物理学史--原子原子核物理的发展.ppt

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编号:20190306102453116258    类型:共享资源    大小:2.46MB    格式:PPT    上传时间:2019-07-17
  
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物理学 原子 核物理 发展
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“原子”一词来自希腊文,含义是“不可分割的”。公元前四世纪,古希腊哲学家德谟克利特(Democritus)提出了这一概念,并把它当作物质的最小单元。,17世纪,通过卡文迪许和拉瓦锡等许多化学家的工作,发现了水可分解为氧和氢两种元素;空气是由氧、氢和氮等元素混合而成的,燃烧只不过是元素和氧起激烈反应等等。随着几十种元素的发现,英国化学家道尔顿提出了新的原子学说。他认为物质是由许多种类不同的元素所组成,元素又由非常微小的,不可再分的、不能毁灭又不能创生的原子所组成。,1807年,英国科学家约翰 · 道尔顿(John Dalton)提出原子论。他认为原子类似于刚性的小球,它们是物质世界的基本结构单元,是不可分割的。,道尔顿用他的学说说明了化学中的物质不灭定律等。道尔顿的原子说是根据事实概括的结果,能够用来研究和发现新的现象,因此比古代原子说更进一步。,1858年“阴极射线”被发现,它是由什么组成的,一直众说纷纭,并引起了一场英、法、德科学家的大争论.由德国一些物理学家组成的论战一方主张,阴极射线是以太的特殊振动;由英国、法国一些物理学家组成的论战另一方认为,阴极射线是带负电的粒子流.问题一直得不到公认.本来,克鲁克斯在1879年的几个实验就足以证明粒子论者的观点是正确的,但由于当时普遍认为原子不可再分,因而不能解释勒纳德在1893年将“阴极射线”引出阴极管外的现象,致使论战截至伦琴射线发现时还未结束.到1897年,汤姆生走上了科学实验的舞台,他用不同的方法测定了阴极射线粒子的荷质比,证明它们是一种更基本的粒子,导致了电子的发现,以致真相大白.早在1881年,亥姆霍兹在伦敦发表“法拉第讲演”时,“电原子”概念就开始进入了法拉第的电解定律.利用这个定律来测量离子的荷质比变得方便起来了.人们特别感兴趣的是法拉第常数F,因为它表示了用多少电量来析出1克当量元素. 对于一价氢离子,这正好是它的荷质比.我们现在知道,F=9649.4库/克当量.对于氢元素,1克当量等于1,而它的质量为NM,它的正离子所带电量为Ne,N表示洛喜米德常数.,1897年汤姆生发现了电子的存在后,人们进行了多次尝试,以精确确定它的性质。汤姆生又测量了这种基本粒子的比荷(荷质比),证实了这个比值是唯一的。许多科学家为测量电子的电荷量进行了大量的实验探索工作。电子电荷的精确数值最早是美国科学家密立根于1917年用实验测得的。密立根在前人工作的基础上,进行基本电荷量e的测量,他作了上百次测量,一个油滴要盯住几个小时,可见其艰苦的程度。密立根通过油滴实验,精确地测定基本电荷量e的过程.,19世纪后半期,分子运动论有了进一步发展,人们逐步建立起近代的原子分子学说。但是原子分子是否存在,一直没有用实验证实。,1897年汤姆逊发现了电子,并证明了电子是各种元素的基本组成部分。1903年卢瑟福和化学家索迪合作,通过实验发现了一种物质可以变成另一种物质,提出了原子自然衰变的理论。这些事实打破了道尔顿以来人们认为原子不可再分割的观念。,1905年,爱因斯坦用分子运动论的观点从理论上解释布朗运动获得成功,他还提出了测定分子大小的新方法。,1908年,法国物理学家佩林按爱因斯坦的方法,用实验测定了分子的大小,结果跟爱因斯坦预言的一致,终于在科学界确认了现代分子原子学说。,卢瑟福手迹,汤姆生用如图所示的装置(阴极射线管)发现了电子.电子由阴极C射出,在CA间电场加速,A′上有一小孔,所以只有一细束的电子可以通过P与P′两平行板间的区域,电子通过这两极板区域后打到管的末端,使末端S处的荧光屏发光(荧光屏可以近似看成平面).水平放置的平行板相距为d,长度为L,它的右端与荧光屏的距离为D.当平行板间不加电场和磁场时,电子水平打到荧光屏的O点;当两平行板间电压为U时,在荧光屏上S点出现一亮点,测出OS=H;当偏转板中又加一磁感应强度为B垂直纸面向里的匀强磁场时,发现电子又打到荧光屏的O点,1909年,英国物理学家卢瑟福(E. Rutherford) 在他的学生盖革(H. Geiger)和马斯登(E. Marsden)的协助下,发现 粒子轰击原子时,大约每八千个 粒子中有一个被反射回来。汤姆逊模型无法对该实验结果做出解释。卢瑟福根据实验结果于1911年提出了原子的“核式结构模型”(也被称为“卢瑟福行星模型”),E. Rutherford,1908年诺贝尔化学奖得主,外号:鳄鱼。,,卢瑟福的“核式结构模型” 可以解释 粒子散射实验结果,因此比汤姆逊模型更符合实际情况。,,卢瑟福的“行星模型”的虽然可以解释粒子散射实验结果,但该模型却无法解释原子的稳定性无法解释氢原子光谱的规律。,为了解释上述问题,卢瑟福的一个学生——丹麦物理学家尼尔斯 · 玻尔(Niles Bohr)在卢瑟福的“行星模型”的基础之上于1913年提出了原子的量子理论,即“玻尔模型”。,玻尔的原子模型(Bohr’s Atom),尼尔斯 ·玻尔(Niles Bohr),丹麦人,二十世纪世界最伟大的物理学家之一,量子理论的主要奠基人。1922年诺贝尔物理奖得主。,玻尔理论后经索末菲等人的改进。索末菲从实验事实出发,将电子绕核轨道从单一的圆轨道,推广到椭圆轨道。并且他还发现轨道在空间的取向也是量子化的,从而引入了主量子数、角量子数和磁量子数的概念。1920年索末菲又引入了第四个量子数。这第四个量子数直到1925年才被科学家弄清楚,原来是绕核旋转的电子的自旋量子数。,1925年泡利在研究四个量子数跟原子核外电子排布的关系时,发现了泡利不相容原理:在同一原子内,在一个原子中不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数(n, l, ml, ms)。利用玻尔、索末菲理论加上泡利不相容原理可以成功地解释核外电子的排布。至此原子物理学完全建立了起来。,1941年底,在物理学家康普顿(Arthur Compton)的组织协调下,费米主持了原子反应堆的建造和实验。,康普顿(Arthur Compton, 1892-1962),美国著名物理学家,因对康普顿效应的研究而被授予1927年诺贝尔物理奖。,罗伯特·安德鲁·密立根(Robert Andrews Millikan,1868~1953),美国著名实验物理学家。1896年-1921年间,密立根在世界顶级学府芝加哥大学进行了一系列测定电子电荷以及光电效应的卓越工作,包括著名的油滴实验,因而获得1923年诺贝尔物理学奖。,测定元电荷密立根以其实验的精确著名。从1907年一开始,他致力于改进威耳逊云雾室中对α粒子电荷的测量甚有成效,得到卢瑟福的肯定。卢瑟福建议他努力防止水滴蒸发。1909年,当他准备好条件使带电云雾在重力与电场力平衡下把电压加到10000伏时,他发现的是云层消散后“有几颗水滴留在机场中”,从而创造出测量电子电荷的平衡水珠密立根油滴实验法、平衡油滑法,但有人攻击他得到的只是平均值而不是元电荷。1910年,他第三次作了改进,使油滴可以在电场力与重力平衡时上上下下地运动,而且在受到照射时还可看到因电量改变而致的油滴突然变化,从而求出电荷量改变的差值;1913年,他得到电子电荷的数值:e=(4.774±0.009)×10-10esu,这样,就从实验上确证了元电荷的存在。他测的精确值最终结束了关于对电子离散性的争论,并使许多物理常数的计算获得较高的精度。,利用密立根油滴实验仪验证电荷的不连续性,并求出电子所带的电量。,实验内容 1、正确选择和控制油滴。一般选择平衡电压在200V以上,匀速下降2mm距离用时间20-30S的油滴。如果油滴过大,下降速度会过快,油滴过小,则布朗运动明显。 2、用平衡法测量油滴匀速下降2mm所用的时间。共选择5颗油滴,每个油滴测量5次。 3、计算每个油滴的带电量,然后计算电子电荷。这里我们采用倒过来验证的方法 ,即用公认的电子电量值去除每个油滴的电量,取一个最接近的整数,再用这个整数除油滴的电量,从而得到电子电荷的测量值。 4、将电子电荷的测量值与理论值进行比较,计算相对百分误差。,4.,
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