光學原子物理宇宙

第十五章光的波粒二象性§15.1早期的微粒說和波動說一、牛頓的微粒說牛頓認為光是一種沿直線前進的彈性粒子二、惠更斯的波動說惠更斯認為光是某種振動以波的形式向外傳播三、麥克斯韋的電磁波理論四、愛因斯坦的光子說光由光子組成，在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光子，每個光子具有能量Ｅ＝ｈν．h=6.63×10－34J·s五、光的波粒二象性：個別光子的行為顯示出粒子性；大量光子的作用顯示出波動性§15.2光的干涉(InterferenceofLight)一、光的干涉定義：由兩束振動情況完全相同的光在空間相互疊加，在一些地方相互加強，在另一些地方相互削弱的現(xiàn)象。干涉條件

（相干光源）兩列波具有相同的頻率；相同的振動方向；有固定的相位差。二、楊氏雙縫干涉實驗楊氏實驗的解釋楊氏雙縫干涉條紋等間隔；對雙縫的要求：間距小，到單縫的距離相等。波長長則間隔寬；亮區(qū)和暗區(qū)逐漸變化；白色光由多種色光組成，干涉亮區(qū)位置不同而出現(xiàn)彩色條紋;三、薄膜干涉實驗四、干涉現(xiàn)象的應用：檢查精密零件的表面質(zhì)量；增透膜（氟化鎂）；全息照相?！?5.3光的衍射(DiffractionofLight)一、光的衍射：當光通過狹縫(或障礙物)的時候，光會偏離直線路徑繞到狹縫(或障礙物)陰影里去的現(xiàn)象。衍射圖樣：衍射時產(chǎn)生的明暗條紋或圓環(huán)1.單縫衍射2.小孔衍射3.圓屏衍射(泊松亮斑)干涉和衍射是波特有的現(xiàn)象，光的干涉和衍射現(xiàn)象表明光具有波動性。光是一種電磁波，

可見光的頻率范圍在3.84×1014－7.69×

1014Hz之間的電磁波?！?5.4光電效應一、光電效應光電效應： 在光的照射下物體表面發(fā)射出電子的現(xiàn)象（1887年赫茲發(fā)現(xiàn)）。 光電效應中發(fā)射出的電子稱為光電子2、光電效應的規(guī)律：（1）瞬時性：光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的，在入射光照后發(fā)射的時間不會超過10－9秒；（2）極限頻率（截止頻率或紅限）：任何一種金屬都有一個能產(chǎn)生光電效應的最低極限頻率；196.2260372540660/Nm15.311.58.075.564.55

/1014Hz鉑銀鋅鈉銫（3）飽和光電流強度與入射光強度成正比。（4）最大初動能光電子的最大初動能隨入射光的頻率增大而增大，而與入射光的強度無關； 幾種金屬的極限頻率和紅限波長二、愛因斯坦光子說：光輻射能并不象電磁理論所述的連續(xù)分布；2、光由光子組成，在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光子，每個光子具有能量與頻率成正比

ν為光的頻率，h＝6.63×10-34J·S（普朗克常量）光子說對光電效應的解釋：瞬時性：極限頻率和逸出功：第十六章物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)

§16.1原子的核式結(jié)構(gòu)一、電子的發(fā)現(xiàn)，證實了原子是可分的。電子是原子的組成部分。

1897年，湯姆生通過一系列關于陰極射線的實驗，得出了如下結(jié)論：原子是可以分割的。這些粒子無論是從哪一種原子里得到的，都具有相同的質(zhì)量，且都帶負電荷。這些粒子的質(zhì)量小于一個氫原子質(zhì)量的千分之一。湯姆生將組成陰極射線的粒子定名為“電子”。二湯姆生提出了“葡萄干蛋糕模型”原子里面正電荷的物質(zhì)均勻地分布在整個原子球體中，而負電荷的電子則一粒粒地鑲嵌在球內(nèi)。三

粒子散射實驗

1909年，盧瑟福的

粒子散射實驗否定了湯姆生的原子結(jié)構(gòu)模型，提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。1、實驗裝置2、結(jié)果：絕大多數(shù)

粒子穿過金箔后只有2－3度偏轉(zhuǎn)，但有少數(shù)

粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，甚至接近180o四、盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)模型在原子中心有一個很小的核心部分叫做原子核原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里。帶負電荷的電子在核外空間繞核做高速運動。我們從實驗還可以得出：原子核的大小約10-15～10-14米；原子半徑和原子核半徑之比：

r原子:r原子核≈104:1～105:

1存在的矛盾：由于電子運動軌道半徑不斷減小，電子最終要落到原子核上，表明原子是不能穩(wěn)定存在的。電子運動所輻射的電磁波的頻率應該是連續(xù)變化的，因而應觀察到連續(xù)光譜。五、玻爾模型定態(tài)：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中的原子才是穩(wěn)定的，稱為定態(tài)。處在定態(tài)中的原子的核外電子雖然作繞核高速運動，但并不向外輻射能量。能量躍遷：原子只有在從一種能量為E初的定態(tài)躍遷到另一種能量為E末的定態(tài)時，才會發(fā)射或者吸收輻射能，輻射能由兩定態(tài)的能量差決定。玻爾模型在解釋氫原子光譜時取得了一定的成功，但是也存在著一系列難以克服的困難;它不能解釋只比氫原子多一個核外電子的氦原子光譜。

§16.3原子核(Nucleus)一、質(zhì)子(proton)的發(fā)現(xiàn)

1919年盧瑟福用α粒子轟擊氮核，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子二、中子(neutron)的發(fā)現(xiàn)

1930年查德威克用α粒子轟擊鈹核，發(fā)現(xiàn)了中子中子質(zhì)量接近于質(zhì)子質(zhì)量，只比后者大千分之一特性：不帶電、穿透本領強。三、原子核的組成原子核由質(zhì)子和中子組成的。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱核子原子核的電荷數(shù)Z＝核內(nèi)質(zhì)子數(shù)原子核質(zhì)量數(shù)＝核內(nèi)核子數(shù) A=Z+N同位素：具有相同的質(zhì)子數(shù)而有不同的中子數(shù)的原子。放射性同位素：具有放射性的同位素。核子力（核力）：核子之間的引力。強相互作用短程力（作用范圍10－15m以內(nèi)）三、粒子電子、質(zhì)子和中子曾被認為是組成物質(zhì)的最小單元，被稱為“基本粒子”現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的粒子達400種之多。正電子、m子、K介子、p介子、超子許多粒子都有和它質(zhì)量相同而電荷等物理量和它相反的粒子，叫做反粒子。（如：反電子、反質(zhì)子）現(xiàn)代粒子理論將粒子分為三大類：強子、輕子、媒介子根據(jù)夸克（quark）模型，認為強子由更基本的粒子－－夸克組成。自然界有6種夸克：上夸克（u）、下夸克（d）、奇夸克（s）、粲夸克（c）、底夸克（b）、頂夸克（t）目前認為夸克、媒介子和輕子是沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“點狀”粒子，是今日的“基本粒子”粒子強子輕子媒介子重子介子質(zhì)子中子π介子k介子μ介子電子中微子光子引力子

§16.2放射性(Radioactivity)一、天然放射性現(xiàn)象放射性：原子核自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象，又叫做天然放射現(xiàn)象。放射性元素：具有放射性的元素。原子序數(shù)大于82的所有天然元素都有放射性，小于83的元素有些也具有放射性放射性與元素的物理和化學狀態(tài)無關。天然放射現(xiàn)象表明原子核是可分的，人們用以研究原子核的復雜結(jié)構(gòu)。射線種類組成速度貫穿本領電離作用α射線

α粒子流≈0.1c最小最強β射線電子流≈c很大較強γ射線高能電磁波=c最大很弱二、三種射線三、放射性元素的衰變1、衰變：原子核由于放出某種射線而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓?、衰變類型：α衰變、β衰變、γ衰變3、衰變規(guī)律：電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒放射性元素衰變的快慢是由核內(nèi)部本身的因素決定的，跟原子所處的物理或化學狀態(tài)無關。4、半衰期(T)：放射性元素的半數(shù)的核發(fā)生衰變的時間五、放射性的應用與防護放射性同位素在示蹤法中的應用可能會對環(huán)境造成污染2.射線的應用γ射線探傷儀，治療腫瘤、刺激農(nóng)作物生長α射線消除機器在運轉(zhuǎn)中因摩擦而產(chǎn)生的有害靜電，輻射的防范式中N0為t＝0時原子核數(shù)目；m為剩余原子核數(shù)目，t為衰變時間四、探測射線的方法放射線存在的現(xiàn)象放射線看不見。但放射線粒子與其他物質(zhì)作用時，產(chǎn)生如下現(xiàn)象：使氣體電離;使照相底片感光;使熒光物質(zhì)產(chǎn)生熒光。2、探測射線的方法威爾孫云室

α射線徑跡直而粗;β射線徑跡比較細，常彎曲;

γ射線幾乎無徑跡。蓋革－彌勒計數(shù)器原理：射線使氣體電離，發(fā)生鏈式反應，產(chǎn)生脈沖放電。但不能區(qū)分射線的種類。半導體探測器氣泡室

§16.4重核裂變(fission)鏈式反應一、原子核的人工轉(zhuǎn)變發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核式反應：3.原子核的人工轉(zhuǎn)變：用人工方法把原子核“轟開”，并使原子核發(fā)生轉(zhuǎn)變。質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn)均屬人工轉(zhuǎn)變。在核反應中，質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒。2.發(fā)現(xiàn)中子的核式反應：反沖核α粒子原子核P核能1、分散的核子結(jié)合成原子核時要放出一定能量;原子核分解成核子時，要吸收同樣多能量，這個能量叫做原子核的結(jié)合能2、質(zhì)量虧損：組成原子核的核子的質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差。如：中子質(zhì)量mn＝1.6749×10－27kg

質(zhì)子質(zhì)量mp＝1.6726×10－27kg

中子和質(zhì)子的質(zhì)量和mn＋

mp＝3.3475×10－27kg

氘核質(zhì)量mD＝3.3436×10－27kg

質(zhì)量虧損m=0.0039×10－27kg3、愛因斯坦的質(zhì)能方程：E＝mc2

核子結(jié)合為原子核時釋放的能量：

E=

mc2如：計算質(zhì)子和中子結(jié)合為氘核時釋放出的能量（MeV）

2.2MeV4、核能：原子核發(fā)生變化時釋放的能量三、重核的裂變1939年德國物理學家用中子轟擊鈾核時，鈾核發(fā)生裂變。典型的裂變反應方程式為：2、重核裂變：重核受到其他粒子轟擊時裂變成兩塊質(zhì)量較輕的核同時還可能放出中子。3、鏈式反應：重核裂變時放出的中子引起其他核的裂變，可以使裂變不斷進行下去。4、臨界體積：能夠發(fā)生鏈式反應的最小體積。 原子彈是利用鏈式反應制造的一種大規(guī)模殺傷武器。5、鈾核產(chǎn)生鏈式反應的條件：中子的“再生率”大于1。6、核反應堆：用人工方法控制核裂變鏈式反應并獲得核能的裝置。7、核電站：利用原子核裂變放出的核能來發(fā)電的發(fā)電廠。三、輕核的聚變核聚變：輕核聚合成質(zhì)量較大的核的反應。同等情況下，聚變時放出的能量比裂變時放出的多。且來源“取之不盡”。3、聚變反應也叫熱核反應。氫彈就是利用原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫，引起氫核聚變而產(chǎn)生更強裂爆炸的裝置。4、太陽及許多恒星內(nèi)部，核聚變反應放出大量能量。第十七章宇宙結(jié)構(gòu)和恒星演化宇宙：“四方上下曰宇，往古來今曰宙?！薄?7.1人類對宇宙的認識歷史一.中國古代宇宙觀1.西周“蓋天說”：“天圓如張蓋，地方如棋局。”2.東漢張衡“渾天說”：“渾天如雞子，天體圓如彈丸，地如雞中黃，孤居于內(nèi)，天大而地小，天表里有水，天之包地，猶殼之裹黃?！倍?古埃及宇宙觀：1.大地漂浮于水上。2.埃及的觀天工作最初是由僧侶們擔任的，他們注意觀測太陽、月亮和星星的運動，并從很古的時代起就知道了預報日食和月食的方法。3.古埃及人發(fā)現(xiàn)了星辰更替與季節(jié)變化的對應關系，進行了長期的觀察和研究，把原先一年360日，改正為一年365日。這就是現(xiàn)今陽歷的來源。

三.古希臘宇宙觀：1.大地由支柱支撐2.泰勒斯(ThalesofMiletus)（前640~前560年）推測地球是一個球體，認為構(gòu)成宇宙的基本物質(zhì)是水，據(jù)說，他曾經(jīng)預言了公元前585年所發(fā)生的一次日食。3.阿那克西曼德（公元前611~前547年）認為天空是圍繞著北極星旋轉(zhuǎn)的，因此天空可見的穹窿是一個完整的球體的一半，扁平圓盤狀的大地就處在這個球體的中心，在大地的周圍環(huán)繞著空氣天、恒星天、月亮天、行星天和太陽天。阿那克西曼德是有史以來第一個認為宇宙不是平面形或者半球形，而是球形的。4.數(shù)學家畢達哥拉斯(Pythagoras)（公元前560~前490年）認為數(shù)本身、數(shù)與數(shù)之間的關系構(gòu)成宇宙的基礎。他主張地圓說，并且是人類科技史上第一個主張“太陽、月亮、行星遵循著和恒星不同的路徑運行”的人。

5.希臘天文學家托勒玫(Ptolemy)出版他的著作《天文學大成》，提出完整的“地心說”。在整個中世紀這本書被人們奉為天文學知識的經(jīng)典著作。他指出：日、月、五大行星都在繞地球的偏心圓軌道上運轉(zhuǎn)，并且各有其軌道層次。四.古印度宇宙觀：1.大地馱于大象背上，大象踩在海龜背上，海龜站在眼鏡蛇身上。印度教宇宙觀2.多數(shù)的古印度天文學家認為太陽系的每個天體都受一股“風”的影響而有其各自的運動，此外還有一股更大的旋渦風帶動一切天體每二十四小時環(huán)繞地球一周。§17.2宇宙概況一.地球的起源1.地球的起源、地球上生命的起源和人類的起源，被喻為地球科學的三大難題。尤其是地球的起源，長期以來信奉上帝創(chuàng)造世界的宗教觀念，哥白尼、伽俐略、開普勒和牛頓等人的發(fā)現(xiàn)徹底推翻了神創(chuàng)說.2.德國哲學家康德1755年設想因較為致密的質(zhì)點組成凝云且相互吸引而成為球體、因排斥而使星云旋轉(zhuǎn)，是關于地球起源的第一個假說。3.法國數(shù)學家兼天文學家拉普拉斯1796年提出行星由圍繞自己的軸旋轉(zhuǎn)的氣體狀星云形成說。星云因旋轉(zhuǎn)而體積縮小，其赤道部分沿半徑方向擴大而成扁平狀，之后從星云分離出去而成一個環(huán)、頗象土星的光環(huán)。環(huán)的性質(zhì)是不均一的，物質(zhì)可聚集成凝云，發(fā)展為行星。按相同的原理和過程，從行星脫離出來的物質(zhì)形成衛(wèi)星。拉普拉斯的假說既簡單動人，又解釋了當時

所認識的太陽系的許多特點，以至竟統(tǒng)治了整個19世紀。

4.前蘇聯(lián)的天文學家費森柯夫認為太陽因高速旋轉(zhuǎn)而成梨形和葫蘆形，最后在細頸處斷開，被拋出去的物質(zhì)就成了行星。拋出物質(zhì)后太陽縮小，旋轉(zhuǎn)變慢；一旦旋轉(zhuǎn)加快，又可能成梨形而拋出一個行星，逐漸形成行星系。施密特設想太陽在參加銀河系的轉(zhuǎn)動中，在穿越黑暗物質(zhì)云時俘散了一部分塵埃和流星的固體物質(zhì)，在其周圍形成粒子群。后者在太陽引力作用下圍繞太陽作橢圓運動并與太陽一起繼續(xù)其在銀河系的行程，最后從這些粒子群發(fā)展為行星和慧星（一部分成了流星和隕星）。5.1977年，肖梅克提出：固態(tài)物體的撞擊是發(fā)生在類地行星上所有過程中最基本的。在此基礎上提出了宇宙撞擊和爆炸的假說。這種撞擊是分等級的，第四級的撞擊形成月亮這樣的衛(wèi)星。具體過程是：一個撞擊體沖擊原始地球，引起爆炸，圍繞地球形成一個氣體、液體、塵埃和“濺”出來的固態(tài)物質(zhì)組成的帶，最初是碟狀的，因旋轉(zhuǎn)的向心力作用而成球狀，失去了部分物質(zhì)的地球也重新成為球狀。二.月球1.月球的起源F分裂說：地球和月亮曾經(jīng)就是一個整體?？焖俚淖赞D(zhuǎn)很有可能會使這一整體一部分最外層的物質(zhì)被甩出，這就是后來形成的月亮。這以后，在潮汐的摩擦力的作用下將它驅(qū)趕得越來越遠，直到它目前的這個位置。

F同源說：地球和月亮都是來自于同一種塵埃和氣體的旋流，而此時所有的行星正處于形成階段，但是基于某些原因，沒有演變成一個個體，而形成了兩個不同的個體。F撞擊說：在很久以前，有一個類似地球而質(zhì)量只有地球的10％的小天體很有可能猛撞到地球上，這兩個天體都各自含有一個鐵金屬核，并有可能已經(jīng)凝聚。但是，其外層的巖石部分卻有可能爆發(fā)到空間中，并形成了月亮。F俘獲說：它們原來就是由兩種不同的旋流分別形成的兩顆獨立的行星。月亮所在的運行軌道使它每時每刻的運行都相當接近地球，并且在它每次接近地球的那一刻，會被地球的引力作用捕捉住。2.月球的運動及其對地球的影響F潮汐的產(chǎn)生：潮汐的產(chǎn)生就是由于月球和太陽對地球的引潮力作用引起的。在這一系統(tǒng)中，由于月球（又稱太陰）離地球遠較太陽近，故其質(zhì)量雖小，但它產(chǎn)生的引潮力比太陽大得多，是它的兩倍左右。F潮汐對地球自轉(zhuǎn)的影響：由于月球的潮汐摩擦作用使得地球自轉(zhuǎn)變慢，每天時間變長，平均每一百年一天的長度增加近千分之二秒。F

潮汐對月地距離：由于地球自轉(zhuǎn)變慢，使得月球緩慢向外作螺旋運動，目前月球正以每年3～4厘米的速度遠離地球。

三.太陽和太陽系1.太陽F太陽質(zhì)量占整個太陽系的九十九點八。（1.989×1030

kg）

F太陽內(nèi)核的溫度高達攝氏一千五百萬度，在那兒發(fā)生著氫-氦核聚變反應。核聚變反應每秒鐘要消耗掉約五百萬噸的物質(zhì)，并轉(zhuǎn)換成能量以光子的形式釋放出來。F在輻射光和熱的同時，太陽也產(chǎn)生一種低密度的粒子流——太陽風。太陽風以每秒四百五十公里的速度向宇宙空間輻射。F按物態(tài)分：F彗星F太陽的壽命1010a,太陽將變成紅巨星并最終塌縮成白矮星。2.太陽系F按位置分：四.銀河系

1.星系：由恒星、大量氣體和塵埃組成的物質(zhì)系統(tǒng)

2.銀河系

F銀河系的外貌像一個中間突起的透鏡，其直徑約為8.5萬光年（比早期值?。Ｖ虚g厚，邊緣薄，中間的厚度約為1萬光年，靠近地球的地方厚約3000—6000光年，邊緣只有1000光年。除了密集的恒星，組成銀河系的還有眾多的亮星云、暗

星云、星團和無數(shù)的星際彌漫氣體和塵埃物質(zhì)以及隱蔽的

暗物質(zhì)與暗能量。銀河系作為一個整體在自轉(zhuǎn)著，銀盤上所有的恒星也都

各自沿著近乎圓形的軌道繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)，而且運動速

度不同。其中，太陽繞銀心的公轉(zhuǎn)速度為250千米/秒，繞

銀心一周需要2.3億年。五.宇宙概述：1.星系的分類：F不規(guī)則星系（形狀無規(guī)律，無明顯中心，無漩渦），F(xiàn)漩渦星系（有漩臂從中心向外旋卷形狀多姿麗，旋臂多為二條；其中又分為旋臂向外舒展的；旋臂向中心卷縮合攏的；介于前二者之間的。銀河系屬于漩渦星系。F棒狀星系（有漩渦，但中心為棒狀，兩端延伸出長短不一的旋臂。F橢圓星系和圓形星系（星系形狀呈橢圓或圓形）。F星系的形成演變過程公認的有：不規(guī)則形-棒形-漩渦形-橢圓形-圓形。2.宇宙的結(jié)構(gòu)層次總星系（150億l.y)→1000億個以上星系（銀河系及河外星系）→恒星或星云3.宇宙的誕生：F大爆炸理論：宇宙由200億年前極其高密度的混沌狀態(tài)經(jīng)大爆炸所產(chǎn)生。F宇宙仍處于膨脹中（紅移）F宇宙的物理演化史：t=10-44s T=1032K E=1019GeV 引力產(chǎn)生t=10-35s T=1028KE=1015GeV 暴脹開始t=10-32s T=1027KE=1014GeV 重子不對稱t=10-6s T=1013K E=1GeV 夸克結(jié)合t=180s T=109K E=105eV 氦原子核t= 5×109a

星系形成

太陽系形成t=1×1010aT=2.7KE=3×10-4eV人類活動§17.3恒星的演化一.恒星的分類1.超巨星:直徑為太陽的幾倍到幾千倍的恒星,光度達到太陽的100萬倍以上F發(fā)光強度（簡稱光度）恒星每秒鐘內(nèi)輻射的總能量。2.巨星：直徑比太陽大20倍左右，質(zhì)量為太陽的4倍左右的恒星,光度達到太陽的100倍左右。3.中型星：與太陽大小差不多。4.白矮星：一種低光度、高密度、高溫度的恒星。

F白矮星屬于演化到晚年期的恒星。恒星在演化后期，拋射出大量的物質(zhì)，經(jīng)過大量的質(zhì)量損失后，如果剩下的核的質(zhì)量小于1.44個太陽質(zhì)量，這顆恒星便可能演化成為白矮星。F半徑接近于行星半徑，平均小于103千米。F光度非常小，要比正常恒星平均暗103倍。F密度高達106～107克／厘米3，其表面的重力加速度大約等于地球表面重力加速度的10倍到104倍。假如人能到達白矮星表面，那么他休想站起來，因為在它上面的引力特別大，以致人的骨骼早已被自己的體重壓碎了。5.中子星：主要是由中子以及少量的質(zhì)子、電子所組成的超密恒星。F中子星不僅密度高達1億噸每立方厘米以上，而且它的磁場強度也高達1億特斯拉以上。中子星的體積很小，它的半徑的典型值約為10千米。中子星的質(zhì)量下限約為0.1太陽質(zhì)量，上限為1.5～2個太陽質(zhì)量。F某些處于演化晚期的恒星，在其內(nèi)部發(fā)生極其激烈的核爆炸，隨后又急劇收縮，恒星的內(nèi)部產(chǎn)生極大的壓力，把原子外層電子擠壓到原子核內(nèi)，核內(nèi)的質(zhì)子與電子結(jié)合，形成異常緊密的中子結(jié)構(gòu)物質(zhì)，這時這顆恒星就演變成為中子星。二.恒星的物理特征1.恒星的顏色和溫度F恒星的顏色是由它的表面溫度決定的

星色

表面溫度

藍

40000-25000

藍白

25000-12000

白

11500-7700

黃白