绪论-第一章-原子的核式结构PPT课件

.,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=1.6021019（c）从而电子质量是me=9.1091031kg=0.511MeV/c2=5.487104u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=(2.81793800.0000070)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=（1.60218920.0000040)10-19c质量：me=(9.1095340.00049)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Mme,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，maxm（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=310-14m（金）rm=1.210-14m（铜）rm=210-14m（银）,放出的粒子，150理论仍然有效，V0.064C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rmR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=2bdb,.,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,(EKEK(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过程,光谱同位素效应:因同位素核质量的不同使原子或分子的能级发