原子物理学凤尔银第一章原子的基本状况.ppt

第一章 原子的基本状况,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：1.0079 C：12.011 O：15.999 Cu：63.54,2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=6.0221023/mol,对氢原子：MH =1.6736710-27kg,3、阿佛加德罗常数No,No是联系微观物理量与宏观物理量的纽带。 例：No k=R 普适气体常数R，k：玻尔兹曼常数 No e=F 法拉第常数F=96486.7 C/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。,二.原子的大小量级,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10-10 m即的量级。,三.关于电子,1电子的发现,1874年,Stoney提出电荷的最小单位,1881年,Stoney命名电量子为电子,1899年,Thomson测量 和,J. J. Thomson (1856-1940),R. Millikan (1868-1953),1897年汤姆逊从如右图放电管中的阴极射线发现了带负电的电子,并测得了e/m比。,2电子的电量和质量,（1）加电场：P1-P2 阴极射线带负电,（2）再加磁场：P2-P1,（3）去电场：射线成一圆形轨迹,可求电子的荷质比 e/m,e =1.6021019（c） me=9.1091031kg,3电子的大小,质子质量：,从电子的静电固有能估计电子的经典半径：,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“布丁”模型。,1.2 粒子的散射实验和原子的核模型,一.汤姆逊原子模型,为研究原子内部的结构和电荷分布，人们很自然的想利用高速粒子去轰击原子，根据入射粒子的散射情况来了解原子内部的情形。,二. 粒子散射实验,1896年，贝克勒尔发现了放射性现象，一种带正电的射线叫 射线。卢瑟福对 射线作了系统的研究，确认 射线实际上是高速运动的He+离子（1908，他还发现了用粒子打在荧光屏上，通过对发光次数的计数来确定粒子的数目。,散射：粒子流射入物体，与物体中的粒子相互作用，沿各个方向射出的现象。,卢瑟福1871年8月30日生于新西兰的纳尔逊，毕业于新西兰大学和剑桥大学。 1898年到加拿大任马克歧尔大学物理学教授，达9年之久，这期间他在放射性方面的研究，贡献极多。1907年，任曼彻斯特大学物理学教授。1908年因对放射化学的研究荣获诺贝尔化学奖。1919年任剑桥大学教授，并任卡文迪许实验室主任。1931年英王授予他勋爵的桂冠。1937年10月19日逝世。,1.设计思想,粒子散射应当与原子内部正电荷分布情况相关！,“在我年轻时，我观察过 粒子的散射，并且盖革博士（助手）在我的实验室中仔细地研究了它。他发现在重金属薄片中 粒子的散射一般是微小的，约一度左右。有一天盖革走过来对我说，你是否认为跟我搞放射性方法的年轻人马斯登应该开始作一点研究？我说，为什么不让他查看一下是否 粒子能有大角度的散射？。” 卢瑟福,( a) 侧视图,(b) 俯视图,R:放射源 F:散射箔 S:闪烁屏 B:圆形金属匣 A:带刻度圆盘 C:光滑套轴 T:抽空B的管 M:显微镜,实验装置和模拟实验,2、实验装置及结果,结果：。绝大多数散射角小于2度；约1/8000 散射角大于90度，有的几乎达180度。 大角散射是值得注意的现象。,“然后，我记得是在两三天以后，盖革十分兴奋地跑来告诉我，我们已经能够看到某些散射粒子向后方跑出来了那直是我一生中从未有过的最难以置信的事件，它几乎就象你用15吋的炮弹射击一张薄纸，结果炮弹返回来击中了你那样也令人难以置信！” 卢瑟福,汤姆逊提出原子的布丁(pudding)模型,认为正电荷均匀分布 在半径为R 的原子球体内,电子像布丁镶嵌在其中,如下左图,3、汤姆逊原子模型解释大角散射的困难,布丁模型,核心模型,按照布丁模型，原子只对掠过边界（R）的粒子有较大的偏转。,EK=5.0 MeV ， Z(金)=79 ， max10-3弧度0.057o。,布丁模型下，单次碰撞不可能引起大角散射！,多次散射呢？,多次散射引起的偏转角仍很小，在1度左右。,要发生大于90o的散射，需要与原子核多次碰撞，其几率为10-2000!远小于实验测得的大角度散射几率1/8000 。,“而当我做出计算时看到，除非采取一个原子的大部分质量集中在一个微小的核内的系统，否则是无法得到这种数量级的任何结果的，这就是我后来提出的原子具有体积很小而质量很大的核心的想法。” 卢瑟福,三、卢瑟福的原子模型及卢瑟福散射公式,1、卢瑟福的原子核式模型 1911年提出：原子由带正电荷并几乎占有全部质量的微小中心核以及绕核运行的电子所组成。,定性解释：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粒子散射实验。,2、卢瑟福散射公式,假定：单次散射；仅考虑粒子-核库仑排斥；靶核不动,（1）单个粒子被单个核散射情形,粒子从无穷远以瞄准距离b射向原子核;在核库仑力作用下,偏离入射方向飞向无穷远,出射与入射方向夹角称散射角。这个过程称库仑散射。,库仑散射公式。,散射角与瞄准距b 有关。,问题：b 不能直接测量，实验可测散射到-+d的粒子数。,那些瞄准距在b-b+db间，或者说， 凡通过d环形面积的粒子，散射后必定射向-+d对应的空心锥壳。 粒子射到-+d角度的几率正比于环形面积。,d,卢瑟福散射公式,d：称为原子核的有效散射截面。具有面积量纲。,（2）粒子被靶散射到-+d的总截面,设 N 为靶的单位体积原子数，靶厚t，靶被打中的面积A。假设靶原子对射来的粒子前后互不遮蔽（对薄的金属箔成立）。则与一给定立体角d相应的总散射截面：,d= NtA * d,（3）n个粒子中被靶散射到-+d的粒子数dn,d：代表了一个粒子被一个核散射到-+d之间那么一个立体角d内的几率，故有效散射截面也称做几率。d的物理意义.,3、卢瑟福散射公式的实验验证,1）同一 粒子源，同一个靶,2）同一粒子源，同一种材料的靶，同一散射角,3）同一个靶，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,1）-3）1913年盖革马斯顿实验； 4）1920年查德维克实验,思考：1、如何理解卢瑟福散射公式在00时发散？以及在小角度时符合不好？ 2、 考虑靶的运动，卢瑟福公式如何写？,四、原子核大小估计,取粒子达到离原子核最近的距离，作为原子核半径上限的估计值。,能量守恒定律,角动量守恒定律,此时径向速度为零！,由上两式及库仑散射公式可得,对铜箔散射， =180时，卢瑟福公式成立， 粒子能量5.3Mev，z=29，则 rm =1.5810-14m,时，,对金箔散射， =150时，卢瑟福公式成立， 粒子速度v=0.064c，z=79，则rm =310-14m 。,实际核的半径必小于这里的值，后来从其它实验测定量级在10-14m10-15m 范围。,五、卢瑟福模型的意义与困难,意义：,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;,粒子散射实验还为材料分析提供了一种手段。,建立了一个与 实验相符的原子结构模型;,伟大的创造，经常在解决老问题的同时，又孕育