原⼦处于基态时能量为E 1＝-13.6eV ，电⼦的质量为m ，电量为—e ，求：(1) 从n ＝3的能量状态跃迁到n ＝2的能量状态时所辐射的能量；(2) 氢原⼦处于m ＝5状态时核外电⼦的速度；(3) 氢原⼦吸收波长为0.6×10-7m 的紫外线⽽电离(即电⼦不再受核的束缚)后所具有的动能.→电⼦云★α粒⼦散射实验（现象、原因、解释）例：当α粒⼦被重核散射时,图所⽰的运动轨迹哪些是不可能存在的( ).★原⼦的能级结构、氢原⼦模型的应⽤、光⼦的发射与接收例：氢原⼦能级图⼀部分如图所⽰，A 、B 、C 分别表⽰原⼦在三种跃迁过程中辐射出的光⼦.它们的能量和波长分别为E A 、E B 、E C 和λA 、λB 、λC,A.B A C l l lλλλ+= B.λC =λA +λBC.E C =E A +E BD. C B A l l lλλλ+=例：电⼦绕原⼦核的运动可视为⼀环形电流。

原子物理学课件第一部分：原子结构原子是物质的基本组成单位，由原子核和电子组成。

原子核位于原子的中心，由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电。

电子带负电，围绕原子核运动。

原子的结构可以用波尔模型来描述。

波尔模型认为，电子在原子核周围的运动是量子化的，即电子只能处于特定的能级上。

当电子从一个能级跃迁到另一个能级时，会吸收或发射特定频率的光子。

原子物理学的研究对象包括原子、分子和凝聚态物质等。

原子物理学的研究方法包括实验和理论计算。

实验方法包括光谱学、散射实验和原子碰撞实验等。

理论计算方法包括量子力学、量子场论和统计力学等。

原子物理学的研究对于理解物质的基本性质和结构具有重要意义。

原子物理学的研究成果在许多领域都有应用，如材料科学、化学、生物学和天文学等。

第二部分：量子力学与原子量子力学是描述原子和亚原子粒子的运动和相互作用的物理理论。

在量子力学中，粒子的位置和动量不能同时精确测量，这就是著名的海森堡不确定性原理。

在原子物理学中，量子力学被用来解释电子在原子中的运动。

根据量子力学，电子不是像波尔模型那样在固定的轨道上运动，而是在原子核周围形成概率云。

电子在原子中的能级是量子化的，这意味着电子只能处于特定的能级上。

量子力学在原子物理学中的应用还包括解释原子光谱和原子碰撞现象。

原子光谱是原子发射或吸收光子时产生的光谱线，这些光谱线可以用来确定原子的能级结构。

原子碰撞是指原子之间或原子与其他粒子之间的相互作用，这些相互作用可以导致原子能级的变化。

量子力学是原子物理学的基础，它为我们理解原子的性质和行为提供了重要的理论工具。

量子力学的研究成果不仅对原子物理学的发展具有重要意义，也对其他物理学领域的研究产生了深远的影响。

第三部分：原子物理学的发展与应用原子物理学的发展历程可以追溯到19世纪末20世纪初，当时科学家们开始研究原子的结构和性质。

随着量子力学的发展，原子物理学逐渐成为一门独立的学科。

原子物理学的研究成果在许多领域都有应用，如材料科学、化学、生物学和天文学等。

普通物理之原子物理学概述原子物理学是研究原子的结构、运动规律及相互作用的物理学分支。

它主要研究：原子的电子结构；原子光谱；原子之间或与其他物质的碰撞过程和相互作用。

历史经过相当长时期的探索，直到20世纪初，人们对原子本身的结构和内部运动规律才有了比较清楚的认识，之后才逐步建立起近代的原子物理学。

1897年前后，科学家们逐渐确定了电子的各种基本特性，并确立了电子是各种原子物理学家吴健雄原子的共同组成部分。

通常，原子是电中性的，而既然一切原子中都有带负电的电子，那么原子中就必然有带正电的物质。

20世纪初，对这一问题曾提出过两种不同的假设。

1904年，汤姆逊提出原子中正电荷以均匀的体密度分布在一个大小等于整个原子的球体内，而带负电的电子则一粒粒地分布在球内的不同位置上，分别以某种频率振动着，从而发出电磁辐射。

这个模型被形象的比喻为“果仁面包”模型，不过这个模型理论和实验结果相矛盾，很快就被放弃了。

1911年卢瑟福在他所做的粒子散射实验基础上，提出原子的中心是一个重的带正电的核，与整个原子的大小相比，核很小。

电子围绕核转动，类似大行星绕太阳转动。

这种模型叫做原子的核模型，又称行星模型。

从这个模型导出的结论同实验结果符合的很好，很快就被公认了。

绕核作旋转运动的电子有加速度，根据经典的电磁理论，电子应当自动地辐射能量，使原子的能量逐渐减少、辐射的频率逐渐改变，因而发射光谱应是连续光谱。

电子因能量的《生死线》中原子物理学家何莫修减少而循螺线逐渐接近原子核，最后落到原子核上，所以原子应是一个不稳定的系统。

但事实上原子是稳定的，原子所发射的光谱是线状的，而不是连续的。

这些事实表明：从研究宏观现象中确立的经典电动力学，不适用于原子中的微观过程。

这就需要进一步分析原子现象，探索原子内部运动的规律性，并建立适合于微观过程的原子理论。

1913年，丹麦物理学家玻尔在卢瑟福所提出的核模型的基础上，结合原子光谱的经验规律，应用普朗克于1900年提出的量子假说，和爱因斯坦于1905年提出的光子假说，提出了原子所具有的能量形成不连续的能级，当能级发生跃迁时，原子就发射出一定频率的光的假说。

原子物理学的基本概念原子物理学是研究物质的最基本单元——原子的性质和相互作用的学科。

自从19世纪末以来，原子物理学一直是物理学领域中最重要且迅速发展的分支之一。

本文将介绍原子物理学的基本概念，包括原子结构、量子力学、粒子的性质和相互作用等。

一、原子结构原子是物质的最小单元，由原子核和绕核运动的电子组成。

原子核由质子和中子组成，质子带正电荷，中子不带电。

电子带负电荷，围绕着原子核的轨道上运动。

原子的质量主要集中在原子核中，电子的质量较轻，数量与质子数相等，使得原子整体电荷为中性。

二、量子力学量子力学是描述原子和微观粒子行为的物理学理论。

根据量子力学，粒子的性质和运动方式受到波粒二象性原理的限制。

换句话说，微观粒子既可以表现为波动，也可以视作粒子。

量子力学给出了计算微观粒子运动和相互作用的数学表达式，例如薛定谔方程。

三、粒子的性质在原子物理学中，我们经常研究元素周期表上的元素。

元素是由具有相同原子序数的原子组成的。

原子序数是指原子核中质子的数量，决定了元素的化学特性。

不同元素之间的性质差异主要取决于元素中质子数不同所导致的电子分布和原子核结构的差异。

四、相互作用原子之间的相互作用是原子物理学的核心研究内容之一。

原子之间通过电磁力相互作用，并形成分子、晶体等物质的结构。

电磁力包括静电力和磁场力，它们决定了原子之间的排斥或吸引力，并决定了物质的性质。

总结原子物理学是研究原子结构、量子力学、粒子性质和相互作用的学科。

通过研究原子物理学，我们可以更好地了解物质的基本性质和相互作用规律。

量子力学的发展对整个物理学领域都产生了深远影响，推动了科学技术的发展。

在未来的研究中，我们有望进一步探索原子的内部结构和更精细的相互作用方式。

（字数：362）。

原子物理学介绍原子物理学是研究原子的性质、结构和行为的科学。

它是物理学的一个重要分支，对于了解物质的微观结构和性质具有重要意义。

在原子物理学的研究中，人们经过多年的努力探索，得到了许多重要的理论成果和实验发现，从而推动了科技的发展和人类社会的进步。

原子结构原子是物质的基本单位，由原子核和围绕核旋转的电子组成。

原子核是由质子和中子组成的，而电子则带有负电荷。

根据原子的结构，可以将原子分为几个主要的部分：质子、中子和电子。

•质子：质子是具有正电荷的粒子，它们组成了原子核。

质子的质量为1个质子质量单位（amu），电荷为+1。

•中子：中子是没有电荷的粒子，它们组成了原子核。

中子的质量也为1个质子质量单位（amu）。

•电子：电子是具有负电荷的粒子，它们围绕原子核旋转。

电子的质量很小，可以忽略不计，电荷为-1。

原子模型的发展历程人们对原子的认识是在经过长期的研究和探索后逐步建立起来的。

自古以来，人们对物质的构成和性质就有着一定的认识，但直到19世纪末20世纪初，原子模型的发展才取得了重大突破。

没有内部结构的原子模型早期的原子模型认为原子是没有内部结构的，认为原子是不可分割的基本粒子。

这一观点首先由希腊哲学家德谟克利特提出，他认为物质是由一种无可分割的基本粒子组成的。

这种观点影响了很长一段时间，直到17世纪末，英国科学家道尔顿提出了“道尔顿原子论”，认为原子是一个球状的固体物质，不可再分割。

汤姆逊的原子模型19世纪末20世纪初，英国科学家汤姆逊的实验发现了电子，他提出了第一个完整的原子模型。

汤姆逊采用了“西瓜糖果模型”，认为原子是一个正电荷均匀分布的球体，而电子则像西瓜糖果中的干果一样分布在正电荷球体内部。

卢瑟福的原子模型在汤姆逊的原子模型基础上，卢瑟福进行了阿尔法粒子散射实验，并发现了原子核。

卢瑟福的实验结果表明，原子核是非常小而密集的，而电子则围绕在原子核周围。

根据这一实验结果，卢瑟福提出了著名的“卢瑟福原子模型”，也称为“行星模型”。