绪论-第一章-原子的核式结构.ppt

1 原子物理学 黄忠兵教授办公室 物电学院十楼 1006湖北大学计算材料研究中心电话 88663797电邮 huangzb 2 参考书目 1 原子物理学 杨福家编著高等教育出版社2000 72 原子物理学 陈宏芳编2006年科学出版社3 量子物理 赵凯华罗蔚茵2001年高等教育出版社 3 学习要求 认真预习教材内容上课认真听课 积极思考复习所学内容 独立完成课外作业相互讨论 勇于提出问题 4 课程说明 原子物理学是物理学专业的一门重要基础课程 它上承经典物理 下接量子力学 属于近代物理的范畴 在内容体系的描述上 原子物理学采用了普通物理的描述风格 讲述量子物理的基本概念和物理图象 并利用量子力学的思想和结论 讨论物质结构在原子 原子核以及基本粒子等结构层次的性质 特点和运动规律 5 目录绪论第一章原子的基本状况第二章原子的能级和辐射第三章量子力学初步第四章碱金属原子第五章多电子原子第六章磁场中的原子第七章原子的壳层结构第八章X射线第十章原子核第十一章基本粒子 6 教学内容一 原子物理学的研究对象 内容二 原子物理学的发展历史三 原子物理学的地位 作用和研究前景 绪论 7 一 原子物理的研究对象 内容 研究对象研究物质在原子层次内由什么组成 它们如何作用 发生什么样的运动形态的理论 即主要研究原子结构与性质及有关问题 它是关于物质微观结构的一门科学 研究内容由原子物理和原子核两部分组成 原子物理部分从原子光谱入手 研究价电子的运动规律 从元素周期律和X射线入手研究内层电子的运动规律和排布 原子核部分主要研究核的整体性质 核力 核模型 核衰变 核反应 核能的开发和利用 以及基本粒子的一些知识 8 二 原子物理学的发展历史1 古代的原子论 中国古代的原子论战国时期 墨家 端 体之无序最前者也古希腊的原子论公元前四世纪 德谟克利特 提出原子的概念2 近代原子说1666牛顿 光谱的发现1807道尔顿 化学上的定比定律和倍比定律 1 每种元素的原子 都具有相同的质量 不同元素的原子 质量各不相同 2 两种可以化合的元素 它们的原子可能按几种比率化合成几种化合物的分子 1826布朗 布朗运动1869门捷列夫 元素周期律3 19世纪末 20世纪初的原子说1895X 射线1896放射性1897电子1911卢瑟福 原子的核式模型1913玻尔 原子的量子理论4 量子力学和现代原子物理学 9 三 原子物理学的地位 作用和研究前景1 原子物理学在材料科学中的应用2 原子物理学在宇观研究领域中应用 星际分子 宇宙起源等3 原子物理学在激光技术及光电子研究领域的应用4 原子物理学在生命科学领域中的应用5 原子物理学化学研究领域的应用 四 学习原子物理学应注意的问题1 科学是逐步地不断地发展的2 对微观体系不能要求都按宏观规律来描述 10 第一章原子的基本状况 11 教学内容 1 1原子的质量和大小 1 2原子的核式结构模型 12 重点 粒子散射实验库仑散射公式卢瑟福散射公式原子的核式模型 难点库仑散射公式卢瑟福散射公式推导 13 1 1原子的质量和大小 一 原子的质量二 原子的大小三 原子的组成 14 1 不同的原子有不同的质量 2 原子质量单位 碳单位 12u u为原子质量单位 H 1 078252uHe 4 0026036u 一 原子的质量 A 以克为单位时 一摩尔原子的质量 N0 阿伏加德罗常数 6 022x1023 mol 15 二 原子的大小 将原子看作是球体 其体积为 一摩尔原子占体积为 原子的半径为 例如Li原子A 7 0 7 rLi 0 11nm Pb原子A 207 11 34 rPb 0 16nm 是原子质量密度 气体分子运动论 范德瓦尔斯方程 分子平均自由程 16 表1 1几种元素原子半径的大小 17 三 原子的组成 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 1910年密立根用油滴做实验发现了电子的电量值为e 1 602 10 19 c 从而电子质量是me 9 109 10 31kg 0 511MeV c2 5 487 10 4u原子是由电子和原子核组成的 这是卢瑟福在1911年提出的原子模型 18 1 电子的电荷和质量 电子的经典半径的上限 re 2 8179380 0 0000070 10 15m 这是根据电子质量起源于电磁场的假设求得的电子半径 2 电子的大小 电子是一切原子的组成部分之一 电荷 e 1 6021892 0 0000040 10 19c质量 me 9 109534 0 00049 10 31kg 电子的质量随速度变化 但电量不随速度变化 19 1 2原子核式结构模型 一 汤姆逊原子模型二 粒子散射实验三 原子核式结构模型 卢瑟福模型四 库仑散射五 卢瑟福散射公式及实验验证六 粒子散射实验的意义及卢瑟福模型的困难 20 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 西瓜 模型 一 汤姆逊原子模型 21 该模型对原子发光现象的解释 汤姆孙模型 22 二 粒子散射实验 检验汤姆逊模型的正确性 目的 原理 带电粒子射向原子 探测出射粒子的角分布 23 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 代刻度圆盘C 光滑套轴T 抽空B的管M 显微镜 实验装置和模拟实验 24 大多数散射角很小 约1 8000散射大于90 极个别的散射角等于180 结果 25 由于M me 粒子受电子的力而引起的速度或方向改变很小 可以忽略不计 粒子在汤姆逊模型中的受力情况 26 按照布丁 西瓜 模型 原子只对掠过边界 R 的 粒子有较大的偏转 27 例如 EK 5 0MeV Z 金 79 max 10 3弧度 0 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 为此 卢瑟福提出了原子核模型 正电荷集中在原子中心 用卢瑟福自己的话说 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 28 三 原子核式结构模型 卢瑟福模型 原子序数为Z的原子的中心 有一个带正电荷的核 原子核 它所带的正电量Ze 它的体积极小但质量很大 几乎等于整个原子的质量 正常情况下核外有Z个电子围绕它运动 29 30 四 库仑散射 1 库仑散射角公式2 核大小的估算3 一些讨论 31 1 核库仑散射角公式 动能为EK的 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 32 假设 1 将卢瑟福散射看作是 粒子和原子核两个点电荷在库仑力作用下的两体碰撞 忽略原子中的电子的影响 2 在原子核质量M m 粒子质量 时 可视为核不动 于是问题化为单质点m在有心反平方库仑斥力作用下的运动问题 33 我们关心从无限远来的 粒子 初态 经库仑力作用后又飞向无穷远的运动状态 末态 由机械能守恒有Pf Pi mv在作用区动量的变化 P可由库仑力的冲量定理给出 在有心力场中角动量守恒 将代入上式积分 称库仑散射公式 其中 34 粒子的散射角与瞄准距离的关系 35 例题 36 2 核大小的估算 取轨道近日点距作为核大小的量度 在近日点有 rm 特别是当 rm a 37 rm 3 10 14m 金 rm 1 2 10 14m 铜 rm 2 10 14m 银 放出的 粒子 150 理论仍然有效 V 0 064C金薄箔Z 79 计算出 38 原子半径数量级为10 10米 原子核半径数量级为10 15 10 14米 相差4 5个数量级 面积相差8 10个数量级 体积相差12 15个数量级 若把原子放大到足球场地那么大 则原子核相当于场地中心的一个黄豆粒 可见原子中是非常空旷的 39 库仑散射公式只在库仑力作用下才成立 在小角度散射下 当 粒子进入原子中时 由于内层电子对核的屏蔽作用 这时 粒子感受到非库仑力的作用 上公式不再成立 当rm R核 r 时 核力作用将影响散射 公式也不成立 考虑核的反冲运动时 必须作两体问题处理 引入折合质量可化为 在固定力心库仑场中的运动 故散射公式不变 但公式中 3 一些讨论 40 例题 41 42 1 卢瑟福散射公式的推导2 卢瑟福散射公式的实验验证 五 卢瑟福散射公式及实验验证 43 1 卢瑟福散射公式的推导 实验并不能观测单个 粒子的散射过程 卢瑟福散射实验是将放射源 如214Po 在单位时间内放出的n个 粒子均匀射向面积为A的靶面上 经核库仑力一次散射在 方向上 其中有dn个 粒子散射在 d 圆锥壳内 并被接收探测 所以可测量是dn n百分比或几率 见图 44 卢瑟福散射公式 d 2 b db 45 rd rsin 卢瑟福的散射公式 46 是入射粒子被一个靶原子散射到之间的那么一个立体角内的散射截面 它表示每个靶原子对散射的贡献 称为一个原子的散射截面或有效截面 若散射方向限于极小的立体角范围内 则定义微分散射截面如下 散射截面和微分散射截面 微分散射截面 代表靶面内每个靶核将入射粒子散射在 方向单位立体角内的几率 47 五 卢瑟福理论的实验验证 设薄膜靶的面积为A 厚度为t 原子密度为N则薄膜中的原子数为 N NAt 总散射截面是 48 可以预言下列四种关系 49 2 用同一 粒子源和同一种材料的散射物 在同一散射角 3 用同一个散射物 在同一个散射角 4 用同一个 粒子源 在同一个散射角 对同一Nt值 1 在同一 粒子源和同一散射物的情况下 50 表1 2 粒子在不同角度上的散射 表1 3 粒子散射与其初速的关系 v 4的相对值闪烁数dn dn v41 024 7251 2129 0241 5033 4221 9144232 8481284 32101239 2225528 表1 4原子正电荷数的测定 铜银铂原子序数294778原子正电核数测定29 346 377 4 51 a 卢瑟福散射公式是库仑作用力的结果 任何非库仑作用都将失效 b 散射公式是在靶核不动前提下给出的 若考虑靶核的反冲运动 需作相应的修正 EK EK c c 几点说明 c 仅对薄靶才有效 d 大角散射是一次散射的结果 仅对大角 45 有效 当 45 时 理论与实验偏离很大 52 六 粒子散射实验的意义及卢瑟福模型的困难 1 通过实验解决了原子中正 负电荷的排布问题 建立了一个与实验相符的原子结构模型 使人们认识到原子中的正电荷集中在核上 提出了以核为中心的概念 从而将原子分为核外与核内两部分 并且认识到高密度的原子核的存在 在原子物理学中起了重要作用 一 意义 2 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 3 粒子散射实验还为材料分析提供了一种手段 53 二 困难 1 原子稳定性问题2 原子的同一性问题3 原子的再生性问题4 原子线状光谱问题 54 一 汤姆逊原子模型二 粒子散射实验三 粒子散射理论四 卢瑟福原子模型五 原子核半径的估算六 对 粒子散射实验的说明七 粒子散射实验的意义及卢瑟福模型的困难 小结 55 1 3同位素 同位素定义 同位素是指原子序数相同 而质量数不同的各种原子 其他定义 质子数相同 中子数不同的元素就叫同位素 特点 相同的化学性质 在周期表中处于同一地位 56 几种元素的同位素 57 同位素的质量和相对含量可由光谱学的方法加以测量 另有一类利用磁场和电场对离子径迹的作用和方法 这样的装置的仪器称作质谱仪和质谱计 前者主要是测量各种同位素的质量的 也可以从而估计含量 后者主要是用来辨认同位素和测量含量的 58 同位素应用 PET PositronEmissionTomography 正电子发射断层成像原理 利用加速器生产的超短半衰期同位素标志化合物 小分子 作为示踪剂注入人体 参与体内的生理生化代谢