原子核式模型

原子核式模型第一页，共二十八页，编辑于2023年，星期二1811年Avogadro化学原子学说1803年Dalton化学反应中，原子不可分解，性质不变；不同元素的原子不同，每种原子有确定原子量。气体由分子组成，分子由原子组成。1869年Mendeleev原子量大小发现元素周期律，预言新元素现代原子学说同温同压的同体积气体含相同数目的分子。19世纪末三大发现——X射线、放射性和电子第二页，共二十八页，编辑于2023年，星期二原子是物质结构的一个层次，介于分子和原子核之间。原子本身也是有结构的。1911年Rutherford原子核式结构模型1913年Bohr原子量子理论解释氢光谱1924-1927量子力学诞生成功解释原子现象问题：组分?结构和相互作用?内部运动?第三页，共二十八页，编辑于2023年，星期二卢瑟福核式模型一、电子（electron）的发现1894年，Stoney命名阴极射线粒子为电子1897年，Thomson证实阴极射线由负电微粒组成真空放电管中阴极射线在电场、磁场中的偏转真空放电管中阴极射线在电场、磁场中的偏转测出了阴极射线的荷质比：e/me；（e/me）>1000（eH/mH），阴极射线不是离子束，而是电子束。这种粒子是各种元素的原子都有的，共同的，是物质的一个组成部分第四页，共二十八页，编辑于2023年，星期二AP1P2SOP阴极射线实验装置示意图阴极射线管第五页，共二十八页，编辑于2023年，星期二1909年，Millikan油滴实验精确测定1899年，Thomson利用云雾室测量和Millikan油滴实验测出单个电子的电荷第六页，共二十八页，编辑于2023年，星期二J.J.Thomson(1856-1940)inrecognitionofthegreatmeritsofhistheoreticalandexperimentalinvestigationsontheconductionofelectricitybygases

TheNobelPrizeinPhysics1906TheNobelPrizeinPhysics1923forhisworkontheelementarychargeofelectricityandonthephotoelectriceffectR.Millikan(1868-1953)第七页，共二十八页，编辑于2023年，星期二原子中存在一定数量的电子，带负电。原子电中性，必定带有相同电量的正电荷，承担了绝大部分质量。正电部分和电子如何分布与相对运动？第八页，共二十八页，编辑于2023年，星期二汤姆逊(Thomson)发现电子之后,对于原子中正负电荷的分布他提出了一个模型：原子中带正电荷均匀分布在整个原子空间,电子镶嵌在其中。原子的模型之Thomson原子模型同时该模型还进一步假定，电子分布在分离的同心环上，每个环上的电子容量都不相同，电子在各自的平衡位置附近做微振动。可以发射电磁辐射，而且各层电子绕球心转动时也会发光。这对于解释当时已有的实验结果、元素的周期性以及原子的线光谱，似乎是成功的。Thomson模型的失败：与α粒子散射实验结果不符合。第九页，共二十八页，编辑于2023年，星期二“就像一枚15英寸的炮弹打在一张纸上又被反射回来一样”E.Rutherford(1871-1937)1909年，Geiger和Marsden发现粒子经原子散射后散射角大于的概率约为1/8000，甚至达到180粒子散射实验真空室粒子源散射箔抽气管闪烁计数器α粒子源铂箔Geiger计数器俯视图第十页，共二十八页，编辑于2023年，星期二Thomson模型大于90度角散射概率估算电子的质量很小，对α粒子（2e)运动的影响可以忽略；只考虑原子中均匀分布的正电荷对α粒子的影响第十一页，共二十八页，编辑于2023年，星期二对Au，Z=78，取Eα=5MeV第十二页，共二十八页，编辑于2023年，星期二T模型R模型易穿过原子，只能发生小角度散射。距核愈近力愈大，可能被大角度散射。Thomson原子模型Rutherford核式模型第十三页，共二十八页，编辑于2023年，星期二库仑散射公式具有确定能量的一粒子均匀入射，研究散射粒子的角分布瞄准距离散射角粒子反射2、卢瑟福散射公式大角度散射：只要考虑粒子与原子核的相互作用第十四页，共二十八页，编辑于2023年，星期二有心力作用，粒子对原点（原子核）的角动量守恒在y方向动量的改变两式相乘第十五页，共二十八页，编辑于2023年，星期二库仑散射公式第十六页，共二十八页，编辑于2023年，星期二第十七页，共二十八页，编辑于2023年，星期二瞄准距离在b和b-db间的入射α粒子束，都被散射到θ与θ+dθ间的立体角内（空心圆锥立体角）Rutherford散射公式（大量α粒子对大量靶原子的散射）第十八页，共二十八页，编辑于2023年，星期二Rutherford公式第十九页，共二十八页，编辑于2023年，星期二瞄向dσ的α粒子都被散射到dΩ立体角内，而dσ是一个原子核周围的圆环的面积，瞄向dσ的α粒子越多，被散射到dΩ立体角内的α粒子越多，在入射的α粒子密度不变的情况下，dσ越大，被散射到dΩ立体角内的α粒子越多，即每一个α粒子被散射到dΩ立体角内几率越大。dσ被称为有效散射截面，或微分截面。第二十页，共二十八页，编辑于2023年，星期二靶：很薄的金属箔，核不相互遮掩，都起散射作用。入射粒子最多被散射一次。铂金箔，面积为A，厚度为t，单位体积所含原子数为N箔上总原子数为:n个α粒子射到箔上，dn个入射到dσ中，散射到方向的几率为:被散射到dΩ立体角内的α粒子数为:第二十一页，共二十八页，编辑于2023年，星期二实验中，探测器对散射粒子所张的立体角是常数α粒子源铂金膜Geiger计数器第二十二页，共二十八页，编辑于2023年，星期二3、散射公式讨论：由实验条件给定的参数(n,E,N,t,Z)，就可以给出理论预期的值第二十三页，共二十八页，编辑于2023年，星期二4、盖革－马斯登实验（1913年）验证：靶不变，粒子能量不变改变靶厚改变粒子能量改变靶材1920年Chadwick改进仪器，测靶材原子序数实验确认“核式模型”的正确性第二十四页，共二十八页，编辑于2023年，星期二α粒子散射实验否定了汤姆逊的原子模型，根据实验结果，卢瑟福于1911年提出了原子的核式模型。原子中心有一个极小的原子核，它集中了全部的正电荷和几乎所有的质量，所有电子都分布在它的周围。卢瑟福核式模型第二十五页，共二十八页，编辑于2023年，星期二关于小角散射的问题原因：小角散射对应于较大的瞄准距离b；此时入射的粒子距核较远，在粒子与核之间有电子，而电子所带的电荷对核的电场有屏蔽作用，即粒子所感受到的有效电场要小。Rutherford散射公式中的核电荷数Z应当以有效核电荷数代替。靶原子之间不再互不遮蔽，小角度散射必定是多次散射的结果。忽略电子屏蔽作用，对小角度散射不适用假定原子核不动，如考虑原子核的反冲质心系坐标卢瑟福公式第二十六页，共二十八页，编辑于2023年，星期二