第一章物质结构基础

第一章物质结构基础1.1原子的结构一、背景知识1、电子的发现1897年由汤姆孙（J.J.Thomson)验证电子的存在Heυ（磁力）=Ee（电力）可算出υ=E/HHeυ=mυ2/r（离心力）e/m=υ/Hr=E/H2r结论：e/m是氢离子的近2000倍，不是电量很大，就质量很小。而且该比值与阴极的材料和管内气体的种类无关。说明什么问题？2、电子的电荷和质量1910年，密立根油滴实验：物体的带电量是不连续的，都是一个电量的整数倍。（量子化的）why?基元电荷e=1.602×10-19C电子的电荷e=1.602×10-19C电子的质量me=9.109×10-31kg(计算得到,why?）3、阿伏加德罗常数阿伏加德罗常数NA代表1mol（摩尔）分子的分子数目或1mol原子的原子数目。原子质量单位μ

规定：一个处于基态的12C中性原子的静止质量的1/12定义为一个原子质量单位。12克12C含NA个12C原子，一个12C原子的质量为12/NA克。所以：1μ=1/NAg

1g=NAμNA=6.02×1023

1μ=1.66×10-27kgNA起到宏观与微观间的桥梁作用二、原子的模型1、汤姆逊模型1903年，汤姆逊（JosephJohnThomson，1856-1940）提出：原子中带正电的部分是一个具有弹性的、冻胶状的、半径为10-10m的实球体，正电荷均匀分布在其中，在球内或球上有负电子嵌着，电子能在它们的平衡位置上作简谐振动。被称为“葡萄干蛋糕模型”汤姆逊的原子模型二、原子的模型2、α粒子的散射实验（α-particlescatteringexperiment）是1909年汉斯·盖革和恩斯特·马斯登在欧内斯特·卢瑟福指导下于英国曼彻斯特大学做的一个著名物理实验。实验装置：

以放射性元素镭放出的α粒子，撞击薄金箔（厚度约为

10-7米），从各角度观测被散射的α粒子。实验装置（真空状态）实验结果:

绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转，有极少数α粒子的偏转超过90°，有的甚至几乎达到180°而被反弹回来，这就是α粒子的散射现象。二、原子的模型

3、卢瑟福的核式模型（行星模型）英国物理学家欧内斯特·卢瑟福（ErnestRutherford，1871～1937）于1911年提出：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核(nucleus)，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。根据α粒子散射实验，可以估算出原子核的直径约为10-15米～10-14米，原子直径大约是10-10米，所以原子核的直径大约是原子直径的万分之一，原子核的体积只相当于原子体积的万亿分之一。为了解释电子并未因原子核的吸引而落在核上,卢瑟福假定电子在轨道上与原子的吸引力相抗衡.

卢瑟福原子结构模型遭遇的困难：电子绕原子核的运动为加速度运动，因此会不断的辐射出电磁波，而使电子的动能减少，最后坠落在原子核上，无法构成一稳定的原子。波尔利用能级的概念解决卢瑟福原子结构模型遭遇的困难。上世纪初的原子模型（发现原子核之前）J.J.汤姆生的原子模型：正电荷均匀分布在一个球体内，电子镶嵌在其中某些平衡位置上，并作简谐振动。I.原子核的发现与组成1856～19401906年诺贝尔物理奖1.2原子核的组成及其稳定性

1、原子的核式模型1871～19371908年诺贝尔化学奖其他主要贡献：1919年，1920年，预言中子存在。培养了12位诺贝尔奖获奖者。1909年卢瑟福散射试验，1911年提出原子的核式模型。卢瑟福散射实验结论：正电荷集中在原子的中心，即原子核；线度为10–12cm量级，为原子的10–4量级；质量为整个原子的99.9%以上；从此建立了原子的有核模型。

原子的电中性，要求：原子核所带电量与核外电子电量相等，核电荷与核外电子电荷符号相反。即：核电荷Ze，核外电子电荷–Ze。2、中子的发现与原子核的组成

发现中子之前，人们猜测原子核是由质子和电子组成的。

这个假设可以解释原子核的质量和电荷。但也遇到了不可克服的困难。与实验和理论不符。例子：

氦核(质量数4，电荷数＋2)的大小为：

假设氦核中有电子，那么电子的德布罗意波长不能大于2d，即

由不确定关系：

由相对论方程：

得到电子能量为：对比实验这一结论不存在，所以假设不成立，即核中无电子。另外从原子核的自旋也可证明核中无电子。中子的发现1930年，德国人波特和贝克利用钋所放射的α粒子撞击铍，产生一种穿透力很强的中性射线，猜想可能为γ射线。1932年，居里夫妇的女儿伊琳与女婿朱里欧，将α粒子撞击铍，产生的中性射线照射石腊板，发现会放射出动能高达5.7MeV的质子，经计算此中性射线能量需高达52MeV。英国人查德威克认为由原子核放出的光子或粒子，一般能量仅有几MeV，不可能达52MeV，因此认为原子核所放出的射线不是γ射线，而是中子。1932年，查德威克将α粒子撞击铍，产生的中性射线照射气体原子，测量气体离子动能，求出中子的质量约等于质子的质量。实验装置α粒子从钋放射源射出后撞击铍，产生的中性射线照射氢原子与氮原子气体，测量氢原子与氮原子被撞击后的最大速度，利用弹性碰撞的动能守恒与动量守恒，求出中子的质量。3.实验原理与结果：中子质量mn

以速率vn

分別与氢离子（质量mH）及氮离子（質量mH）作正向弹性碰撞，由动量守恒及动能守恒可得即中子的质量约等于质子的质量。中子被证明是一个单一粒子。

1932年查德威克(J.Chadwick)发现中子。(据此获1935年诺贝尔物理学奖)1891～1974用粒子轰击铍，铍放射出穿透力很强的中性粒子，可以将含氢物质中的质子击出，并证明其有与质子相近的质量。实验中放出的不是高能，而是中子。核电荷数Z同时表示：核内质子数，核的电荷数，核外电子数。原子核由质子和中子组成，

中子和质子统称为核子。中子不带电。质子带正电，电量为e。电荷数为Z的原子核含有Z个质子。中子发现后，海森堡(W.Heisenberg)很快提出，原子核由质子和中子组成，并得到实验支持。1901～1976因量子力学方面贡献，获1932年诺贝尔物理奖。中子、质子和电子的质量与电荷质量(u)电荷(e)中子0质子＋1电子－1

原子核由中子和质子组成，中子不带电，质子带单位正电荷。中子和质子质量相当，分别约等于一个原子质量单位。核中中子和质子统称为核子，数目以A表示，A称为核子数或质量数，核中质子数记为Z，中子数记为N。常用如下形式表示一个原子核：实际上核素符号X和质子数Z具有唯一、确定的关系，所以用符号AX足以表示一个特定的核素。II.原子核的表示核子数A质子数Z中子数N元素符号XIII.原子核物理常用术语及意义1、核素（nuclide）

具有一定数目的中子和质子以及特定能态的一种原子核或原子称为核素。核子数、中子数、质子数和能态只要有一个不同，就是不同的核素。

两种核素，A同，Z、N不同。两种核素，N同，A、Z不同。两种核素，Z同，A、N不同。两种核素，A、Z、N同，能态不同。

某元素中各同位素天然含量的原子数百分比称为同位素丰度。

具有相同原子序数但质量数不同的核素称为某元素的同位素。(即Z相同，N不同，在元素周期表中处于同一个位置，具有基本相同化学性质。)2、同位素（isotope）和同位素丰度铀的二种同位素。氢的三种同位素；99.756%、0.039%、0.205%99.985%、0.015%3、同中子异荷素（isotone）4、同量异位素（isobar）质量数A相同，质子数Z不同的核素。

中子数N相同，质子数Z不同的核素。也称为同中子素或同中异位素。5、同质异能素（isomer）质子数Z

和中子数N

均相同，而能态不同的核素。同质异能态：同质异能素所处的能态，是寿命比较长的激发态。激发态半衰期为2.81hr。6、偶A核：奇A核：偶奇核(e-o核)、奇偶核(o-e核)。奇中子核，奇质子核。镜像核：中子数N、质子数Z互换的核素。中子数N、质子数Z均为偶数的核素。

偶偶核(e-e核)中子数N、质子数Z均为奇数的核素。

奇奇核(o-o核)IV.核素图及β稳定曲线核素图β稳定曲线核素图及β稳定曲线的特点：

１).核素图包括300多个天然存在的核素(其中稳定核素280多个，放射性核素30多个)及1600多个人工放射性核素。２).稳定同位素几乎全落在一条光滑的曲线，稳定曲线在轻核靠近Z＝N

线，而对重核则N>Z.3).偏离稳定曲线上方的核素为丰中子核素，易发生β－衰变；下方的核素为缺中子核素，易发生β＋衰变。稳定核素的奇偶分类表：ZN名称稳定核素数目ee偶偶核166eo偶奇核56oe奇偶核53oo奇奇核9

偶偶核最稳定，稳定核最多；其次是奇偶核和偶奇核；而奇奇核最不稳定，稳定核素最少。1.2原子核的大小

实验表明，原子核的线度比原子的线度10–10m小得多，为10–14~–15m量级。

原子核的形状作为一级近似可以看作球形。

由于原子核有角动量，略呈旋转椭球形。原子核的半径,根据测量方法：它们结果相近，均与A1/3

成正比。电荷半径：核力半径：核力半径和电荷分布半径。重要结论：原子核半径近似正比于A1/3，原子核体积近似正比于A。原子核的密度：代入：得：结论：原子核密度为常数，且非常大。1.3原子核的质量和结合能1、原子核结合能的概念当若干质子和中子结合成一个核时，由于是核力的作用，将释放一部分能量叫结合能。

以原子质量M表示，且忽略原子电子的结合能，得到：2、质量亏损与质量过剩质量亏损和原子核结合能是同一个物理量的质量和能量表示。它们的联系就是质能关系。原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和的，少的那部分质量称为质量亏损(MassDefect)。表示为所有的核都存在质量亏损，即

计算中，常用原子质量代替核质量：为了计算方便，定义质量过剩为：也称为质量盈余(MassExcesses)，单位为MeV，在核数据手册中可查到由它可求出原子质量

3、比结合能及比结合能曲线比结合能：（平均结合能）单位是MeV/Nu，Nu代表核子。比结合能的物理意义：

原子核拆散成自由核子时，外界对每个核子所做的最小的平均功。

或者说，它表示核子结合成原子核时，平均一个核子所释放的能量。

比结合能表征了原子核结合的松紧程度：

比结合能大，核结合紧，稳定性高；

比结合能小，核结合松，稳定性差。

比结合能曲线：裂变聚变8.797.071.1124、原子核最后一个核子的结合能原子核最后一个核子的结合能，是一个自由核子与核的其余部分组成原子核时所释放的能量。也就是从核中分离出一个核子所需要给予的能量。显然，质子与中子的分离能是不等的。原子核最后一个核子的结合能的大小，反映了这种原子核对邻近的那些原子核的稳定程度。

最后一个质子的结合能为：或最后一个中子的结合能为：或例如：最后一个核子结合能的物理意义：反映了这种原子核相对临近的那些原子核的稳定程度。表明16O与邻近的原子核17O、17F相比，稳定性要大得多。5、核结合能的经验公式原子核模型理论：

从实验入手对原子核作各种各样的设想，把它类比为人们已经熟悉的某种事物，来研究原子核的性质、结构和相互作用的规律，解释已有的实验现象(如结合能、核力、核衰变、核反应等)

，探索预告新的实验结果。在原子核的模型理论中，较早提出并且取得极大成功的模型是玻尔(N.Bohr)提