原子物理学 褚圣麟 一PPT课件

，1，原子物理学，2，引言，1，宇宙的产生150亿年前，大爆炸物质，空间，时间，运动，相互作用的演化，演化2，原子物理学的内容核外：电子阵列，原子能的等级和光谱对应等定律核：原子核的组成和特性，定律，3，3，原子物理学的位置和功能原子物理学是更根本的原子物理学和其他领域的关系原子物理学在生产中起着很大的作用。第4章：原子的基本状态，第1章，原子的“原子”一词源自希腊语，这个概念是古希腊哲学家德米特(公元前4世纪)提出的，被认为是物质的最小单位。整备定律：配比定律：元素根据特定物质比相互结合。如果两种元素能产生几种化合物，则在这些化合物中，与一定质量的甲元素相结合的乙元素的质量以简单的整数比相比较。在19世纪，人们在很多实验中，比如：结束，目录，next，back。5，以此为基础，1808年道尔顿的：1。相信某些质量的元素是由这些元素的原子构成的；2 .每个元素的原子具有相同的质量，不同元素的原子具有不同的质量；3 .原子能够以多种不同的比例合成多种化合物的分子的两个可结合的元素。结束、列表、next、back、6，原子学说逐渐被接受时，人们又面临新的问题：原子有多少？原子的内部是什么？原子是最小的粒子吗？现在，让我们粗略估计一下原子的大小。结束，目录，next，back，7，方法1:假设某些固体元素的原子是球形的，半径为r米，原子相互贴近。如果这个元素的原子量是a，那么1摩尔原子的质量是a，如果这个原子的质量密度是a，那么a克原子的总体积是一个原子的体积，所以原子的半径可以计算出不同原子的半径，如下表所示。结束，目录，next，back，8，方法2，气体分子的平均自由路径计算方法3从范德华方程得出结论。用不同的方法求同一个原子的半径，其值稍有不同，但供求是相同的。9，Li 70.70.16nm，al272.70.16nm，Cu 638.90.14nm，s32.070.18nm，Pb 20711.340.19nm，其他原子的半径，结束，目录，next，10，3，卢瑟福，卢瑟福1871年8月30日在新西兰出生的纳尔逊毕业于新西兰大学和剑桥大学。从1898年到加拿大马克基尔大学物理教授，他在辐射方面的研究做出了很多贡献。1907年，他担任曼彻斯特大学物理教授。1908年因对放射化学的研究而获得诺贝尔化学奖。1919年，他担任剑桥大学教授和卡文迪什实验室主任。1931年，英王授予他爵士的桂冠。1937年10月19日去世。结束，目录，next，back，11，2节：原子的核结构，1，Thomson模型在Thomson发现了电子后，对原子中正电荷的分布，他说原子中带正电荷的正电荷部分在原子中均匀分布，电子镶嵌在其中，称为“葡萄干面包模型”，结束，列表，12，Thomson模型认为原子的正电荷均匀分布在原子球体上，电子镶嵌在其中。原子像西瓜，瓜地像正电荷，电子像甜瓜种子一样分布在其中。同时，该模型进一步假设电子分布在分离的同心环中，每个环的电子容量不同，电子在各自平衡位置附近微振动。可以发出不同频率的光，电子围绕向心旋转时发出光。这似乎成功地解释了当时已经存在的实验结果，元素的周期性，原子的线谱。结束，目录，next，back，13，2，卢瑟福散射实验，为了确认汤姆森模型是否正确，卢瑟福于1911年设计了粒子散射实验，在实验中观察了大部分粒子通过金箔时大约发生一次偏转。但是一些粒子偏转角度大于90度，达到180度。对粒子发生了大角度散射的事实，不能用汤姆森模型解释。只有当原子的正电荷集中在很小的体积上时，斥力才会以很大的角度分布粒子。在此基础上，卢瑟福提出了原子的核模型。结尾，目录，next，back，14，散射实验装置，实验装置如上图所示。在辐射源r中，微小的粒子束向金属箔发射直射光线，每个粒子由金属箔中的原子以不同的方式作用，向不同的方向散射。荧光屏s和放大镜m可以沿f中心弧移动。如果s和m朝向一个方向，则通过f向此方向散射的alpha粒子发射到s，生成闪光灯，通过用放大镜m观察闪光灯，可以记录在单位时间内沿此方向散射的alpha粒子的数量。通过金属箔的粒子分布可以通过不同的散射角度进行研究。结束，目录，next，back，15，结束，目录，next，back，16，粒子散射实验观察到，散射的粒子大部分分布在小角度区域，但约为1/8000的粒子散射角度达到90度，甚至180度，发生背反射。alpha粒子以如此大的角度散开，表明受到了如此大的力。汤姆森模型能提供那么大的力量吗？对应于这两个模型的力场模型、结束、目录、下一个、后退、17，3，Thomson模型的失败是因为核模型的正电荷集中在原子中心的小区域，所以无限接近原子核时力会增大，而Thomson模型在原子中心附近不能提供强大的力。现在，通过计算，我们看看阿尔法粒子的最大偏角根据汤姆森模型可以有多少。结束，目录，next，back，假设有一个充电球体与，18，即均匀带电的汤姆森匹配。alpha粒子向其发射时的作用力为：F(r)=，结束，目录，next，back，对于，19，Thomson模型，仅当入射粒子力最大且设置为Fmax时，我们才会了解alpha粒子的最大偏转角度是多少。在上图中，假设alpha粒子以速度v发射，在原子附近度过的时间内Fmax起作用，会发生多少散射？结束，目录，next，back，20，解析的：角动量定理。这里表示alpha粒子在原子附近度过的时间。它将代替Fmax值解释：因此，TG 的值较小，所以近似值为，(1)，结尾，目录，next，back，21，上述计算不考虑核电子的影响。这是因为电子的质量只有粒子质量的1/8000，所以它的作用可以忽略，即使发生了对方碰撞，其影响也很小，当粒子和电子碰撞时，大概弹性碰撞，动量和动能都保留，结束，目录，下一个，返回，22，分解，(2)，结束，结束。24，4，卢瑟福模型的建议，粒子散射实验否定了汤姆森的原子模型，实验结果表明，卢瑟福在1911年提出了原子的核模型。原子中心的极小的核集中了整个正电荷和几乎所有的质量，所有的电子都分布在它的周围。卢瑟福根据假设的模型，从理论上推导出散射公式，通过gag-muston实验验证，核式模型被普遍接受。结束，目录，next，back，25、结束、目录、next、back、26，5，库仑散射公式，结束，目录，next，back，27，上一页的图描述了入射速度为v，电荷为Z1e的带电粒子和电荷为Z2e的目标核散射的情况。粒子射离目标核后，由于库仑力的作用，角被粒子运动偏转。散射过程可以证明有以下关系：其中b是瞄准距离，表示入射粒子的最小垂直距离。库仑散射系数。结束，目录，next，back，28，散射公式推导：将入射粒子设置为粒子，推导库仑散射公式之前，假定散射过程如下：1.假设只发生单个散射，散射现象只有在粒子与原子核距离相近的情况下才会明显起作用，因此发生散射的可能性很小。假设粒子和原子核之间只有库仑力相互作用。结束，目录，next，back，29，3。忽略核外电子的作用，这是因为核外电子的质量小于原子的1/1000，同时粒子以更快的速度运动，而估计结果表明核外电子对散射的影响极小，因此可以忽略；假设原子核是静态的。这是为了简化计算。结束，目录，next，back，30，6，库仑散射公式推导，如上图所示，在原子核Ze的库仑场中，粒子在任意时间点的入射能量分别为，E，粒子在任意时间点的入射能量为，牛顿第二定律为，3360，末，目录，next，back，31，(1)，(2)，(3)，即结尾，目录，next，back，32 .f表示离心力，对离心力的力矩为零，因此粒子对原子的角动量守恒，即(4)，因此(3)表达式为(5)，结束，目录，next，back，33，两边都有积分，左边有，(6)，(7)，结尾有，目录，next，back，(8)，结尾有，目录，下一个，后，35，那个其中，(11)样式是alpha粒子散射偏转公式，结束，目录，next，back，看37 (11)式，b和之间存在对应关系，如果瞄准距离b减小，散射角度会增加，但是要通过实验验证，瞄准距离b不能正确测量，因此需要进一步推导(11)式，将小规模和宏观量联系起来。结束，目录，next，back，38，7，卢瑟福散射公式，库仑散射公式从理论上预测核模型的散射情况，它是否正确只能给出实验的答案，但目前瞄准距离b仍然无法测量。因此，只有努力用可观察的量代替b，才能进行相关实验。，结束，目录，next，back，39，卢瑟福完成了这项工作，著名的卢瑟福公式Rutherford公式推导了：首先，我们来看看只有一个目标核时的情况如何用库仑散射公式。随着瞄准距离b的减小，散射角度增加，参考下一页图，我们可以看到瞄准距离在bb=db之间的粒子，并且应该分布在-db之间的空锥体中。结束，目录，next，back，40，上图所示环的面积为：而不是b值，结束，目录，next，back，与，41，d 对应的空圆锥体的三维角度为(1)，(2)，端点，目录，next，back，42，(2)式取代(1)式机器：(3)现在考虑到所有目标核，瞄准bb db之间的距离，粒子必须向-ds方向散开。也就是说，d 在三维角度内，目标的总面积为a，目标的单位体积有n个核，目标的厚度为l，终点，目录，next，back，43，目标的总核是nAl。d 对应于三维角度的总散射区域对于所有入射粒子在d 内散射的概率为，(4)，(5)，结束，目录，next，back，44，其中n是入射的粒子数，dN是d 内散射的粒子数。注：d /dn=d /dn，45，8，卢述福公式的实验验证，卢述福公式的预言：1。特定能量的alpha粒子在被一定金属箔散射时，与每个方向单位立体角中的粒子数成正比；粒子能量固定在偏角时散射的粒子数与金属箔厚度成正比。结束，目录，next，back，46，3。偏角和金属箔厚度固定时散射的粒子数与粒子能量的平方成反比；4 .散射粒子的数量与Z2成正比，Ze可以用原子核的正电荷来测量z。1913年，盖赫和马斯顿做了实验，结果显示这四点都符合实验。结束，目录，next，back，47，9，原子核的大小估计，原子核有一定的大小。我们使用RM作为原子核的大小，这是原子核粒子接近原子核时的最小距离。当alpha粒子在电势场中运动时，在任意时刻，t被角动量守恒，(1)，(2)，(3)，结束，目录，next，back，48，代入(1)式，向上，=1800时，即粒子和靶核在斥堠场与心脏碰撞时，RM达到最小，几乎认为RM是原子核半径。结束，目录，next，back，49，10，行星模型的意义和困难，卢瑟福模型提出了原子的核结构，人们在探索原子结构的过程中迈出了第一步，但在准备进入原子内部调查电子的运动规律时，发现了与确定的物理定律不一致的现象。1.原子的稳定性，经典物理学告诉我们，所有带电粒子在加速运动的过程中以发射电磁波的方式释放能量。其电子在以原子核为中心加速的过程中不断向外发射电磁波，不断