原子物理学教学课件1

第一章 原子的位形：卢瑟福模型内容： 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背景知识(1)电子的发现 关阴极射线.1858年,德国物理学家普吕克(JuliusPlucker,1801-1868在,光成? 1876年德国物理学家哥尔茨坦(EugenGoldstein,18501930根据这一射线会引起化学作用的性,波. 1871年利(C.F.Varley,1828-1883),.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１汤姆逊（1856-1940）正在进行实验6年诺贝尔物理学奖-由于对气体导电的理论和实验所作的贡献他的学生有7人获诺贝尔物理学奖，他的儿子G·P·汤姆孙(193年。由于他崇高的声誉,在他逝世后,骨灰被安葬在英国西敏寺的中央,与牛顿,达尔文,开尔文等伟大科学家的骨灰安放在一起.图2阴极射线（1858年被发现）实验装置示意图场E， 阴极射线带负电。再加磁H

qB

qE

E/B 。去掉电E后，射线成一圆形轨迹，

qB

m2/rq/m

E/rB2

阴极射线质量只有氢原子质量的千分之一还不到电子 他所测得的电子束的速度达光速的7.3%～12%,电子的质荷比m/e是氢离子的质荷比的1‰～1.5‰.可见,数量级的关系基本正确,但结果不够精确. 让汤姆生不解的是,测量数据中当电子速度大到3.6×107m/s的情况下,电子的质荷比反而小。这一点直到爱因斯坦在1905年提出狭义相对论后,他才得知质量与速度的关系。m 0（2）电子的电荷和质量在1910年由（Millikan）作出的，即著名“油滴实”。e= 1.602176487(40)×0-，me= 9.10938215(45)×0-k。E=mc2m=0.511c2mp=1.67×0-2kg=938MeV/2质量最轻的氢原子：1.673×10-2kg-2k—1-2kg阿伏加德罗常数1811年意大利化学家阿伏加德罗提出了理想气体分子的假设，得出了著名的阿伏加德罗常数，并在1865首次实验测定。 NA代1mo2023 1u=1/Ag=1.660538788×-27kg(4) 原子的大小

r(

3A 1)3N0原子的半径－0-０m（0.1nm） 到此为止，我们已了解到，原子中存在电子，它的质量只是整个原子质量的很小一部分，电于是带负电的，而原子是中性的，那就意味着，原于中还有带正电的部分，它负担了原子质景的大部份。 原子中带正电的部分，以及带负电的电子，在大小约为埃的范围内是怎么分布、怎么运动的呢？1.2 原子的核式结构 (卢瑟福模型)（1HYPERLINK/jingpinkecheng/yuanziwuli/chap1/汤姆逊.ppt#-1）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。（2）盖革－马斯顿实验(a)侧视图(b)俯视图。R:放射源；:散射箔；:闪烁屏；B:

α粒子：放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。实验结果：大多数散射角很小，约1/8000散射大于918°。这是我一生中从未有过的最难以置信的事件，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（3）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。近似2：只受库仑力的作用。1 2Ze2当r>R时，原子受的库仑斥力为：当r<R时，原子受的库仑斥力为：

F 4F 10

0 r22Ze2rR3当r=R时，原子受的库仑斥力最大：

max

10

2Ze2R2粒子受原子作用后动量发生变化：p

max

t

4Ze20RV最大散射

tg

pp

角：4Ze2角：0RVMV

4Ze220RMV2

~104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10-30.必须重新寻找原子的结构模型。困难：作用力F太小，不能发生大角散射。解决方法：减少带正电部分的半径R，使作用力增大。（4）卢瑟福的核式模型原子序数为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α粒子散射实验。§1.3卢瑟福散射理论假设：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1．库仑散射公式2ba2

ctg2

aZ1Z2e0E上a，入射粒子与固要得到大角散射，正电荷必须集中在很小的范围内，问题：b是微观量，至今还不可控制，在实验中也无库仑散射公式的推导 请同学们自学教材15-19页的有关内容。2．卢瑟福散射公式

b→bdb

之

d内

→d问题：环形面积和空心圆锥体的立体角之间有何关系呢?环形面积：

bdb

a2

sin216sin42空心锥体的立体角：

rsirr2

sid与d的对应关系：

a24微分散射截面公式

16sin 2d子被一个靶原子散射到-之间的空心立体角d内的概率称有效散射截面(靶中个原子的)，又称为微分散射截面，具有面积的量纲，单位：靶恩（b）.粒子打到薄靶上，靶的面积为A，厚度为t位体积内的原子数为n。假设靶很薄，靶内的原子核对射来的粒子前后不互相覆盖。则所有原子(nAt：的总有效散射截面为：

dA

nAt一个粒子打到薄靶上被散射到θ至θ-dθ之间d方向立体角内的概率为：

dAA

ntd个, 方向上的粒子数dN’：dNN

dAA

ntddN

Nnt(

10

)2(Z1Z2e )24E

22sin422

dC()d

dNntd 卢瑟福散射公式

C)

( 10

2)2(Z1Z2e )224E

1sin42 ：到 这样就可以由实验条件给定的参数(n,E,N,t,Z)得到理论预期值，而通过实验测量散射粒子的数目，就可以由实验验证公式的正确性。§1.4卢瑟福理论的实验验证22dNsin422

( 1

)2(Ze

)2nNtd 0 4E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，

dNsin4C2在同一散射角，

dNt(3)用同一个散射物，在同一个散射角，dNE2C(4)用同一个粒子源，在同一个散射角，对同一Nt值，NZ21913年盖革－马斯顿用~5MeV的 粒子实验，证实散射角在°-15°范围内，前三个结论与实验相符。1920查德维克改进了实验，测定了几种原子的Z值结果与它们的原子序数相符，从而确立了原子的核式结构(2)原子核半径的估算能量守恒定律1MV2

1MV'2

2Ze22 2 0m角动量守恒定律mMVbm

MV'r由上两式及库仑散射公式可得r 1

2ze2

1 1 )0m 0

Mv2

sin

/2)Rｍ=3×10-14m （金）Rｍ=1.2×10-14m （铜）

10-14m 0-15m§1.5行星模型的意义及困难（1）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，认识到高密度的原子核的存在，从而将原子分为核外与核内两部分，奠定了原子物理学重要基础。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。以散射为手段来探测，获得微观粒子内部信息的方法，为近代物理实验奠定了基础，对近代物理有着巨大的影响。3、粒子散射实验还为材料分析提供了一种手段。（2）困难1、原子稳定性问题2、原子线状光谱问题原子的大小核式结构－原子由原子核及核外电子组成原子的半径－10-1０m（0.1nm）1、原子核半径－10-14m (fm)2、电子半径－10-1８m小 结 一、电子的发现、汤姆逊原子模型 二、卢瑟福原子模型 三、粒子散射实验及粒子散射理论 四、卢瑟福理论的实验