原子物理第一章

第一章

原子的基本状况内容：

1、原子的质量和大小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2、汤姆逊原子结构模型1.1原子的质量和大小一.原子的质量1．原子质量单位和原子量各种原子的质量各不相同，常用它们的相对值原子量。

原子质量单位：原子量：原子包含1个原子质量单位(1u)数H：1.0079C：12.011O：15.999Cu：63.542．原子质量元素X

的原子质量为：

A：一摩尔原子以克为单位的质量数（原子量）。No表示阿佛加德罗常数，No=6.022×1023/mol

对氢原子：MH=1.67367×10-27kg3、阿佛加德罗常数NoNo是联系微观物理量与宏观物理量的纽带。例：①Nok=R普适气体常数R，k：玻尔兹曼常数②Noe=F法拉第常数F=96486.7C/mol微观物理量通过No这个大常数与宏观物理量联系，告诉我们原子和分子实际上是多么的小。将原子看作是球体,1摩尔原子占体积为如果物质的密度为，A为原子量，则1摩尔原子占有体积例如Li原子

A=7，=0.7，rLi=0.16nm；

Pb原子A=207，=11.34，rPb=0.19nm；原子的半径都约为10-10m即Å的量级。

4、原子的大小量级§1.2汤姆逊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１汤姆逊正在进行实验

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=1.60217733×10-19C，m=9.1093897×10-31kg。质量最轻的氢原子：1.673×10-27kg原子质量的数量级：10-27kg——10-25kg•

A：以克为单位时,一摩尔原子的质量.。

N0:

阿伏加德罗常数。(6.0221023/mol)原子的半径－10-1０

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。

§1.3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α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：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。据美国物理学家组织网6日报道，维也纳大学和奥地利科学院的物理学家凭借143公里的成绩打破量子远距传输的最远距离纪录。这项成就是在朝着基于卫星的量子通讯道路上向前迈出的重要一步。研究成果刊登在《自然》杂志上。实验中，奥地利物理学家安东-泽林格领导的一支国际小组成功在加那利群岛的两个岛屿——拉帕尔玛岛和特纳利夫岛间实现量子态传输，距离达到143公里。此前的纪录由中国研究人员在几个月前创造，成绩为97公里。打破传输距离并不是科学家的首要目标。这项实验为一个全球性信息网络打下了基础，在这个网络，量子机械效应能够大幅提高信息交换的安全性，进行确定计算的效率也要远远超过传统技术。在这样一个未来的“量子互联网”，量子远距传输将成为量子计算机之间信息传送的一个关键协议。在量子远距传输实验中，两点之间的量子态交换理论上可以在相当远的距离内实现，即使接收者的位置未知也是如此。量子态交换可以用于信息传输或者作为未来量子计算机的一种操作。在这些应用中，量子态编码的光子必须能够传输相当长距离，同时不破坏脆弱的量子态。奥地利物理学家进行的实验让量子远距传输的距离超过100公里，开辟了一个新疆界。发表时间:2012-09-10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。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。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ｔ，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，

１９１３年盖革－马斯顿实验，１９０２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Rｍ=3×10-14m（金）Rｍ=1.2×10-14m（铜）10-14m10-15m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。（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－10-14m(fm)原子的半径－10-1０

m（0.1nm）2、电子半径－10-1８

m问题讨论：(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，当粒子以更小的瞄准距