原子物理学第一章.ppt

第一章：原子的位形：卢斯福模型 第一节 背景知识 第二节 卢斯福模型的提出 第三节 卢斯福散射公式 第四节 卢斯福公式的实验验证 第五节 行星模型的意义及困难 Automic Physics 原子物理学 第一节：背景知识 第一章：原子的位形：卢斯福模型 “原子”一词来自希腊文，意思是“不可分割的”。 在公元前4世纪，古希腊哲学家德漠克利特(Democritus) 提出这一概念，并把它看作物质的最小单元。 定比定律： 倍比定律： 元素按一定的物质比相互化合。 若两种元素能生成几种化合物， 则在这些化合物中，与一定质量 的甲元素化合的乙元素的质量， 互成简单整数比。 在十九世纪，人们在大量的实验中认识了一些定律 1893年道尔顿提出了他的原子学说，他认为: 1.一定质量的某种元素，由极大数目的该元 素的原子所构成； 2.每种元素的原子，都具有相同的质量，不 同元素的原子，质量也不相同； 3.两种可以化合的元素，它们的原子可能按 几种不同的比率化合成几种化合物的分子。 原子学说逐渐被人们接受以后，又面临着新的问题： 原子有多大？ 原子的内部有什么？ 原子是最小的粒子吗？ 原子量 各原子质量不同，而且极小。 常用它们质量的相对值，把炭在自然界 最丰富的一种同位素12C的质量定义为12个单 位（12u）。 其他原子的质量与12C比较，定出质量相 对值，既原子量。H：1.0079 u C：12.011u 原子质量： 对于原子量为A的原子， 假设某固体元素的原子是球状的，半径为r米，原 子之间是紧密地堆积在一起的。若该元素的原子 量为A，原子的质量密度为 那么A克原子的总体积为 一个原子占的有体积为 ， 所以原子的半径 原子半径： 元素 原子量 A(u) 质量密度 r (g/cm3) 原子半径 r(nm) Li 7 0.7 0.16 Al 27 2.7 0.16 Cu 63 8.9 0.14 S 32 2.07 0.18 Pb 207 11.34 0.19 不同原子的半径 1897年，汤姆逊从阴极射线发现了带负电 的电子,并测得了e/m比。 1910年，密立根油滴实验： 电子电量： e =1.6021019（c） 电子质量：me=9.1091031kg =5.48710 4u B _ + E 电子 Thomson模型 原子中正电荷均匀分布在原子 球体内，电子镶嵌在其中。 原子如同西瓜，瓜瓤好比正电 荷，电子如同瓜籽分布在其中。 第二节：卢斯福模型的提出 a 粒子散射实验 为检验汤姆逊模型是否正确,卢瑟福于1911年设 计了a 粒子散射实验 被散射的粒子大部分分布在小角度区域，但是 大约有1/8000的粒子散射角 90度，甚至达到 180度,发生背反射。a粒子发生这么大角度的散射 ，说明它受到的力很大。 例如：EK=5.0 MeV ， Z(金)=79 ，qmax0.057o 要发生大于90o的散射，需要与原子核多次碰撞，其几 率为10-3500。但实验测得大角度散射的几率为1/8000 问题：是否是由于和电子的碰撞？ 卢瑟福说：“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，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，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。” Rutherford模型的提出 第三节：卢斯福散射公式 库仑散射公式 1. 假定只发生单次散射 2. 假定粒子与原子核之间只有库仑力 3. 忽略核外电子的作用 4. 假定原子核静止。（以后会给出修正）。 库仑散射公式 b：瞄准距离 库仑散射因子： a 粒子： b与q之间有着对应关系，瞄准距离 b减小，则 散射角q 增大，特例： 在质心参考系（静止）求解较为方便。作修正： 1) 将q 角理解为质心系中的散射角。 2) E理解为质心系能量 ma M r1r2 O 讨论： 在小角度散射下，当a粒子进入原子中时,由于内层 电子对核的屏蔽作用,这时a粒子感受到非库仑力的 作用,上公式不再成立； 考虑核的反冲运动时,必须作两体问题处理 maM r1r2 O 定义： Rtherford公式 库仑散射公式：是否正确不能从实验直接检验。 假设：只有一 个靶原子核(合 理性） q q dq 之间的圆锥体 环的面积： dq 对应的空心圆锥体的立体角： 考虑所有靶原子核：对任何一个靶原子核而言,只 要瞄准距离 b 在 bb+db 之间, a 粒子必然被散射 到qq-dq方向. 设靶的总面积为 A，靶的厚度为 t， 靶上单位体积 内有n个原子核, 总原子核为nAt个 只有一个靶原子核 相应于d立体角的总散射面积为 对一个a 粒子,被散射到d内的几率为： 卢斯福散射公式，散射实验的测量成为可能 微分截面 在靶的单位面积内的每个靶原子核，将a 粒子散 射到方向单位立体角的几率。 将粒子散射到q p的几率： 问题：将粒子散射到q1度到q2度内的几率？ 物理意义： 1 . 在金箔引起的a粒子散射实验中,每10000个对准 金箔的a粒子中发现有4个粒子被散射到角度大于5 的范围内.若金箔的厚度增加到4倍,那么被散射的a粒 子会有多少？ A. 16 B8 C.4 D.2 2. 在同一a粒子源和散射靶的条件下观察到a粒子 被散射在90和60角方向上单位立体角内的粒子数 之比为： A4:1 B. sqrt(2):2 C.1:4 D.1:8 3. 在a粒子散射实验中,若把a粒子换成质子,要 想得到a粒子相同的角分布,在散射物不变条件下 则必须使： A质子的速度与a粒子的相同； B质子的能量与a粒子的相同； C质子的速度是a粒子的一半； D质子的能量是a粒子的一半。 作业 P28：2，5，6 原子量：查P454 金的密度：19.3 g/cm3 第四节：卢瑟福公式的实验验证 一、预言 a 粒子，Z1=2： 1. 2. 3. 4. 取决于q, E, t, Z2 可以测定 Z2 二、卢瑟福公式实验装置 1913年 ，盖革与马 斯顿利用如 图的仪器进 行实验，结 果表明上述 四点都与实 验吻合。 入射粒子与原子核的最小距离 rm 为核的大小 三、原子核大小的估计 考虑靶核的运动，对心碰撞时 粒子最接近靶核时，粒子与靶核具有相同的速度v 损失的动能 质心系能量 例如：镭的a粒子速度0.064c 对于金靶核，a=30 fm 对于铜靶核，a=12 fm 作业 3，4 能量守恒： 质心系能量 第五节：行星模型的意义及困难 原子的核式结构：其正 确性毋庸置疑，但是也 带