大一物理復(fù)習(xí)(部分)

第四章微觀世界及其探索著名英國物理學(xué)家開爾文勛爵在1900年元旦獻詞中說：

在物理學(xué)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(jié)果；⑵運用經(jīng)典物理學(xué)理論無法解釋黑體輻射的實驗曲線。

德國維爾茨堡大學(xué)校長、物理學(xué)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(zhì)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?wù)摺?/p>

可以說，現(xiàn)代物理學(xué)是從1895年德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線開始的。1896年，法國物理學(xué)家貝克勒爾（Becquerel,1852-1908）在對一種熒光物質(zhì)（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(xué)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(xué)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(nèi)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(lǐng)比X射線更強。αβγ

德國物理學(xué)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(xué)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(shè)粒子的質(zhì)量為m，所帶電荷為e。電場力：磁場力：測荷質(zhì)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(zhuǎn)值：-S荷質(zhì)比：荷質(zhì)比：湯姆遜發(fā)現(xiàn)與陰極材料和管內(nèi)氣體無關(guān)這種粒子應(yīng)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(zhì)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(xué)獎。J.J.湯姆遜被譽為“一位最先打開通向基本粒子物理學(xué)大門的偉人”誘發(fā)人類進入電子科技時代?，F(xiàn)在人類進入微電子科技時代。微電子學(xué)（Microelectronics）是研究在固體（主要是半導(dǎo)體）材料上構(gòu)成的微小化電路，子系統(tǒng)及系統(tǒng)的電子學(xué)分支。1.原子的“葡萄干布丁模型”------1903年，湯姆孫提出原子結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(zhuǎn)動，如同行星繞太陽轉(zhuǎn)動一樣。原子的核式模型：1911年盧瑟福提出原子的“有核結(jié)構(gòu)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(nèi)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(zhì)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(zhuǎn)輻射S輻射電磁波旋轉(zhuǎn)頻率E能量減小R軌道減小T周期減小

旋轉(zhuǎn)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(shè)：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)（2）氫氣放電管氫原子譜線：7000A4100A5000A6000A6563A4861A4340A在可見光內(nèi)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(shè)：（3）玻爾假設(shè)與氫原子理論1、穩(wěn)定態(tài)假設(shè)：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(shè)：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(xué)原子系統(tǒng)總能量n

稱量子數(shù)當(dāng)n=1時基態(tài)能量玻爾半徑顯然當(dāng)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(jié)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(dāng)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(nèi)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(dāng)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(yīng)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(chǔ)（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(zhì)也具有波粒二象性得實物粒子的波長當(dāng)v<<c時稱物質(zhì)波或德布羅意波例如：對宏觀低速物體當(dāng)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(guān)系1.力學(xué)量的不確定度宏觀物體：坐標(biāo)：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(guān)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(zhuǎn)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(nèi)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(zhì)的基本組成，對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認識有一個逐步深入的過程。人們曾經(jīng)把當(dāng)時所認識到的組成物質(zhì)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(zhì)子、中子的發(fā)現(xiàn)，相繼為原子物理學(xué)和原子核物理學(xué)奠定了基礎(chǔ)，正電子、反質(zhì)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(nèi)涵與獨特的研究方式，促使粒子物理作為一門獨立的學(xué)科出現(xiàn)。§4.3原子核的結(jié)構(gòu)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(zhì)子”。每個原子核都由氫核構(gòu)成。盧瑟福得出結(jié)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(zhì)子可能與電子緊密地結(jié)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(dāng)它通過氣體時，應(yīng)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(dāng)它與原子核發(fā)生正面碰撞時，才會轉(zhuǎn)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(xué)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(zhì)量與質(zhì)子相近的中性粒子，并命名為“中子”。