原子认识的发展和结构模型.ppt

第一章原子认识的发展和结构模型 授课教师 史建君jjshi61 电话 86843241章节内容 第一节对原子认识的发展第二节原子结构模型第三节原子的基本参数附录1卢瑟福散射方法应用实例 第一节对原子认识的发展 是什麽把它们组合在一起 历史回顾 物质世界是由什麽组成的 金 木 水 火 土 阴 阳 公元前384 322年古希腊哲学家亚里士多德和泰勒斯等提出 四元素说 万物源于水自然现象归于自然物质水 空气 土 火 公元前500 400年古希腊人留基伯及其学生德谟克利特等古希腊哲学家首先提出 原子说 万物是由大量的不可分割的微粒构成的 即原子 德谟克利特 原子 在沉睡了2000多年后 科学概念球 1803道尔顿 1803道耳顿原子 科学概念球 提出近代原子学说 他认为原子是微小的不可分割的实心球体 英国化学及物理学家 电子的发現 实例 1897U K Thomson湯姆逊 1856 1940 实景照片 P6 陰極射線是帶負電的粒子 阴极射线偏向正电极 陰極射線是帶負電的粒子 阴极射线受磁场影响而偏向 Thomson 1 確認陰極射線為帶負電的電子流 稱这种粒子為電子 2 測量電子的e m值 e m 1 76 1011庫侖 公斤 实验上认定 阴极射线是负电荷粒子 荷质比是氢原子离子的1000多倍若电荷都为1个单位 则该粒子质量为氢原子的1 1800 比氢原子小很多 命名为电子 现在精确值1 1840 电子是人类发现的第一个比原子还小的粒子 从原子中出来 原子在强电场下可被打破 突破了原子是组成物质最小 砖块 的认识 促使人们向原子内部探索 掀起了 分裂原子 的热潮 汤姆逊 1887考夫曼 1890舒斯特都曾得到过类似实验结果 但由于不相信阴极射线会是由粒子组成的 特别比原子还小很多 不可思议 没有勇气发表得到的结果 其他科学家的发现 当真理碰到鼻尖上的时候还没有得到真理的人 恩格斯 道耳顿原子 科学概念球 电子的发现打破了 湯姆逊原子模型 湯姆逊 均勻分布在球體內 鑲嵌在球體內 原子的質量集中在帶正電荷的部分 汤姆逊英国物理学家 1856 1940 原子电中性 原子 正电物质 电子 汤姆逊 原子模型 把当时的实验结果和理论都综合进去了 被公认为第一个比较完整的 科学的原子模型 影响很大 电子在平衡位置做简谐振动 发射和吸收特定频率的电磁辐射 可以解释元素周期表某些事实 元素化学性质 元素光谱线的差异等 1903年 林纳 Lenard 在研究阴极射线被物质吸收的实验里发现 原子是十分空虚的 1904年 长冈半太郎在此基础上提出了 土星模型 但没有深入下去 正电荷集中于中心 电子分布在绕正电球旋转的园环上 1909至1911年 英国物理学家卢瑟福 1871 1937 和他的合作者们做了用 粒子轰击金箔的实验 否定了 汤姆逊模型 第二节原子结构模型 粒子撞击金箔的实验 放射源 探测器 背散射粒子 金箔 P12 盖革 马斯顿散射实验装置 粒子撞击金箔的实验 显微镜 放射源 镭 改进的装置 易穿过原子 只能发生小角度散射 R r r 电子的质量很小 不到 粒子的七千分之一 碰到它 就像飞行的子弹碰到一粒尘埃一样 运动方向不会发生明显的改变 粒子穿过原子时 它受到的原子内部两侧正电荷的斥力相当大一部分互相抵消 使 粒于偏转的力不会很大 每次碰撞偏转角小于10 3rad 产生90o偏转的几率约为10 3500 金箔 粒子大角度散射现象 令卢瑟福感到惊奇 产生90O偏转的实验值为1 8000 需要有很强的作用力 除非原子的大部分质量和电荷集中到一个很小的核上 否则大角度散射是不可能的 粒子 粒子的偏转 R模型 距核愈近力愈大 可能被大角度散射 原子核 原子 卢瑟福设想的原子 r 原子 行星 模型1911年 原子中心有一个带正电荷的核 它的质量几乎等于原子的全部质量 电子在它的周围沿着不同的轨道运转 就象行星环绕太阳运转一样 卢瑟福英籍新西兰人 1871 1937 E Rutherford 1871 1937 负电荷分布在原子核周围 如何分布 原子不稳定 卢瑟福散射实验结果表明 原子内正电荷集中在中心 并载有原子绝大部分质量99 99 以上叫原子核 原子内部十分空旷原子10 10米原子核10 15米 假定 如果散射仅由静电相互作用引起 则有 N N0nt Ze2 4 0mv2 2 Sin4 2 薄片厚度 原子数 cm3 介电常数8 85 10 12A s V m 散射粒子数反比于Sin4 2 公式推导 自学P14 21 卢瑟福散射公式 P14 Rutherford原子模型 类似行星绕太陽 轨道半径r可以是任意值 能量就应为連续 但是原子光谱却是一些不连续的亮线 缺陷1 无法解释原子光谱 能量是不连续 軌道半径也是不连续 He的光谱线 电子軌道的崩潰 缺陷2 无法解释原子的稳定性 园周运动为加速运动帶电粒子作加速度运动会放出能量 电子逐渐失去能量 最后会掉进原子核内正负电荷中和 原子全部崩溃 卢瑟福模型 原子光谱的经验规律 普朗克的量子假说 1900年 爱因斯坦的光子假说 1905年 1913年提出假说原子能量不连续当能级发生跃迁时 就发射出一定频率的光 尼玻尔 1885 1962 丹麦物理学家 1 量子假说依据之一 黑体辐射 黑体辐射 紫外灾难 热辐射量子 普朗克 1858 1947 德国物理学家 1918诺贝尔物理奖 P32 什么叫黑体辐射 物体对什么光都吸收而无反射 所有物体都发射热辐射 用不透明材料制成一空心容器 壁上开一小孔 这个小孔可看成绝对黑体 绝对黑体的模拟 紅外線夜視鏡 实验表明 一切物体是以电磁波的形式向外辐射能量 辐射的能量与温度有关 称之为热辐射 辐射和吸收的能量恰相等时称为热平衡 此时温度恒定不变 热电偶E T 光栅光谱仪 T 黑体 研究黑体辐射的实验装置示意图 维恩位移定律 实验发现 当绝对黑体的温度升高时 单色辐出度最大值对应的 m向短波方向移动 瑞利和琼斯用能量均分定理和电磁理论得出能量密度 维恩根据经典热力学得出 1893年 维恩得到E 的关系式 系统偏离 单位时间单位面积黑体辐射的能量 对波长极短的紫外部分辐射能量密度E 完全违背实验事实经典物理不可避免 紫外灾难 紫外灾难 1900 1905瑞利和金斯导出E 公式 即物体发射或吸收电磁辐射只能以 量子 方式进行 每个能量子的能量为 h 其中h 6 626 10 34J s称为普朗克常数 对于频率为 的电磁辐射 物体只能以h 为单位发射或吸收它 普朗克假设 1900年 能量不连续的概念与经典物理学是完全不相容的 普朗克导出了与实验结果极为符合的普朗克公式 1900 12 14 量子论诞生日 普朗克公式 利用内插法将适用于短波的维恩公式和瑞利 金斯公式衔接起来 1893年 维恩得到E 的关系式 系统偏离 1900 1905瑞利和金斯导出E 公式 单位时间单位面积黑体辐射的能量 对波长极短的紫外部分辐射能量密度E 完全违背实验事实经典物理不可避免 紫外灾难 普朗克从理论上寻找对公式的解释 发现只要假定辐射能不是连续变化 而只取某个单元能量的整数倍跳跃变化 就可做出合理解释 1900 12 14普朗克将能量不连续的假设报告了德国物理学会 热辐射能量是一个基本单位量 0 h 的整数倍 h 称做能量子即辐射能量取值n 0其中n 0 1 2 3 4 5 由此 得到的公式能够很好地与黑体热辐射实验结果符合并且短波区 维恩公式 长波区 瑞利 金斯公式 普朗克用能量子假说导出的黑体辐射公式与实验结果精确相符 成为量子论的重要依据之一 两种观点的对比 经典物理 自然界无跳跃 连续变化 新观点 自然界有跳跃 不连续 量子化 与传统认识相矛盾 令许多人难以接受 普朗克本人也非常矛盾 但是 量子论是物理概念的一次革命 一次创新 更多的实验事实被发现 发展趋势锐不可挡 普朗克试图3次修改量子论 甚至放弃自己提出的能量量子概念 力图将其纳入经典物理范畴 普朗克回忆这段经历说 花费了15年的时间 付出了巨大的精力 企图使基本作用量子与经典理论调和的努力纯属 徒劳无益 近乎一场悲剧 M Planck 1858 1947 爱因斯坦 1878 1955 爱因斯坦第一个坚持能量量子论 1905年提出光量子解释光电效应 1907年解释了热容量量子性质 Einstein 1878 1955 1905年 26岁 连续发表五篇论文 光量子论 分子尺度新测定 论动体的电动力学 等揭示了 狭义相对论 基本原理 2 量子假说依据之二 光电效应 光 R E 电子 eV0 1 2 mv2 P37 实验结果 10 9s t i 光电效应具有瞬时性 同时产生 经典物理认为吸收能量需要时间 光电流 吸收能量需要的时间 例 以光强为1 W m2的光照射到钠板上 要使电子获得1eV的能量 需要1 3a 与经典物理矛盾 是经典物理最难理解的 入射光的频率高于阈频率 才能产生光电流 否则无论光强I再大 都无光电流 与 有关 与I无关 而经典认为 有无光电效应与频率无关 Cs K Cu 0 V0 遏制电压 V0依赖于光的频率而与光强I无关 而经典认为光强越大 光电子的初动能也越大 eV0 1 2 mv2 阈频率 爱因斯坦1905年提出了光量子假设 1 电磁辐射由光量子组成 每一个光量子的能量 h 其中h是普朗克常数 2 光量子具有 整体性 一个光子只能整个地被电子吸收或放出 光电效应的量子解释 光照射到金属表面时 光子将全部能量h 传递给金属中的电子 电子克服核的束缚而成为自由电子 光电子的最大初动能只与入射光的频率有关 与光的强度无关 逸出的电子的最大初动能为 1 2 mv2 h 逸出功 0 能量Em 阈频率 频率 h 动能 动能 1 2 mv2 h 普朗克指责爱因斯坦光量子论 太极端了 爱因斯坦的光量子假设成功地解释了光电效应 1922年因光电效应获诺贝尔物理奖 光源 分光器 棱镜或光栅 纪录仪 感光底片或光电纪录器 光谱仪 3 量子假说依据之三 原子线状光谱 玻尔1913年利用量子轨道的概念成功地解释了原子线状光谱 提出了现代原子模型 光谱 电磁辐射频率成分和强度分布的关系图 He光譜 原子在不同定态之间跃迁 以电磁辐射形式吸收或发射能量 h En Em 频率规则 En Em 吸收 发射 h h E2 E3 4 德布洛依1924年提出物质波概念5 海森堡1925年创立矩阵力学 量子力学 6 薛定谔1926年创立波动量子力学量子论终于取得了胜利 卢瑟福模型 原子光谱的经验规律 普朗克的量子假说 1900年 爱因斯坦的光子假说 1905年 1913年提出假说原子能量不连续当能级发生跃迁时 就发射出一定频率的光 尼玻尔 1885 1962 丹麦物理学家 现代原子模型的建立1913 尼玻尔 1885 1962 丹麦物理学家 1912年6月12日一封信中写道 PerhapsIhavefoundoutaittleaboutthestructureofatoms 电子在原子核外空间的一定轨道上绕核做高速的圆周运动 1922年获诺贝尔物理学奖 P44 原子结构 原子壳层模型 1913年第一次提出角动量量子化H原子中的电子处于分立 定态 能级上这些电子是稳定 不辐射能量解决了原子不稳定和光谱不连续的困惑 电子云 电子出现几率的分布图 電子只能存在某些特殊的軌道上才是穩定的 在這些軌道上不會放射出電磁波 因此電子也不會損失能量 在這個假設下 原子的激發光譜自然而然也是不連續的 核外电子分层排布 电子按能量高低在核外分层排布 排布规律 电子总是尽先排布在能量最低的电子层里 K L M N O P 2 8 18 32 50 2n2 1 2 3 4 5 6 每个电子层最多只能排布2n2个电子 K层为最外层时 最多只能容纳2个电子 次外层最多不超过18个电子 其它各层为最外层时 最多只能容纳8个电子 惰性气体元素原子电子层排布 原子结构示意图1 原子结构示意图2 弗兰克 赫兹实验 玻尔理论的验证 1914年 Franck和Hertz实验发现原子经电子碰撞后吸收能量的分立性 K 热阴极 发射电子 KG区 电子加速 与Hg原子碰撞 GA区 电子减速 能量大于0 5eV的电子可克服反向偏压 产生电流 P56 非弹性碰撞 电子损失能量 激发Hg原子 弹性碰撞 电子几乎不损失能量 电子经过次加速和非弹性碰撞 能量全部损失 电流最小 K 旁热式热阴极 均匀发射电子 提高能量测量精度 KG1区 电子加速 G1G2区 电子与原子碰撞 G2A区 电子减速 1920年 Hertz测得4 9eV以上的高激发能 Franck改进实验装置 1924年 缺陷 电子动能达到4 9eV便经碰撞失去能量 无法达到更高动能 课堂练习1 1 下列原子结构示意图中 正确的是 2 某元素原子的原子核外有三个电子层 最外层有4个电子 该原子核内的质子数为 A 14B 15C 16D 173 下列叙述正确的是 A 电子在原子核外作高速圆周运动B 电子云示意图中的小黑点表示一个电子C 次外层电子数一定是2或8D 最外层只有一个电子的原子不一定是碱金属元素的原子 答案 1 B2 A3 D 课堂练习2 1 根据下列叙述 写出元素名称并画出原子结构示意图 1 A元素原子核外M层电子数是L层电子数的1 2 2 B元素原子的最外层电子数是次外层电子数的1 5倍 3 C元素的次外层电子数是最外层电子数的1 4 2 X和Y是原子序数小于18的元素 X原子比Y原子多1个电子层 X原子的最外层中只有1个电子 Y原子的最外层电子层中有7个电子 这两种元素形成的化合物的化学式是 答案 1 1 硅284 2 硼23 3 氖282 NaF 第三节原子基本参数 一 原子的质量 16 1 1 质量单位 原子质量单位u unit 12C质量的1 12 1u 1 6605402 10 27kg 931 49432Mev c2 MH 1 007825uMO 15 994915u mp 1 007276u 1eV 1个电子穿过1伏特电压差所获得的能量1eV 1 6 10 19焦耳 1keV 103eV1MeV 106eV1GeV 109eV1TeV 1012eV 1GeV约相当于蚊子飞行动能的1 1000 核科学使用的能量单位电子伏特 eV 1TeV 2 原子质量的计算 m M NA 原子质量 摩尔质量 阿伏伽德罗常数NA 6 022 1023 mol 例 1mol12C的摩尔质量为12g 故12u 12 NA1u 1 NA 1 6605402 10 27kg 一些原子的质量 二 电子的电荷和质量 1923年获诺贝尔奖 R Millikan 1868 1953 电子电荷的精确测定由密立根于1910年完成 油滴实验 e 1 60217733 10 19C 密立根发现电荷是量子化的为什么 至今仍然是一个迷 实验测得e me可以定出电子的质量为 me 9 1093897 10 31kg 0 511MeV c2 J J Thomson 1856 1940 1897年使用的放电管 荷质比的测定 V 计数 1 2 质谱仪 动能 qVMv2 qVqvH Mv2 Rq M 2Vc2 H2R2H R固定 改变V 调压法 三 原子大小的估算 A克AX原子有NA个 V 4 3 r3 r m A NA r3 3A 4 NA m V 4 3 r3 不同原子的半径 附录1卢瑟福散射方法应用实例 卢瑟福背散射分析 RBS 1卢瑟福散射实验的思考 1911由于观测到大角度散射的 粒子发现了原子核 表明大角度散射粒子载有原子核大小的信息 散射粒子是否还载有其他信息呢 背散射 90 前向散射 基本思想 用 炮弹 轰击研究 对象 分析实验现象和结果 推知弹与靶有关信息 2卢瑟福散射理论指出 0 180 90 E 7Li 12C 27Al 197Au 散射能量损失 E E0 Eb 散射角 在一定的实验条件下 散射 粒子能量EbEb Mi Zi 90 散射 粒子能量差别大背散射 粒子能量和强度 数目 载