第一章 原子的位形：卢瑟福模型 第 1 页 共 8 页
《原子物理学》讲义
教 材：杨福家《原子物理学》高等教育出版社.2000.7第三版 参考教材：褚圣麟《原子物理学》人民教育出版社.1979.6第一版
作者简介：1936年6月出生于上海，著名科学家，中科院院士。1958年复旦大学物理系毕业后留校任教，1960年担任复旦大学原子核物理系副主任。此后历任中国科学院上海原子核研究所所长、复旦大学研究生院院长、复旦大学校长、上海市科协主席等职。又受原本只有王室成员和有爵位的人才能担任校长的英国诺丁汉大学的聘请，于2001年出任该校第六任校长。2004年兼任宁波诺丁汉大学校长。
1984年获国家级“有突出贡献的中青年专家”称号。1991年当选为中国科学院院士，领导、组织并建成了基于加速器的原子、原子核物理实验室，完成了一批引起国际重视的研究成果。撰有《原子物理学》、《应用核物理》等专著。
课程简介：
《原子物理学》这门课程是在经典物理课程（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。
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
A(1A?10?8cm)描写原子线度，用fm(1fm?10?15m)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NA?6.022?10mol。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1.67?10出来，其半径是0.1nm(101. 电子的发现
1879年，克鲁克斯(英)以实验说明阴极射线是带电粒子，为电子的发现奠定基础。
?10?2723?100kg；原子的大小也可估计
m)量级。这些是其外部特征，深层的问题：原子为何会有这些
性质？原子的内部结构是怎样的？
第一章 原子的位形：卢瑟福模型 第 2 页 共 8 页
1883年，法拉第(英)提出电解定律，依次推得：1mol任何原子的单价离子均带有相同的电量。由此可联想到电荷存在最小的单位。
1881年，斯通尼(英)提出用“电子”这一名子来命名这些电荷的最小单位。(德国黎凯、赫尔姆霍茨，英国斯通尼)
1897年，汤姆逊（1856-1940，J.J.Thomson.英），15岁进入欧文学院读书，20岁进入剑桥三一学院学习，在其94岁高龄的一生中一直在剑桥教科书和研究。自27岁起任卡文迪许实验室主任共34年。因发现电子而获1906年诺贝尔物理学奖。通过实验确认电子的存在。高真空放电管中的阴极射线经狭缝约束后成一窄束，窄束射线通过电场和磁场后到达荧屏。从其偏转判断所受电场力和磁场力，从而算得电子的荷质比
e。 m事实上，在汤姆逊之前，赫兹（德）做的类似实验未发现射线偏转（因高真空不易实现），误认为阴极射线不带电。休斯脱做过氢放电管中阴极射线偏转的研究，得出阴极射线粒子的荷质比为氢离子的千倍以上，但自己认为此结果是荒谬的，他认为射线粒子应比氢原子大。在1897年考夫曼（德）也做过与汤姆逊类似的实验且结果更精确，但他不承认阴极射线是粒子的假设，直到1901年才将实验结果公布。 2. 电子的电荷和质量
精确测定电子电荷的是密立根油滴实验（1910年，美）, 得出电子电荷的值
e?1.6?10?19C，再由
e之值求得电子质量me?9.11?10?31kg。密立根并据此发现电荷呈m。（另一个为精细结构常
量子化分布。（电荷为何呈量子化分布的机制至今仍未解决）
原子物理学中两个重要的无量纲常数之一： mpme?1836.15271数）此常数决定了原子物理学的主要特征，物理学至今无法从第一性原理导出此常数。由此还可得出m?1.67?10?27kg?1.007276470u（在估算中可当作一个u）
p[作为评价事物的依据，第一性原理和经验参数是两个极端。第一性原理是某些硬性规定或推演得出的结论，而经验参数则是通过大量实例得出的规律性的数据，这些数据可以来自第一性原理(称为理论统计数据)，也可以来自实验(称为实验统计数据)。 但是就某个特定的问题，第一性原理和经验参数没有明显的界限，必须特别界定。如果某些原理或数据来源于第一性原理，但推演过程中加入了一些假设(这些假设当然是很有说服力的)，那么这些原理或数据就称为“半经验的”。]
按照相对论质能关系E?mc2，可得出?me?0.51MeV/c2?2m?938.27MeV/cp?，这是微观物理学中用能量
单位表示质量的常用方法。
第一章 原子的位形：卢瑟福模型 第 3 页 共 8 页
3. 阿伏伽德罗常数：NA?6.022?10mol
23?11mol物质的结构粒子数目与12克12C的原子数目相当。 NA是联系宏观量与微观量的重要常数，起到桥梁的作用。
物质质量与原子质量单位u有NA?1gR?27，(1u?1.66?10kg)；在热学中有NA?；1ukF。(法拉第常数F：１摩尔的任e4在电学中法拉第常数F也是通过NA与e相联系的，有NA?何物质产生或所需的电量为96493库仑。或表示为9.65?10C/mol) 4. 原子的大小(估算)
1)从晶体中原子的规则排列估计：设原子挨排，某种原子AX的质量密度为?，球形原子半径为r，则有
43A3A。据此式可估算出不同原子的半径(详见教材)，?rNA??r?33?4??NA00知不同原子的半径相差不大，其数量级为A(1A?10?8cm)，这是经典物理学无法解释的。
2)从气体动理论估计：气体平均自由程??12?dn2，式中n为分子数密度，d为分子直
径，若由实验得出?和n，则可求出分子半径r。单原子分子的即为原子半径，简单分子的半径的数量级与其原子半径的数量级相同。
3)从范德瓦尔斯方程估计：在(p?a)(V?b)?RT中，b值按理论应为分子体积的42V10
倍，由实验得出b即可确定分子半径，其数量级与原子半径相同。
用不同的方法估算出的原子半径有些出入，但数量级都是10m。
§1.2卢瑟福模型 1.卢瑟福模型的提出
在汤姆逊发现电子之后，为解释原子中正负电荷分布的问题，曾先后有多种模型。
1.汤姆逊模型（也称西瓜模型或葡萄干面包模型。1898年提出，至1907年进一步完善）：原子中正电荷均匀分布在整个原子球体内，电子均匀地嵌在其中。电子分布在一些同心环上。此模型虽不正确，但其“同心环”概念及环上只能安置有限个电子的概念是可贵的。
2.长冈半太郎行星模型（1904年提出）：原子内正电荷集中于中心，电子绕中心运动。（但未深入下去）
3.卢瑟福核式结构模型（卢瑟福在其学生盖革、马斯顿的?粒子散射实验之后提出）
原子物理学讲义.doc
