第一章 原子的核式结构.ppt

第一章原子的核式结构,内容：1、汤姆孙原子结构模型,2、原子的核式结构,3、卢瑟福散射理论,4、原子的组成和大小,5、卢瑟福核式结构的意义和困难,重点：原子的核式结构、卢瑟福散射理论,1.1汤姆孙原子结构模型,一电子的发现,1897年，汤姆逊通过阴极射线管的实验发现了电子，并进一步测出了电子的荷质比:e/m汤姆逊被誉为:“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人.”,图汤姆逊正在进行实验,图2阴极射线实验装置示意图,加电场E后，射线偏转，阴极射线带负电。再加磁场H后，射线不偏转，。去掉电场E后，射线成一圆形轨迹，求出荷质比。,微粒的荷质比为氢离子荷质比的千倍以上阴极射线质量只有氢原子质量的千分之一还不到电子,1890年，曼彻斯特大学物理学教授A.休斯脱（Schuster，1851-1934）就曾研究过氢放电管中阴极射线的偏转，并且算出构成阴极射线微粒的荷质比为氢离子荷质比的千倍以上。但他不敢相信自己的测量结果，而觉得“阴极射线质量只有氢原子质量的千分之一还不到”的结论是荒谬的；相反他假定阴极射线粒子的大小与原子一样，而电荷比氢离子大。1897年德国W.考夫曼（Kaufman，1871-1947）做了类似的实验，他测到的远比汤姆逊的要精确，与现代值只差1%，他还观察到了e/m值随电子速度的改变而改变（，爱因斯坦1905年在相对论中预言），但是，他当时没有勇气发表这些结果：他不承认阴极射线是粒子的假设。直到1901年，他才把结果公布于世。,电子电荷的精确测定是在1910年由R.A.密立根（Millikan）作出的，即著名的“油滴实验”。,e=1.6021773310-19C，m=9.109389710-31kg。,质量最轻的氢原子：1.67310-27kg原子质量的数量级：10-27kg10-25kg,A：以克为单位时,一摩尔原子的质量.。N0:阿伏加德罗常数。(6.0221023/mol),原子的半径10-1m（0.1nm）,二、汤姆逊原子模型布丁模型,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”模型原子中正电荷和质量均匀分布在原子大小的弹性实心球内，电子就象西瓜里的瓜子那样嵌在这个球内。,该模型对原子发光现象的解释电子在其平衡位置作简谐振动的结果，原子所发出的光的频率就相当于这些振动的频率。,1.2原子的核式结构(卢瑟福模型),一盖革马斯顿实验,实验结果：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。,(a)侧视图(b)俯视图。R:放射源；F:散射箔；S:闪烁屏；B:金属匣,粒子：放射性元素发射出的高速带电粒子，其速度约为光速的十分之一，带+2e的电荷，质量约为4MH。散射：一个运动粒子受到另一个粒子的作用而改变原来的运动方向的现象。粒子受到散射时，它的出射方向与原入射方向之间的夹角叫做散射角。,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卢瑟福的话,二汤姆逊模型的困难,近似1：粒子散射受电子的影响忽略不计，只须考虑原子中带正电而质量大的部分对粒子的影响。,当rR时，原子受的库仑斥力为：当rR时，原子受的库仑斥力为：当r=R时，原子受的库仑斥力最大：,近似2：只受库仑力的作用。,粒子受原子作用后动量发生变化：最大散射角：,大角散射不可能在汤姆逊模型中发生,散射角大于3的比1%少得多；散射角大于90的约为10-3500.必须重新寻找原子的结构模型。,解决方法：减少带正电部分的半径R，使作用力增大。,困难：作用力F太小，不能发生大角散射。,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。,定性地解释：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。,三卢瑟福的核式模型,1库仑散射公式,四、卢瑟福散射理论,上式反应出b和的对应关系。b小，大；b大，小,假设：忽略电子的作用、粒子和原子核看成点电荷、原子核不动、大角散射是一次散射结果,要得到大角散射，正电荷必须集中在很小的范围内，粒子必须在离正电荷很近处通过。,问题：b是微观量，至今还不可控制，在实验中也无法测量，所以这个公式还不可能和实验值直接比较。,b是瞄准距离,2卢瑟福散射公式,环形面积：,问题：环形面积和空心圆锥体的立体角之间有何关系呢?,空心锥体的立体角：,d与d的对应关系：,公式的物理意义：被每个原子散射到+d之间的空心立体角d内的粒子，必定打在bb-db之间的d这个环形带上。,d称为有效散射截面(膜中每个原子的)，又称为原子的散射截面。,近似3：设薄膜很薄，薄膜内的原子核对射来的粒子前后不互相覆盖。,设有一薄膜，面积为A，厚度为，单位体积内的原子数为N，则薄膜中的总原子数是：,则N个原子把粒子散射到d中的总有效散射截面为：,所以d也代表粒子散射到之间的几率的大小，故有效散射截面也称做几率，这就是d的物理意义。将卢瑟福散射公式代入并整理得：,五、卢瑟福理论的实验验证,从上式可以预言下列四种关系：（1）在同一粒子源和同一散射物的情况下(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，,年盖革马斯顿实验，,查德维克,实验事实和现象：粒子散射实验的结果，特别是其中的大角散射。假设：卢瑟福的原子核式模型，它能简单地解释粒子散射实验。理论：从假设出发推出了较为深入的卢瑟福散射理论。实验验证：实验的结果证实了理论的正确性，也就证实了假设的正确性。因此理论和假设就可以被肯定下，作为下一步工作的基础和依据，科学就是这样一步一步向前发展的。,实验理论实验,例1:能量为3.5MeV的细粒子束射到单位面积上质量为1.0510-2kgm2的银箔上，如题图所示。粒子与银箔表面成60角，在离入射线成20的方向上，离银箔散射区距离L0.12米处放一窗口面积为6.010-5m2的计数器。测得散射进此窗口的粒子是全部入射粒子的百万分之29，若已知银原子量为107.9，试求银的核电核数Z。,计数器,窗口,银箔,L,200,600,2、用相同能量的粒子束和质子束和金箔正碰，测量金原子核半径的上限，则质子束所测的结果是粒子束的几倍：（）A,1/4;B,1/2;C,1;D,2,3、在同一粒子源和散射靶的条件下，分别在90角和60角方向上单位立体角内观察到散射的粒子数之比为：（）A,4:1;B,:2;C,1:4;D,1:8,4、用能量为2MeV的质子束轰击一金箔，在方向单位立体角内每分钟探测到40个质子。若用同样能量的粒子束代替质子束，其它条件不变，则每分钟探测到的粒子数为：（）A,10个;B,40个;C,80个;D,160个,5、利用汤姆逊模型和卢瑟福模型分析粒子散射实验中，粒子受原子正电荷作用力情况的异同点是：（）A.原子内外相同，原子表面和中心处不同B.原子外相同，原子表面和原子内不同C.原子表面相同，原子内外和中心处不同D.原子外，原子表面相同，原子内和中心处不同,角动量守恒定律,由上两式及库仑散射公式可得,六、原子核半径的估算,能量守恒定律,R=310-14m（金）R=1.210-14m（铜）,10-14m10-15m,七、原子的大小,核式结构原子由原子核及核外电子组成,原子的半径10-1m（0.1nm）,1、原子核半径10-14m(fm),2、电子半径10-1m,原子质量的数量级：10-27kg10-25kg,八、粒子散射实验的意义及卢瑟福模型的困难,（一）意义：,1、最重要意义是提出了原子的核式结构，即提出了以核为中心的概念,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。,3、粒子散射实验还为材料分析提供了一种手段。,（二）困难,1、原子稳定性问题,2、原子线状光谱问题,问题：(l)d的物理意义？(2)库仑散射公式为什么不能直接检验?(3)如果粒子以一定的瞄准距离接近原子核时，以90o角散射，当粒