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书名：原子物理学
定价：46.0
ISBN：9787030160324
作者：陈宏芳
版次：1
出版时间：2006-04
内容提要：
本书是普通物理之原子物理学课程的教材，全书注重通过基本的物理现象和实验事实的介绍、简单的理论推导，用量子的观点和方法将物理概念解释清楚。全书包括原子、原子核、基本粒子以及分子物理等部分。
目录：
目录
序
前言
第1章 玻尔原子模型 1
1.1 原子的核式结构 1
1.1.1 电子的发现 1
1.1.2 α粒子散射实验 4
1.1.3 卢瑟福核式模型 6
1.2 原子光谱 12
1.2.1 光谱 12
1.2.2 氢原子光谱和光谱项 12
1.3 玻尔氢原子理论 15
1.3.1 原子行星模型的困难 16
1.3.2 玻尔假设 18
1.3.3 玻尔氢原子模型 19
1.4 类氢原子 24
1.4.1 原子核质量的影响 24
1.4.2 类氢离子光谱 27
1.4.3 特殊的类氢原子 28
1.5 弗兰克-赫兹实验 29
习题 33
第2章 量子力学的初步介绍 35
2.1 波粒二象性 35
2.1.1 光的二象性 35
2.1.2 实物粒子的波动性 41
2.2 物质波的统计解释和海森伯不确定原理 45
2.2.1 波函数的统计解释 45
2.2.2 海森伯不确定原理 48
2.3 薛定谔方程 51
2.3.1 薛定湾方程的建立 51
2.3.2 定态薛定诗方程 54
2.4 力学量的平均值、算符表示和本征值 55
2.4.1 力学量的平均值 55
2.4.2 力学量的算符表示 57
2.4.3 力学量的本征值 58
2.5 定态薛定诗方程解的几个简例 59
2.5.1 阶跃势、势垒和隧道效应 59
2.5.2 一维无限深势阱 6
2.5.3 一维谐振子势 68
习题 71
第3章 单电子原子 74
3.1 氢原子的定态薛定诗方程解 74
3.1.1 中心力场薛定湾方程及其解 74
3.1.2 概率密度 80
3.1.3 原子波函数的字称 84
3.2 量子数的物理解释 84
3.2.1 主量子数n 、单电子原子的能级 84
3.2.2 轨道角动量及量子数 87
3.2.3 磁量子数ml 88
3.2.4 角动量的矢量模型 89
3.3 跃迁概率和选择定则 90
3.3.1 原子处在定态时不发射电磁辐射 90
3.3.2 原子跃迁和混合态 90
3.3.3 跃迁率、平均寿命 92
3.4 电子自旋 96
3.4.1 轨道磁矩 96
3.4.2 塞曼效应 98
3.4.3 施特恩一格拉赫实验 100
3.4.4 电子自旋 102
3.5 自旋和轨道相互作用 104
3.5.1 自旋-轨道藕合能 105
3.5.2 总角动量和原子磁矩 106
3.6 单电子原子能级的精细结构 109
3.6.1 精细结构 109
3.6.2 兰姆移位及超精细结构 114
习题 118
第4章 氨原子和多电子原子 121
4.1 氮原子的能级 121
4.1.1 氮原子的光谱和能级 121
4.1.2 氮原子能级的简单讨论 122
4.2 全同粒子和泡利不相容原理 125
4.2.1 全同粒子与波函数的交换对称性 125
4.2.2 泡利不相容原理 127
4.2.3 交换效应 128
4.3 多电子原子的电子组态 131
4.4 原子的壳层结构和元素周期表 134
4.4.1 原子中电子的壳层结构 135
4.4.2 电子壳层的填充 136
4.4.3 满支壳层电子组态 142
4.5 多电子原子的原子态和能级 143
4.5.1 LS 耦合 144
4.5.2 jj 耦合 154
4.6 多电子原子的光谱 155
4.6.1 选择定则 155
4.6.2 碱金属原子的光谱 156
4.6.3 碱土金属原子光谱 158
4.7 原子的内层能级和X 射线 159
4.7.1 X 射线谱 159
4.7.2 原子的内层能级 162
4.7.3 X 射线的吸收 164
4.7.4 同步辐射 165
习题 167
第5章 原子核物理 170
5.1 原子核的基本性质 170
5.1.1 原子核的组成 170
5.1.2 原子核的大小 172
5.1.3 原子核的自旋和核磁矩 174
5.1.4 原子核的电四极矩 177
5.1.5 原子核的字称 179
5.2 原子核的稳定性和结合能 180
5.2.1 核素图和自稳定线 180
5.2.2 原子核的结合能 181
5.3 核力与核结构模型 186
5.3.1 核力 186
5.3.2 原子核结构的模型 189
5.4 核衰变及放射性 194
5.4.1 原子核衰变的一般规律 194
5.4.2 α衰变 200
5.4.3 日衰变 203
5.4.4 γ 衰变 207
5.4.5 放射性的应用 210
5.5 核反应 215
5.5.1 核反应中的守恒定律及反应能 217
5.5.2 反应截面 219
5.6 原子核的裂变和聚变 220
5.6.1 原子核的裂变 220
5.6.2 核聚变 225
习题 230
第6章 粒子物理 232
6.1 高能加速器和粒子探测器 232
6.1.1 加速器简介 233
6.1.2 粒子探测器 236
6.2 粒子的基本性质和分类 236
6.2.1 粒子的基本性质 236
6.2.2 粒子的分类 238
6.3 强子的夸克模型 249
6.3.1 夸克的基本性质 254
6.3.2 重子和介子的夸克组成 256
6.3.3 夸克的色量子数 258
6.4 相互作用与守恒定律 260
6.4.1 电磁相互作用 261
6.4.2 弱相互作用 262
6.4.3 强相互作用 267
6.4.4 守恒定律与对称性 271
6.5 标准模型及新物理 277
6.5.1 基本粒子和基本相互作用 277
6.5.2 大统一理论及超对称 278
6.6 粒子物理与宇宙学 280
6.6.1 宇宙微波背景和氮的相对丰度 282
6.6.2 粒子宇宙学中的一些疑难问题 284
习题 286
第7章 分子结构和双原子分子光谱 288
7.1 分子的化学键 288
7.1.1 离子键 288
7.1.2 共价键 290
7.2 分子能级 297
7.3 双原子分子的光谱 298
7.3.1 转动能级和光谱 298
7.3.2 振动能级和光谱 302
7.3.3 分子的电子能级和光谱带 306
7.4 拉曼散射和拉曼光谱 310
7.4.1 拉曼光谱 311
7.4.2 拉曼散射的量子解释 312
7.4.3 双原子分子气体的拉曼谱 313
7.4.4 原子核自旋对分子能态的影响一一同核双原子分子的拉曼谱 315
习题 319
附录 321
Ⅰ 物理常数 321
Ⅱ 元素周期表 323
Ⅲ 诺贝尔物理学奖获得者(1901～2005) 324
习题答案 331
在线试读：
第1章 玻尔原子模型
中国古代的哲学家早在周代就提出五行说，即万物都是由金、木、水、火、土五种物质构成的学说。古希腊人认为水、火、空气和泥土是构成物质的基本元素。原子这个名词*早是在公元前四-五世纪由希腊哲学家德谟克利特（Democritus）提出的，原子在希腊语中是不可再分割的意思，也就是认为原子是物质分割的极限，是组成物质的*小单元。直到18、19世纪，在气体分子运动理论和化学反应实验中发现的定比定律、倍比定律的基础上，道尔顿（J. Dalton）于1803年提出物质由分子组成，分子是保持物质化学性质的*小单元，而分子又由一种或几种化学元素的原子组成。原子是化学元素的*小单元。1811年，阿伏伽德罗（A. Avogadro）在道尔顿的原子论及盖？吕萨克（J. Gay-Lussac）的关于化学反应气体的体积有简单的比例关系的基础上提出阿伏伽德罗定律，即在同样的温度和压力条件下，同体积的任何气体含有的分子数相同。实验给出，在标准条件下（Ooc和1个大气压），1克分子质量（1mol质量）气体的体积为22.4升，且在这体积中总是含有一定数目的分子，这个数称阿伏伽德罗常量，即这些思想形成了物质的原子论。可测得原子的质量及估算原子的大小（约10-10m）。1869年，门捷列夫（D. I. Mendeleev）指出，假如将元素按原子量大小的次序排列，则元素的性质呈现出周期性的行为。对这种现象，原子论几乎不可能对它作出解释。元素周期表显示出原子似乎并不是简单地不可分的物质*小单元。今天我们已经清楚知道，原子只是物质结构的一个层次，原子本身也是有结构的。本章主要讨论原子的构成及一些早期的原子模型和原子光谱的基本规律，在这基础上再介绍玻尔的氢原子理论。
1.1 原子的核式结构
1.1.1 电子的发现
气体放电管在早期现代原子物理的发展中起了特殊的重要作用，今天仍然用在激发原子和粒子束产生等方面。图1.1.1是气体放电管的示意图。一般在管子内充以几毫米隶柱（mmHg）压力的气体，在阴极和阳极之间加上几百到几千伏的电压，管内在两个电极间的区域就会出现辉光，这取决于气体的种类及气压。在阳极附近的荧光屏上可以观察到荧光，其斑点的大小和阳极上小孔的大小有关。1859年，普吕克（J. Plucker）首先发现了这种射线，并称它为阴极射线。他认为它是由阴极发出的射线，后来进一步的研究才知道实际上这是在气体放电区产生的。实验还发现阴极射线在电场和磁场中会偏转，由偏转的方向证明阴极射线是带负电的，当时对射线的性质到底是粒子还是波，存在有不同的观点，英国物理学家汤姆孙（J. Thomson）认为阴极射线是高速运动的带负电的粒子流。他设计了如图1.1.2的实验装置，一个充以稀薄气体的玻璃管中有几个电极，在阴极C和阳极A之间加上高压，阴极射线穿过空心阳极和狭缝D，通过平行板电极中间的电场区，到达管子右端带有标尺的荧光屏S上。当平行板间电场为零时，射线打在标尺的零点。如果在平行板空间加一个方向由纸面向下的磁场，则细束向下偏转。若在平行板之间加上如图示极性的电压V，电场为E时，则细束向上偏转h。调节磁场强度B，使细束在电场和磁场的作用下回到标尺零点。由电场、磁感应强度和几何尺寸可测定射线粒子的荷质比。设平行电极板长度为l，极板中点到荧光屏的距离为L，则可以证明（1.1.1）式中，e、m分别是带电粒子的电荷和质量。在1897年他测定了组成阴极射线的粒子的荷质比。当时的测量值为他在各种不同条件下，如放电管中充不同的气体、用不同的电极材料进行实验，测量的结果都是相同的值。这些结果说明这种粒子是各种元素的原子都共有的。而它的荷质比值却比氢离子的荷质比值（可用电解方法测得）约大1000倍。因此这种粒子不可能是离子，只能是一种新粒子，这种粒子叫电子，它应是物质的一个组成成分。
图1.1.1气体放电管示意图
图1.1.2汤姆孙测量电子荷质比实验装置示意图
1899年，汤姆孙利用威耳逊（T. Wilson）发明的云雾室测定电子的电荷。测量结果表明电子电荷和氢离子电荷相近，为1.6X10-19C。更精确的测量给出电子的荷质比为1.758X1011Clkg，由此可得电子的质量me=1/1836氢原子质量。
实际上，电子的发现是一个长期的工作，经历了许多物理学家的努力，在改进阴极射线管装置，确定它的电荷性质等方面，很多人做了工作。1894年，斯托尼（J. Stoney）就提出电的原子J性，并命名为电子。但电子的发现*后是以1897年汤姆孙对电子荷质比的测定为标志的，汤姆孙因此而获得1906年的诺贝尔物理学奖。
电子是组成原子的一个成分。电子带负电而原子又是中性的，那么原子中一定有带正电的部分，而且电荷大小和电子的总电荷相等。此外，电子质量很小，只占原子质量的很小的一部分，原子质量几乎全由带正电的部分承担。那么原子中的正、负电荷是怎样分布的呢？
汤姆孙提出了一个原子模型，他认为原子中的正电荷分布在整个原子空间，即在一个半径R~10-1Om的区间，电子则嵌在布满正电荷的球内，由于电子间的相互作用，电子均匀分布在正电荷球内。当原子处于*低的能量状态时，电子处在其平衡位置上。当原子被激发时，电子偏离平衡位置，由于和正电荷之间的静电力，使它在平衡位置附近作简谐振动。按照经典的电磁理论，作加速运动的带电物体将发射电磁辐射，所发射的电磁辐射的频率应等于简谐振动的频率。简单的估算可给出辐射频率约在紫外和可见光区，因此能定性解释原子的辐射特征。但是根据这样的估算，原子只发射一种频率的电磁辐射。而实验测到的原子辐射却是一系列不同频率的线谱。
1.1.2 α粒子散射实验
为研究原子内部的结构和电荷分布，人们很自然地想利用高速粒子去轰击原子，根据入射粒子的散射情况来了解原子内部的情形。物理学家曾尝试过用电子撞击原子，1890年勒纳德（P. Lenard）研究阴极射线时，在射线管上装一薄铝窗，使阴极射线从管内穿出进入空气，发现电子在空气中射程约为几厘米。如果认为原子是一个实体，电子不能穿过原子，电子在空气中散射的自由程应该是在10-5cm的量级。勒纳德的实验结果显示原子并不是完全不可穿透的，但难以得出定量的结论。
1896年，贝克勒尔（H. Becqueral）发现了放射性现象，并将一种带正电的射线称α射线。卢瑟福（E. Rutherford）对α射线的了系统的研究。其中一个重要工作是确认了α射线实际上仍动WA是高速运动的带两个正电荷的氮离子，它的质切同量他曾因此项工作而在1908年阴阳获得了诺贝尔化学奖。卢瑟福还首先发明用α粒子打在荧光屏上，通过对发光次数的计数来确定入射α粒子的数目的方法。1909年卢瑟福和他的助手盖革（H. Geiger）及学生马斯登更精确的结果，他们用如图1.1.3的装置进行实验测量。得到的结果可归纳如下：
（1）绝大多数α粒子经铅筒散射后，只有很小角度的偏转，偏转角小于2°。
（2）有约1/8000的α粒子，它的散射角大于90°。
为何会出现这样的实验结果？用当时在英国被公认的汤姆孙原子模型根本无法解释，因为他认为原子是一个半径为R的球，正电荷Ze是均匀分布在整个球内的。若不考虑原子内电子的影响，α粒子在（r<R）处受到的库仑力为Fc=m气即离球心越近所受库仑力越小，因此若在中心附近穿过原子，α粒子几乎不偏转。而在原子外，因为原子是中性的，α粒子和原子间几乎没有相互作用力，但在球面处它受的库仑力为F这时受到的作用力为*大。由运动学的计算，可以得到，即使α粒子在球面处也只能发生小角度散射。而且多次小角度散射也不可能引起大角度散射。
定价：46.0
ISBN：9787030160324
作者：陈宏芳
版次：1
出版时间：2006-04
内容提要：
本书是普通物理之原子物理学课程的教材，全书注重通过基本的物理现象和实验事实的介绍、简单的理论推导，用量子的观点和方法将物理概念解释清楚。全书包括原子、原子核、基本粒子以及分子物理等部分。
目录：
目录
序
前言
第1章 玻尔原子模型 1
1.1 原子的核式结构 1
1.1.1 电子的发现 1
1.1.2 α粒子散射实验 4
1.1.3 卢瑟福核式模型 6
1.2 原子光谱 12
1.2.1 光谱 12
1.2.2 氢原子光谱和光谱项 12
1.3 玻尔氢原子理论 15
1.3.1 原子行星模型的困难 16
1.3.2 玻尔假设 18
1.3.3 玻尔氢原子模型 19
1.4 类氢原子 24
1.4.1 原子核质量的影响 24
1.4.2 类氢离子光谱 27
1.4.3 特殊的类氢原子 28
1.5 弗兰克-赫兹实验 29
习题 33
第2章 量子力学的初步介绍 35
2.1 波粒二象性 35
2.1.1 光的二象性 35
2.1.2 实物粒子的波动性 41
2.2 物质波的统计解释和海森伯不确定原理 45
2.2.1 波函数的统计解释 45
2.2.2 海森伯不确定原理 48
2.3 薛定谔方程 51
2.3.1 薛定湾方程的建立 51
2.3.2 定态薛定诗方程 54
2.4 力学量的平均值、算符表示和本征值 55
2.4.1 力学量的平均值 55
2.4.2 力学量的算符表示 57
2.4.3 力学量的本征值 58
2.5 定态薛定诗方程解的几个简例 59
2.5.1 阶跃势、势垒和隧道效应 59
2.5.2 一维无限深势阱 6
2.5.3 一维谐振子势 68
习题 71
第3章 单电子原子 74
3.1 氢原子的定态薛定诗方程解 74
3.1.1 中心力场薛定湾方程及其解 74
3.1.2 概率密度 80
3.1.3 原子波函数的字称 84
3.2 量子数的物理解释 84
3.2.1 主量子数n 、单电子原子的能级 84
3.2.2 轨道角动量及量子数 87
3.2.3 磁量子数ml 88
3.2.4 角动量的矢量模型 89
3.3 跃迁概率和选择定则 90
3.3.1 原子处在定态时不发射电磁辐射 90
3.3.2 原子跃迁和混合态 90
3.3.3 跃迁率、平均寿命 92
3.4 电子自旋 96
3.4.1 轨道磁矩 96
3.4.2 塞曼效应 98
3.4.3 施特恩一格拉赫实验 100
3.4.4 电子自旋 102
3.5 自旋和轨道相互作用 104
3.5.1 自旋-轨道藕合能 105
3.5.2 总角动量和原子磁矩 106
3.6 单电子原子能级的精细结构 109
3.6.1 精细结构 109
3.6.2 兰姆移位及超精细结构 114
习题 118
第4章 氨原子和多电子原子 121
4.1 氮原子的能级 121
4.1.1 氮原子的光谱和能级 121
4.1.2 氮原子能级的简单讨论 122
4.2 全同粒子和泡利不相容原理 125
4.2.1 全同粒子与波函数的交换对称性 125
4.2.2 泡利不相容原理 127
4.2.3 交换效应 128
4.3 多电子原子的电子组态 131
4.4 原子的壳层结构和元素周期表 134
4.4.1 原子中电子的壳层结构 135
4.4.2 电子壳层的填充 136
4.4.3 满支壳层电子组态 142
4.5 多电子原子的原子态和能级 143
4.5.1 LS 耦合 144
4.5.2 jj 耦合 154
4.6 多电子原子的光谱 155
4.6.1 选择定则 155
4.6.2 碱金属原子的光谱 156
4.6.3 碱土金属原子光谱 158
4.7 原子的内层能级和X 射线 159
4.7.1 X 射线谱 159
4.7.2 原子的内层能级 162
4.7.3 X 射线的吸收 164
4.7.4 同步辐射 165
习题 167
第5章 原子核物理 170
5.1 原子核的基本性质 170
5.1.1 原子核的组成 170
5.1.2 原子核的大小 172
5.1.3 原子核的自旋和核磁矩 174
5.1.4 原子核的电四极矩 177
5.1.5 原子核的字称 179
5.2 原子核的稳定性和结合能 180
5.2.1 核素图和自稳定线 180
5.2.2 原子核的结合能 181
5.3 核力与核结构模型 186
5.3.1 核力 186
5.3.2 原子核结构的模型 189
5.4 核衰变及放射性 194
5.4.1 原子核衰变的一般规律 194
5.4.2 α衰变 200
5.4.3 日衰变 203
5.4.4 γ 衰变 207
5.4.5 放射性的应用 210
5.5 核反应 215
5.5.1 核反应中的守恒定律及反应能 217
5.5.2 反应截面 219
5.6 原子核的裂变和聚变 220
5.6.1 原子核的裂变 220
5.6.2 核聚变 225
习题 230
第6章 粒子物理 232
6.1 高能加速器和粒子探测器 232
6.1.1 加速器简介 233
6.1.2 粒子探测器 236
6.2 粒子的基本性质和分类 236
6.2.1 粒子的基本性质 236
6.2.2 粒子的分类 238
6.3 强子的夸克模型 249
6.3.1 夸克的基本性质 254
6.3.2 重子和介子的夸克组成 256
6.3.3 夸克的色量子数 258
6.4 相互作用与守恒定律 260
6.4.1 电磁相互作用 261
6.4.2 弱相互作用 262
6.4.3 强相互作用 267
6.4.4 守恒定律与对称性 271
6.5 标准模型及新物理 277
6.5.1 基本粒子和基本相互作用 277
6.5.2 大统一理论及超对称 278
6.6 粒子物理与宇宙学 280
6.6.1 宇宙微波背景和氮的相对丰度 282
6.6.2 粒子宇宙学中的一些疑难问题 284
习题 286
第7章 分子结构和双原子分子光谱 288
7.1 分子的化学键 288
7.1.1 离子键 288
7.1.2 共价键 290
7.2 分子能级 297
7.3 双原子分子的光谱 298
7.3.1 转动能级和光谱 298
7.3.2 振动能级和光谱 302
7.3.3 分子的电子能级和光谱带 306
7.4 拉曼散射和拉曼光谱 310
7.4.1 拉曼光谱 311
7.4.2 拉曼散射的量子解释 312
7.4.3 双原子分子气体的拉曼谱 313
7.4.4 原子核自旋对分子能态的影响一一同核双原子分子的拉曼谱 315
习题 319
附录 321
Ⅰ 物理常数 321
Ⅱ 元素周期表 323
Ⅲ 诺贝尔物理学奖获得者(1901～2005) 324
习题答案 331
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第1章 玻尔原子模型
中国古代的哲学家早在周代就提出五行说，即万物都是由金、木、水、火、土五种物质构成的学说。古希腊人认为水、火、空气和泥土是构成物质的基本元素。原子这个名词*早是在公元前四-五世纪由希腊哲学家德谟克利特（Democritus）提出的，原子在希腊语中是不可再分割的意思，也就是认为原子是物质分割的极限，是组成物质的*小单元。直到18、19世纪，在气体分子运动理论和化学反应实验中发现的定比定律、倍比定律的基础上，道尔顿（J. Dalton）于1803年提出物质由分子组成，分子是保持物质化学性质的*小单元，而分子又由一种或几种化学元素的原子组成。原子是化学元素的*小单元。1811年，阿伏伽德罗（A. Avogadro）在道尔顿的原子论及盖？吕萨克（J. Gay-Lussac）的关于化学反应气体的体积有简单的比例关系的基础上提出阿伏伽德罗定律，即在同样的温度和压力条件下，同体积的任何气体含有的分子数相同。实验给出，在标准条件下（Ooc和1个大气压），1克分子质量（1mol质量）气体的体积为22.4升，且在这体积中总是含有一定数目的分子，这个数称阿伏伽德罗常量，即这些思想形成了物质的原子论。可测得原子的质量及估算原子的大小（约10-10m）。1869年，门捷列夫（D. I. Mendeleev）指出，假如将元素按原子量大小的次序排列，则元素的性质呈现出周期性的行为。对这种现象，原子论几乎不可能对它作出解释。元素周期表显示出原子似乎并不是简单地不可分的物质*小单元。今天我们已经清楚知道，原子只是物质结构的一个层次，原子本身也是有结构的。本章主要讨论原子的构成及一些早期的原子模型和原子光谱的基本规律，在这基础上再介绍玻尔的氢原子理论。
1.1 原子的核式结构
1.1.1 电子的发现
气体放电管在早期现代原子物理的发展中起了特殊的重要作用，今天仍然用在激发原子和粒子束产生等方面。图1.1.1是气体放电管的示意图。一般在管子内充以几毫米隶柱（mmHg）压力的气体，在阴极和阳极之间加上几百到几千伏的电压，管内在两个电极间的区域就会出现辉光，这取决于气体的种类及气压。在阳极附近的荧光屏上可以观察到荧光，其斑点的大小和阳极上小孔的大小有关。1859年，普吕克（J. Plucker）首先发现了这种射线，并称它为阴极射线。他认为它是由阴极发出的射线，后来进一步的研究才知道实际上这是在气体放电区产生的。实验还发现阴极射线在电场和磁场中会偏转，由偏转的方向证明阴极射线是带负电的，当时对射线的性质到底是粒子还是波，存在有不同的观点，英国物理学家汤姆孙（J. Thomson）认为阴极射线是高速运动的带负电的粒子流。他设计了如图1.1.2的实验装置，一个充以稀薄气体的玻璃管中有几个电极，在阴极C和阳极A之间加上高压，阴极射线穿过空心阳极和狭缝D，通过平行板电极中间的电场区，到达管子右端带有标尺的荧光屏S上。当平行板间电场为零时，射线打在标尺的零点。如果在平行板空间加一个方向由纸面向下的磁场，则细束向下偏转。若在平行板之间加上如图示极性的电压V，电场为E时，则细束向上偏转h。调节磁场强度B，使细束在电场和磁场的作用下回到标尺零点。由电场、磁感应强度和几何尺寸可测定射线粒子的荷质比。设平行电极板长度为l，极板中点到荧光屏的距离为L，则可以证明（1.1.1）式中，e、m分别是带电粒子的电荷和质量。在1897年他测定了组成阴极射线的粒子的荷质比。当时的测量值为他在各种不同条件下，如放电管中充不同的气体、用不同的电极材料进行实验，测量的结果都是相同的值。这些结果说明这种粒子是各种元素的原子都共有的。而它的荷质比值却比氢离子的荷质比值（可用电解方法测得）约大1000倍。因此这种粒子不可能是离子，只能是一种新粒子，这种粒子叫电子，它应是物质的一个组成成分。
图1.1.1气体放电管示意图
图1.1.2汤姆孙测量电子荷质比实验装置示意图
1899年，汤姆孙利用威耳逊（T. Wilson）发明的云雾室测定电子的电荷。测量结果表明电子电荷和氢离子电荷相近，为1.6X10-19C。更精确的测量给出电子的荷质比为1.758X1011Clkg，由此可得电子的质量me=1/1836氢原子质量。
实际上，电子的发现是一个长期的工作，经历了许多物理学家的努力，在改进阴极射线管装置，确定它的电荷性质等方面，很多人做了工作。1894年，斯托尼（J. Stoney）就提出电的原子J性，并命名为电子。但电子的发现*后是以1897年汤姆孙对电子荷质比的测定为标志的，汤姆孙因此而获得1906年的诺贝尔物理学奖。
电子是组成原子的一个成分。电子带负电而原子又是中性的，那么原子中一定有带正电的部分，而且电荷大小和电子的总电荷相等。此外，电子质量很小，只占原子质量的很小的一部分，原子质量几乎全由带正电的部分承担。那么原子中的正、负电荷是怎样分布的呢？
汤姆孙提出了一个原子模型，他认为原子中的正电荷分布在整个原子空间，即在一个半径R~10-1Om的区间，电子则嵌在布满正电荷的球内，由于电子间的相互作用，电子均匀分布在正电荷球内。当原子处于*低的能量状态时，电子处在其平衡位置上。当原子被激发时，电子偏离平衡位置，由于和正电荷之间的静电力，使它在平衡位置附近作简谐振动。按照经典的电磁理论，作加速运动的带电物体将发射电磁辐射，所发射的电磁辐射的频率应等于简谐振动的频率。简单的估算可给出辐射频率约在紫外和可见光区，因此能定性解释原子的辐射特征。但是根据这样的估算，原子只发射一种频率的电磁辐射。而实验测到的原子辐射却是一系列不同频率的线谱。
1.1.2 α粒子散射实验
为研究原子内部的结构和电荷分布，人们很自然地想利用高速粒子去轰击原子，根据入射粒子的散射情况来了解原子内部的情形。物理学家曾尝试过用电子撞击原子，1890年勒纳德（P. Lenard）研究阴极射线时，在射线管上装一薄铝窗，使阴极射线从管内穿出进入空气，发现电子在空气中射程约为几厘米。如果认为原子是一个实体，电子不能穿过原子，电子在空气中散射的自由程应该是在10-5cm的量级。勒纳德的实验结果显示原子并不是完全不可穿透的，但难以得出定量的结论。
1896年，贝克勒尔（H. Becqueral）发现了放射性现象，并将一种带正电的射线称α射线。卢瑟福（E. Rutherford）对α射线的了系统的研究。其中一个重要工作是确认了α射线实际上仍动WA是高速运动的带两个正电荷的氮离子，它的质切同量他曾因此项工作而在1908年阴阳获得了诺贝尔化学奖。卢瑟福还首先发明用α粒子打在荧光屏上，通过对发光次数的计数来确定入射α粒子的数目的方法。1909年卢瑟福和他的助手盖革（H. Geiger）及学生马斯登更精确的结果，他们用如图1.1.3的装置进行实验测量。得到的结果可归纳如下：
（1）绝大多数α粒子经铅筒散射后，只有很小角度的偏转，偏转角小于2°。
（2）有约1/8000的α粒子，它的散射角大于90°。
为何会出现这样的实验结果？用当时在英国被公认的汤姆孙原子模型根本无法解释，因为他认为原子是一个半径为R的球，正电荷Ze是均匀分布在整个球内的。若不考虑原子内电子的影响，α粒子在（r<R）处受到的库仑力为Fc=m气即离球心越近所受库仑力越小，因此若在中心附近穿过原子，α粒子几乎不偏转。而在原子外，因为原子是中性的，α粒子和原子间几乎没有相互作用力，但在球面处它受的库仑力为F这时受到的作用力为*大。由运动学的计算，可以得到，即使α粒子在球面处也只能发生小角度散射。而且多次小角度散射也不可能引起大角度散射。