原子物理学(原子的位型卢瑟福原子模型).ppt

原 子 物 理 学 第一章 原子的位型: 卢瑟福原子模 型 第二章 原子的量子态: 玻尔模型 第三章 原子的精细结构: 电子自旋 第四章 多电子原子:泡利原理 第五章 X射线 第六章 原子核物理概论 第一章 原子的位型: 卢瑟福原子 模型 1-1 背景知识 1-2 卢瑟福模型的提出 1-3 卢瑟福散射公式 1-4 卢卢瑟福公式的实验验证 1-5 行星模型的意义及困难 1-1 背景知识 电子的发现 电子的电荷和质量 原子的大小 汤姆逊阴极射线实验 实验装置 阴极射线(C)狭缝(A,B)金属板(D,E)荧光 屏 D,E加电场 射线P1 P2 阴极射线带负 电 再加磁场 射线P2 P1 Hev=Ee v=E/H 去掉电场 射线半径r mv2/r= Hev e/m=v/Hr 1-1-1 电子的发现 1-1-2 电子的电荷和质量(1) 密立根油滴实验 (1) 测得电子电量为：e = 1.610-19 C (库仑 ) 电子质量 me = 9.110-31 kg 密立根首次发现了电荷的量子化 电荷只能是 e 的整数倍 若知H+(质子）的荷质比 1-1-2 电子的电荷和质量(2) 密立根油滴实验 (2) 原子呈中性，原子中具有带负电的电子， 必定有带正电的物质(对于氢原子，这 种带正电荷的物质称为质子) 原子 = 正电物质 + 负电物质 + 不带电物质 1-1-2 电子的电荷和质量(3) 原子质量单位 u 1u 1个12C 原子质量/12 原子质量 MA u = 原子量 u = A u 1-1-3 原子的大小 原子半径 一个原子体积 = = 一个原子的质质量 / 原子质质量密度 = 原子半径 r = 数量级：r 10-10 m = 1 1-2 卢瑟福模型的提出 原子正负电荷如何分布? 粒子散射实验 解释 粒子散射实验 1-2-1 原子正负电荷如何分布? (1) 汤汤姆逊逊原子模型 正电荷均匀分布在整个原子球体内， 电电子镶镶嵌在其中（同心球壳上）。 卢卢瑟福的核型结结构模型 原子是由带正电的原子核和核外原子是由带正电的原子核和核外 作轨道运动的电子组成作轨道运动的电子组成 1-2-2 粒子散射实验(1) 实验装置 1-2-2 粒子散射实验(2) 实验结果： 绝大多数 粒子散射角： 2 - 3 1/8000的 粒子散射角： 90 奇怪 相当于炮弹被一张纸反弹回来一样！ 1-2-3 解释 粒子散射实验(1) 带正电物质散射（汤氏模型）(1) 原子的正电荷Ze对入射的 粒子(2e)产生的力 R r 原子半径 带正电物质散射（汤氏模型）(2) 正电荷Ze对粒子(2e)的最大力 散射角 动量的变化力乘以粒子在原子度过的时间2R/v 1-2-3 解释 粒子散射实验(2) p p 1-2-3 解释 粒子散射实验(3) 带正电物质散射（汤氏模型）(3) 相对动量的变化 R 1-2-3 解释 粒子散射实验(4) 带正电物质散射（汤氏模型）(4) 电子对粒子的偏转的贡献（对头撞）(1) 动量、动能守恒 入射的粒子 散射后的粒子 散射后的电子 1-2-3 解释 粒子散射实验(5) 带正电物质散射（汤氏模型）(5) 电子对粒子的偏转的贡献（对头撞）(2) 电子引起粒子的偏转角非常小 可以说几乎没有什么贡献 1-2-3 解释 粒子散射实验(6) 带正电物质散射（汤氏模型）(6) 粒子对金的散射角 一次散射的散射角 重复散射也不会产产生大角度 重复散射为随机, 平均之后不会朝一个方 向特别不会稳定地朝某一方向散射 汤汤姆逊逊原子模型与实验实验 不符! Z=79 1-3 卢瑟福散射公式 库仑散射公式的推导 卢瑟福公式的推导 1-3-1 库仑散射公式的推导(1) 远离靶核的入射能量E,电荷Z1e的带电粒子与 电荷Z2e的靶核散射 瞄准距离 碰撞参数 散射角 1-3-1 库仑散射公式的推导(2) 库仑散射公式 库仑散射因子 1-3-1 库仑散射公式的推导(3) 假定： 单次散射 点电荷，库仑相互作用 核外电子的作用可略 靶原子核静止（靶核重，晶体结构牢固） 1-3-1 库仑散射公式的推导(4) 推导库仑散射公式 中心力角动量守恒 1-3-1 库仑散射公式的推导(5) 1-3-1 库仑散射公式的推导(6) 1-3-1 库仑散射公式的推导(7) b ; b ; b 1-3-2 卢瑟福公式的推导 (1) 粒子: b b + db - d 粒子:bb+db 圆环面积 -d空心圆锥体 粒子打 在环上的 几率? 1-3-2 卢瑟福公式的推导 (2) 靶(薄箔)厚t, 面积A，数密度n，质质量密度 环面积 粒子打在环上的几率 1-3-2 卢瑟福公式的推导 (3) 空心圆锥体的立体角 d 1-3-2 卢瑟福公式的推导 (4) 薄箔内有许多环: 核 环; 薄箔体积: At; 薄箔环数: Atn 粒子打在Atn环上,散射角 相同 一个粒子打在薄箔 上被散射到 -d 的几率 1-3-2 卢瑟福公式的推导 (5) N个粒子打在薄箔上测量到 -d 的粒子 数 微分截面(卢瑟福公式) 1-3-2 卢瑟福公式的推导 (6) 微分截面的物理意义 对于单位面积内每个靶原子核,单位入射粒子,单位 立体角内的散射粒子数 微分截面有面积的量纲,表示粒子散射到 方向 单位立体角内每个原子的有效散射截面 微分截面的单位: (m2/sr)(米2/球面度) 截面的单位: 靶恩(靶, b): 微分截面的单位: b/sr 1-4 卢卢瑟福公式的实验验证 盖革 马斯顿实验 原子核大小的估计 1-4-1 盖革 马斯顿实验(1) 同一(粒子源, 散射体) 同一(粒子源,材料的散射体,散射角) 同一(散射体,散射角) 同一(粒子源,散射角, nt) 1-4-1 盖革 马斯顿实验(2) 盖革 马斯顿实验证实了上述规律 1-4-2 原子核大小的估计(1) 1-4-2 原