《原子物理学》：第1章 原子的核式结构

1、第一章 原子的核式结构,内容： 1、汤姆孙原子结构模型,2、原子的核式结构,3、卢瑟福散射理论,4、原子的组成和大小,5、卢瑟福核式结构的意义和困难,重点：原子的核式结构、卢瑟福散射理论,1.1 汤姆孙原子结构模型,一电子的发现,1897年，汤姆逊通过阴极射线管的实验发现了电子，并进一步测出了电子的荷质比:e/m 汤姆逊被誉为:“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人.,图汤姆逊正在进行实验,电子的发现并不是偶然的，在此之前已有丰富的积累。1811年，阿伏伽德罗（A.Avogadno）定律问世，提出1mol任何原子的数目都是 NA 个。 1833年，法拉第（M.Faraday）提出电解定律，

2、1mol任何原子的单价离子永远带有相同的电量-即法拉第常数， 1874年，斯迪尼（G.T.Stoney）综合上述两个定律，指出原子所带电荷为一个电荷的整数倍，这个电荷是斯迪尼提出，用“电子”来命名这个电荷的最小单位。但实际上确认电子的存在，却是20多年后汤姆逊（J.J.Thomson）的工作； 1897年，汤姆逊（J.J.Thomson）发现电子：通过阴极射线管中电子荷质比的测量，汤姆逊（J.J.Thomson）预言了电子的存在。 1897年德国(w.kaufman)做了类似实验,测定的e/m远比汤姆逊要精确,与现代值相差1,同时还观察到e/m随电子的速度的改变而改变.但他没有勇气发表这些结果

3、,直到1901年才将结果公布,图2 阴极射线实验装置示意图,加电场E后，射线偏转， 阴极射线带负电。 再加磁场H后，射线不偏转， 。 去掉电场E后，射线成一圆形轨迹， 求出荷质比,微粒的荷质比为氢离子荷质比的千倍以上阴极射线质量只有氢原子质量的千分之一还不到 电子,电子电荷的精确测定是在1910年由R.A.密立根（Millikan）作出的，即著名的“油滴实验,e=1.6021773310-19C， m=9.109389710-31kg,质量最轻的氢原子：1.67310-27kg 原子质量的数量级：10-27kg10-25kg,A：以克为单位时,一摩尔原子的质量. 。 N0: 阿伏加德罗常数。(

4、6.0221023/mol,原子的半径 10-1 m（0.1nm,二、 汤姆逊原子模型布丁模型,1903年英国科学家汤姆逊提出 “葡萄干蛋糕”式原子模型或称为“西瓜”模型原子中正电荷和质量均匀分布在原子大小的弹性实心球内，电子就象西瓜里的瓜子那样嵌在这个球内,该模型对原子发光现象的解释电子在其平衡位置作简谐振动的结果，原子所发出的光的频率就相当于这些振动的频率,卢瑟福1871年8月30日生于新西兰的纳尔逊，毕业于新西兰大学和剑桥大学。 1898年到加拿大任马克歧尔大学物理学教授，达9年之久，这期间他在放射性方面的研究，贡献极多。1907年，任曼彻斯特大学物理学教授。1908年因对放射化学的研究

5、荣获诺贝尔化学奖。1919年任剑桥大学教授，并任卡文迪许实验室主任。1931年英王授予他勋爵的桂冠。1937年10月19日逝世,1.2 原子的核式结构 (卢瑟福模型,一盖革马斯顿实验,实验结果：大多数散射角很小，约1/8000散射大于90；极个别的散射角等于180,a) 侧视图 (b) 俯视图。R:放射源；F:散射箔；S:闪烁屏；B:金属匣,粒子：放射性元素发射出的高速带电粒子，其速度约为光速的十分之一，带+2e的电荷，质量约为4MH。 散射：一个运动粒子受到另一个粒子的作用而改变原来的运动方向的现象。 粒子受到散射时，它的出射方向与原入射方向之间的夹角叫做散射角,这是我一生中从未有过的最难以

6、置信的事件，它的难以置信好比你对一张白纸射出一发15英寸的炮弹，结果却被顶了回来打在自己身上卢瑟福的话,二汤姆逊模型的困难,近似1：粒子散射受电子的影响忽略不计，只须考虑原子中带正电而质量大的部分对粒子的影响,当rR时，原子受的库仑斥力为： 当rR时，原子受的库仑斥力为： 当r=R时，原子受的库仑斥力最大,近似2：只受库仑力的作用,粒子受原子作用后动量发生变化： 最大散射角,大角散射不可能在汤姆逊模型中发生,散射角大于3的比1%少得多；散射角大于90的约为10-3500. 必须重新寻找原子的结构模型,解决方法：减少带正电部分的半径R，使作用力增大,困难：作用力F太小，不能发生大角散射,原子序数

7、为Z的原子的中心,有一个带正电荷的核(原子核),它所带的正电量Ze ,它的体积极小但质量很大,几乎等于整个原子的质量,正常情况下核外有Z个电子围绕它运动,定性地解释：由于原子核很小，绝大部分粒子并不能瞄准原子核入射，而只是从原子核周围穿过，所以原子核的作用力仍然不大，因此偏转也很小，也有少数粒子有可能从原子核附近通过，这时，r较小，受的作用力较大，就会有较大的偏转，而极少数正对原子核入射的粒子，由于r很小，受的作用力很大，就有可能反弹回来。所以卢瑟福的核式结构模型能定性地解释粒子散射实验,三卢瑟福的核式模型,1库仑散射公式,四、卢瑟福散射理论,上式反应出b和的对应关系 。b小， 大； b大，小

8、,假设：忽略电子的作用 、粒子和原子核看成点电荷、原子核不动、大角散射是一次散射结果,要得到大角散射，正电荷必须集中在很小的范围内，粒子必须在离正电荷很近处通过,问题：b是微观量，至今还不可控制，在实验中也无法测量，所以这个公式还不可能和实验值直接比较,库仑散射公式对核式模型的散射情形作了理论预言，它是否正确只有实验能给出答案，但目前瞄准距离b仍然无法测量。因此必须设法用可观察的量来代替b，才能进行相关实验,卢瑟福完成了这项工作，并推导出了著名的卢瑟福公式,2卢瑟福散射公式,环形面积,问题：环形面积和空心圆锥体的立体角之间有何关系呢,空心锥体的立体角,d与d的对应关系,公式的物理意义：被每个原

9、子散射到+d之间的空心立体角d内的粒子，必定打在bb-db之间的d这个环形带上,d称为有效散射截面(膜中每个原子的)，又称为微分截面,近似3：设薄膜很薄，薄膜内的原子核对射来的粒子前后不互相覆盖,设有一薄膜，面积为A，厚度为，单位体积内的原子数为N，则薄膜中的总原子数是,则N个原子把粒子散射到d中的总有效散射截面为,所以d也代表粒子散射到之间的几率的大小，故微分截面也称做几率，这就是d的物理意义。将卢瑟福散射公式代入并整理得,五、卢瑟福理论的实验验证,从上式可以预言下列四种关系： （1）在同一 粒子源和同一散射物的情况下 (2) 用同一粒子源和同一种材料的散射物，在同一散射角， (3) 用同一

10、个散射物，在同一个散射角， (4) 用同一个粒子源，在同一个散射角，对同一Nt值,年盖革马斯顿实验，查德维克,角动量守恒定律,由上两式及库仑散射公式可得,六、原子核半径的估算,能量守恒定律,R=310-14 m （金） R=1.2 10-14 m （铜,10-14 m 10-15 m,七、粒子散射实验的意义 及卢瑟福模型的困难,一）意义,1、最重要意义是提出了原子的核式结构，即提出了以核为中心的概念,2、 粒子散射实验为人类开辟了一条研究微观粒子结构的新途径,3、粒子散射实验还为材料分析提供了一种手段,卢瑟福模型提出了原子的核式结构，在人们探索原子结构的历程中踏出了第一步，可是当我们进入原子内

11、部准备考察电子的运动规律时，却发现了与已建立的物理规律不一致的现象。 1.原子的稳定性 经典物理学告诉我们，任何带电粒子在作加速运动的过程中都要以发射电磁波的方式放出能量，那么电子在绕核作加速运动的过程就会不断地向外发射电磁波而不断失去能量，以致轨道半径越来越小，最后湮没在原子核中，并导致原子坍缩。然而实验表明原子是相当稳定的,二）困难,1、原子稳定性问题,2、原子线状光谱问题,八、原子的大小,核式结构原子由原子核及核外电子组成,1、原子核半径 10-14 m (fm,原子的半径 10-1 m（0.1nm,2、电子半径 10-1 m,2.原子的同一性 任何元素的原子都是确定的，某一元素的所有原子之间是无差别的，这种原子的同一性是经典的行星模型无法理解的。 3.原子的再生性 一个原子在同外来粒子相互作用以后，这个原子可以恢复到原来的状态，就象未曾发生过任何事情一样。原子的这种再生性，是卢瑟福模型所无法说明的,问题： (l) d的物理意义？ (2) 库仑散射公式为什么不能直接检验? (3) 如果粒子以一定的瞄准距离接近原子核时，以90o角散射，当粒子