原子物理学课件--第一章

1、2021/8/61原 子 物 理 学 第一章第一章 原子的位型原子的位型: 卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型 第二章第二章 原子的量子态原子的量子态: 玻尔模型玻尔模型 第三章第三章 原子的精细结构原子的精细结构: 电子自旋电子自旋 第四章第四章 多电子原子多电子原子:泡利原理泡利原理 第五章第五章 X射线射线 第六章第六章 原子核物理概论原子核物理概论 2021/8/62第一章第一章 原子的位型原子的位型: 卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型 1-1 1-1 背景知识背景知识1-2 1-2 卢瑟福模型的提出卢瑟福模型的提出1-3 1-3 卢瑟福散射卢瑟福散射公式公式 1-4 1-4 卢瑟福公式卢瑟福公

2、式的实验验证的实验验证1-5 1-5 行星模型的意义及困难行星模型的意义及困难 2021/8/631-1 1-1 背景知识背景知识电子的发现电子的发现电子的电荷和质量电子的电荷和质量原子的大小原子的大小2021/8/64 H H A ,B + + - C D E P1 P2 汤姆逊阴极射线实验汤姆逊阴极射线实验实验装置实验装置阴极射线阴极射线( (C)C)狭缝狭缝( (A,B)A,B)金属板金属板( (D,E)D,E)荧光屏荧光屏D,ED,E加电场加电场 射线射线P P1 1 P P2 2 阴极射线带负电阴极射线带负电再再加磁场加磁场 射线射线P P2 2 P P1 1 Hev=Ee v=E/

3、H去掉去掉电场电场 射线半径射线半径r mv2/r= = Hev e/m=v/Hr 1-1-1 1-1-1 电子电子的发现的发现EH2021/8/651-1-2 1-1-2 电子的电荷和质量电子的电荷和质量(1)(1) 密立根油滴实验密立根油滴实验 (1)测得电子电量为：测得电子电量为：e = 1.6 = 1.61010-19 -19 C (C (库仑库仑) ) 电子质量电子质量 me = 9.1= 9.11010-31 -31 kgkg 密立根首次发现了密立根首次发现了电荷的量子化电荷的量子化 电荷只能是电荷只能是 e 的整数倍的整数倍若知若知H+( (质子）的荷质比质子）的荷质比 pem1

4、1836epmm2021/8/661-1-2 1-1-2 电子的电荷和质量电子的电荷和质量(2)(2) 密立根油滴实验密立根油滴实验 (2)原子呈中性，原子中具有带负电的电子，原子呈中性，原子中具有带负电的电子， 必定有带正电的物质必定有带正电的物质( (对于氢原子，这对于氢原子，这 种带正电荷的物质称为种带正电荷的物质称为质子质子) ) 原子原子 = = 正电物质正电物质 + + 负电物质负电物质 + + 不带电物质不带电物质2021/8/671-1-2 1-1-2 电子的电荷和质量电子的电荷和质量(3)(3) 原子质量单位原子质量单位 uu 1 1 uu 1 1个个1212C C 原子质量

5、原子质量/12/12原子质量原子质量 MA u = = 原子量原子量 u = = A u 克1066. 1 克112克1224.AANN2021/8/681-1-3 1-1-3 原子的大小原子的大小 原子半径原子半径 一个原子体积一个原子体积 = = = = 一一个个原子的质量原子的质量 / / 原子质量密度原子质量密度 = = 原子半径原子半径 r = = 数量级：数量级：r 10-10 m = 1 343r/AA N31)N4A3(A2021/8/691-2 1-2 卢瑟福模型的提出卢瑟福模型的提出原子正负电荷如何分布原子正负电荷如何分布? ? 粒子散射实验粒子散射实验解释解释 粒子散射实

6、验粒子散射实验2021/8/6101-2-1 1-2-1 原子正负电荷如何分布原子正负电荷如何分布? (1)? (1) 汤姆逊原子模型汤姆逊原子模型 正电荷均匀分布在整个原子球体内，正电荷均匀分布在整个原子球体内，电子镶嵌在其中（同心球壳上）。电子镶嵌在其中（同心球壳上）。 卢瑟福的核型结构模型卢瑟福的核型结构模型2021/8/611 粒子散射实验：粒子散射实验： 探测器探测器 粒子粒子 金原子金原子 1-2-2 1-2-2 粒子散射实验粒子散射实验(1)(1)实验装置实验装置2021/8/6121-2-2 1-2-2 粒子散射实验粒子散射实验(2)(2) 实验结果：实验结果： 绝大多数绝大多

7、数 粒粒子子散射角散射角： 2 - 31/80001/8000的的 粒子散射角：粒子散射角： 90 奇怪奇怪相当于炮弹被一张纸反弹回来一样！相当于炮弹被一张纸反弹回来一样！2021/8/6131-2-3 1-2-3 解释解释 粒子散射实验粒子散射实验(1)(1) 带正电物质散射（汤氏模型）带正电物质散射（汤氏模型）(1)(1) 原子的正电荷原子的正电荷Ze对入射的对入射的 粒子粒子(2(2e)e)产生的力产生的力220230124124ZerRrFZerrRRRr原子半径原子半径2021/8/614 带正电物质散射（汤氏模型）带正电物质散射（汤氏模型）(2)(2) 正电荷正电荷Ze对对 粒子粒

8、子(2(2e)e)的最大力的最大力散射角散射角动量的变化动量的变化力乘以粒子在力乘以粒子在原子度过的时间原子度过的时间2R/v1-2-3 1-2-3 解释解释 粒子散射实验粒子散射实验(2)(2)220124ZeFRppppp2021/8/6151-2-3 1-2-3 解释解释 粒子散射实验粒子散射实验(3)(3) 带正电物质散射（汤氏模型）带正电物质散射（汤氏模型）(3)(3)相对动量的变化相对动量的变化20251.44f2/(4)2/122/0.1nm3 10rad(mMeVMeV)ZeRpFR vpm vm vZZEE ER204e2021/8/6161-2-3 1-2-3 解释解释 粒

9、子散射实验粒子散射实验(4)(4) 带正电物质散射（汤氏模型）带正电物质散射（汤氏模型）(4)(4)电子对电子对粒子的偏转的贡献（粒子的偏转的贡献（对头撞对头撞）(1)(1) 动量、动能守恒动量、动能守恒 2220101111,222eeeem vm vm vm vm vm v入射的入射的 粒子粒子散射后的散射后的 粒子粒子散射后的电子散射后的电子000222eem vm vvvmmm0102eeepm vm vm vm v 2021/8/6171-2-3 1-2-3 解释解释 粒子散射实验粒子散射实验(5)(5) 带正电物质散射（汤氏模型）带正电物质散射（汤氏模型）(5)(5)电子对电子对粒

10、子的偏转的贡献（粒子的偏转的贡献（对头撞对头撞）(2)(2)01002eeepm vm vm vm vpm v 040221100040eem vmm vmpp电子引起电子引起粒子的偏转角非常小粒子的偏转角非常小可以说几乎没有什么贡献可以说几乎没有什么贡献2021/8/6181-2-3 1-2-3 解释解释 粒子散射实验粒子散射实验(6)(6) 带正电物质散射（汤氏模型）带正电物质散射（汤氏模型）(6)(6) 粒子对金的散射角粒子对金的散射角一次散射的散射角一次散射的散射角重复散射也不会产生大角度重复散射也不会产生大角度 重复散射为随机重复散射为随机, 平均之后不会朝一个方向平均之后不会朝一个

11、方向特别不会稳定地朝某一方向散射特别不会稳定地朝某一方向散射 汤姆逊原子模型与实验不符汤姆逊原子模型与实验不符! ! 5MeVEZ=795433 10rad10rad10 radpZZpEE 310 rad2021/8/6191-3 1-3 卢瑟福散射卢瑟福散射公式公式库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导 卢瑟福公式的推导卢瑟福公式的推导 2021/8/6201-3-1 1-3-1 库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导(1)(1) 远离靶核的入射能量远离靶核的入射能量E,电荷电荷Z1e的带电粒子与电的带电粒子与电荷荷Z2e的靶核散射的靶核散射瞄准距离瞄准距离碰撞参数碰撞参数散射角散射角2021

12、/8/6211-3-1 1-3-1 库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导(2)(2) 库仑散射公式库仑散射公式ctg22ab21204Z Z eaE库仑散射因子库仑散射因子2021/8/6221-3-1 1-3-1 库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导(3)(3)假定：假定：单次散射单次散射点电荷，库仑相互作用点电荷，库仑相互作用核外电子的作用可略核外电子的作用可略1. 靶原子核静止（靶核重，晶体结构牢固）靶原子核静止（靶核重，晶体结构牢固）2021/8/6231-3-1 1-3-1 库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导(4)(4) 推导库仑散射公式推导库仑散射公式201220d4dZ Z e

13、vFmarmrt2ddmrLt中心力中心力角动量守恒角动量守恒201220d4dddZ Z evrmrt220012120021ddd44ddZ Z eZ Z evrLtrmr2021/8/6241-3-1 1-3-1 库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导(5)(5) 20120d ;4Z Z edvrLdfiufivvvvv e22;1122ififEm vm vvvv2 sin2fivvv2021/8/6251-3-1 1-3-1 库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导(6)(6) 00( cossin )d2cos2sincos22r dijji ue2021/8/6261-3-1 1-3

14、-1 库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导(7)(7) 2212120011sincoscos24242Z Z eZ Z evLmvbctg22ab21204Z Z eaE22Emvb ; b ; b 2021/8/6271-3-2 1-3-2 卢瑟福公式的推导卢瑟福公式的推导 (1) (1) 粒子粒子: : b b + db - d 粒子粒子: :bb+db 圆环圆环面积面积 -d空心空心圆锥体圆锥体 粒子打粒子打在环上的在环上的几率几率? ?2021/8/6281-3-2 1-3-2 卢瑟福公式的推导卢瑟福公式的推导 (2) (2) 靶靶(薄箔薄箔)厚厚t, 面积面积A，数密度数密度n，质

15、量密度质量密度 环环面积面积 粒子打在环上的几率粒子打在环上的几率2|b db2242|21cotcsc2222 22sin16 sin2b dbaadAAadA 2021/8/6291-3-2 1-3-2 卢瑟福公式的推导卢瑟福公式的推导 (3) (3) 空心圆锥体的立体角空心圆锥体的立体角 d 22sin;2 sindsrrddsddr 242|16 sin2b dba dAA2021/8/6301-3-2 1-3-2 卢瑟福公式的推导卢瑟福公式的推导 (4) (4) 薄箔内有许多薄箔内有许多环环: 核核 环环; 薄箔体积薄箔体积: At; 薄箔薄箔环数环数: Atn 粒子打在粒子打在At

16、n环上环上, ,散射角散射角 相同相同 一个一个 粒子打在粒子打在薄箔薄箔 上被散射到上被散射到 -d 的几率的几率24( )16 sin2a dn tdApA2021/8/6311-3-2 1-3-2 卢瑟福公式的推导卢瑟福公式的推导 (5) (5) N个个 粒子打在粒子打在薄箔薄箔上测量到上测量到 -d 的粒子数粒子数 微分截面微分截面( (卢瑟福公式卢瑟福公式) )2221244014416 sinsin22Z Z eaNdddNnAtntNEA 2212401144s(i2)n( )CZ Z edNNntdEdd 2021/8/6321-3-2 1-3-2 卢瑟福公式的推导卢瑟福公式的

17、推导 (6) (6) 微分截面的物理意义微分截面的物理意义 对于单位面积内每个靶原子核对于单位面积内每个靶原子核,单位入射粒子单位入射粒子,单位单位立体角内的散射粒子数立体角内的散射粒子数微分截面有面积的量纲微分截面有面积的量纲, ,表示表示 粒子粒子散射到散射到 方向方向单单位立体角内每个原子的位立体角内每个原子的有效散射有效散射截面截面微分截面的单位微分截面的单位: (: (m m2 2/sr)(/sr)(米米2 2/ /球面度球面度) )截面的单位截面的单位: : 靶恩靶恩(靶靶, b): 微分截面的单位微分截面的单位: : b/srb/sr221240( )11( )44sin2CZ

18、Z eddNdNntdE 282312110,110mbmmb2021/8/6331-4 1-4 卢瑟福公式卢瑟福公式的实验验证的实验验证盖革盖革 马斯顿实验马斯顿实验 原子核大小的估计原子核大小的估计 2021/8/6341-4-1 1-4-1 盖革盖革 马斯顿实验马斯顿实验(1)(1) 同一同一( ( 粒子源粒子源, , 散射体散射体) ) 同一同一( 粒子源粒子源, ,材料的散射体材料的散射体, ,散射角散射角) 同一同一(散射体散射体, ,散射角散射角) 同一同一( 粒子源粒子源, ,散射角散射角, nt) 221240( )11( )44sin2CZ Z eddNdNntdE 41,sin2dNddNtd21dNdE22dN