《原子物理学》ppt课件

1、原 子 物 理 学 第一章第一章 原子的位型原子的位型: 卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型 第二章第二章 原子的量子态原子的量子态: 玻尔模型玻尔模型 第三章第三章 原子的精细构造原子的精细构造: 电子自旋电子自旋 第四章第四章 多电子原子多电子原子:泡利原理泡利原理 第五章第五章 X射线射线 第六章第六章 原子核物理概论原子核物理概论 第一章第一章 原子的位型原子的位型: 卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型 1-1 1-1 背景知识背景知识1-2 1-2 卢瑟福模型的提出卢瑟福模型的提出1-3 1-3 卢瑟福散射公式卢瑟福散射公式 1-4 1-4 卢瑟福公式的实验验证卢瑟福公式的实验验证1-5 1-5

2、 行星模型的意义及困难行星模型的意义及困难 1-1 1-1 背景知识背景知识电子的发现电子的发现电子的电荷和质量电子的电荷和质量原子的大小原子的大小 H H A ,B + + - C D E P1 P2 汤姆逊阴极射线实验汤姆逊阴极射线实验 实验安装实验安装 阴极射线阴极射线(C)(C)狭缝狭缝(A,B)(A,B)金属板金属板(D,E)(D,E)荧荧光屏光屏 D,ED,E加电场加电场 射线射线P1 P1 P2 P2 阴极射线带阴极射线带负电负电 再加磁场再加磁场 射线射线P2 P2 P1 P1 Hev=Ee Hev=Ee v=E/Hv=E/H 去掉电场去掉电场 射线半径射线半径r r mv2/

3、r= Hev mv2/r= Hev e/m=v/Hr e/m=v/Hr 1-1-1 1-1-1 电子的发现电子的发现EH1-1-2 1-1-2 电子的电荷和质量电子的电荷和质量(1)(1) 密立根油滴实验密立根油滴实验 (1) (1) 测得电子电量为：测得电子电量为：e = 1.6e = 1.610-19 C (10-19 C (库库仑仑) ) 电子质量电子质量 me = 9.1 me = 9.110-31 kg 10-31 kg 密立根初次发现了电荷的量子化密立根初次发现了电荷的量子化 电荷只能是电荷只能是 e e 的整数倍的整数倍 假设知假设知H+(H+(质子的荷质比质子的荷质比 pem1

4、1836epmm1-1-2 1-1-2 电子的电荷和质量电子的电荷和质量(2)(2) 密立根油滴实验密立根油滴实验 (2) (2) 原子呈中性，原子中具有带负电的电子，原子呈中性，原子中具有带负电的电子， 必定有带正电的物质必定有带正电的物质( (对于氢原子，对于氢原子，这这 种带正电荷的物质称为质子种带正电荷的物质称为质子) ) 原子原子 = = 正电物质正电物质 + + 负电物质负电物质 + + 不带电物不带电物质质1-1-2 1-1-2 电子的电荷和质量电子的电荷和质量(3)(3) 原子质量单位原子质量单位 u u 1u 11u 1个个12C 12C 原子质量原子质量/12/12 原子质

5、量原子质量 MA u = MA u = 原子量原子量 u = A u u = A u 克1066. 1 克112克1224.AANN1-1-3 1-1-3 原子的大小原子的大小 原子半径原子半径 一个原子体积一个原子体积 = = = = 一个原子的质量一个原子的质量 / / 原子质量密原子质量密度度 = = 原子半径原子半径 r = r = 数量级：数量级：r 10-10 m = 1 r 10-10 m = 1 343r/AA N31)N4A3(A1-2 1-2 卢瑟福模型的提出卢瑟福模型的提出原子正负电荷如何分布原子正负电荷如何分布? ? 粒子散射实验粒子散射实验解释解释 粒子散射实验粒子散

6、射实验1-2-1 1-2-1 原子正负电荷如何分布原子正负电荷如何分布? (1)? (1) 汤姆逊原子模型汤姆逊原子模型 正电荷均匀分布在整个原子球体内，正电荷均匀分布在整个原子球体内，电子镶嵌在其中同心球壳上。电子镶嵌在其中同心球壳上。 卢瑟福的核型构造模型卢瑟福的核型构造模型 原子是由带正电的原子核和核外原子是由带正电的原子核和核外 作轨道运动的电子组成作轨道运动的电子组成 粒子散射实验：粒子散射实验： 探测器探测器 粒子粒子 金原子金原子 1-2-2 1-2-2 粒子散射实验粒子散射实验(1)(1)实验安装实验安装1-2-2 1-2-2 粒子散射实验粒子散射实验(2)(2) 实验结果：实

7、验结果： 绝大多数绝大多数 粒子散射角：粒子散射角： 2 - 2 - 33 1/80001/8000的的 粒子散射角：粒子散射角： 90 90 奇异奇异 相当于炮弹被一张纸反弹回来一样！相当于炮弹被一张纸反弹回来一样！1-2-3 1-2-3 解释解释 粒子散射实验粒子散射实验(1)(1) 带正电物质散射汤氏模型带正电物质散射汤氏模型(1)(1) 原子的正电荷原子的正电荷ZeZe对入射的对入射的 粒子粒子(2e)(2e)产生的力产生的力220230124124ZerRrFZerrRRRr原子半径原子半径 带正电物质散射汤氏模型带正电物质散射汤氏模型(2)(2) 正电荷正电荷ZeZe对对粒子粒子(

8、2e)(2e)的最大力的最大力 散射角散射角 动量的变化动量的变化 力乘以粒子在原子度过的时间力乘以粒子在原子度过的时间2R/v2R/v1-2-3 1-2-3 解释解释 粒子散射实验粒子散射实验(2)(2)220124ZeFRppppp1-2-3 1-2-3 解释解释 粒子散射实验粒子散射实验(3)(3) 带正电物质散射汤氏模型带正电物质散射汤氏模型(3)(3) 相对动量的变化相对动量的变化20251.44f2/(4)2/122/0.1nm3 10rad(mMeVMeV)ZeRpFR vpm vm vZZEE ER204e1-2-3 1-2-3 解释解释 粒子散射实验粒子散射实验(4)(4)

9、带正电物质散射汤氏模型带正电物质散射汤氏模型(4)(4) 电子对电子对粒子的偏转的奉献对头撞粒子的偏转的奉献对头撞(1)(1) 动量、动能守恒动量、动能守恒 2220101111,222e ee em vm vm vm vm vm v入射的入射的粒子粒子散射后的散射后的粒子粒子散射后的电子散射后的电子000222eem vm vvvmmm0102eeepm vm vm vm v 1-2-3 1-2-3 解释解释 粒子散射实验粒子散射实验(5)(5) 带正电物质散射汤氏模型带正电物质散射汤氏模型(5)(5) 电子对电子对粒子的偏转的奉献对头撞粒子的偏转的奉献对头撞(2)(2)01002eeepm

10、 vm vm vm vpm v 040221100040eem vmm vmpp电子引起电子引起粒子的偏转角非常小粒子的偏转角非常小可以说几乎没有什么奉献可以说几乎没有什么奉献1-2-3 1-2-3 解释解释 粒子散射实验粒子散射实验(6)(6) 带正电物质散射汤氏模型带正电物质散射汤氏模型(6)(6) 粒子对金的散射角粒子对金的散射角 一次散射的散射角一次散射的散射角 反复散射也不会产生大角度反复散射也不会产生大角度 反复散射为随机反复散射为随机, , 平均之后不会朝一个方平均之后不会朝一个方向特别不会稳定地朝某一方向散射向特别不会稳定地朝某一方向散射 汤姆逊原子模型与实验不符汤姆逊原子模型

11、与实验不符! ! 5MeVEZ=795433 10rad10rad10 radpZZpEE 310 rad1-3 1-3 卢瑟福散射公式卢瑟福散射公式库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导 卢瑟福公式的推导卢瑟福公式的推导 1-3-1 1-3-1 库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导(1)(1) 远离靶核的入射能量远离靶核的入射能量E,电荷电荷Z1e的带电粒子与的带电粒子与电荷电荷Z2e的靶核散射的靶核散射瞄准间隔瞄准间隔碰撞参数碰撞参数散射角散射角1-3-1 1-3-1 库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导(2)(2) 库仑散射公式库仑散射公式ctg22ab21204Z Z eaE库仑散射因子

12、库仑散射因子1-3-1 1-3-1 库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导(3)(3)假定：假定：单次散射单次散射点电荷，库仑相互作用点电荷，库仑相互作用核外电子的作用可略核外电子的作用可略靶原子核静止靶核重，晶体构造结实靶原子核静止靶核重，晶体构造结实1-3-1 1-3-1 库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导(4)(4) 推导库仑散射公式推导库仑散射公式201220d4dZ Z evFmarmrt2ddmrLt中心力中心力角动量守恒角动量守恒201220d4dddZ Z evrmrt220012120021ddd44ddZ Z eZ Z evrLtrmr1-3-1 1-3-1 库仑散射公式的

13、推导库仑散射公式的推导(5)(5) 20120d ;4Z Z edvrLdfiufivvvvv e22;1122ififEm vm vvvv2 sin2fivvv1-3-1 1-3-1 库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导(6)(6) 00( cossin )d2cos2sincos22r dijji ue1-3-1 1-3-1 库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导(7)(7) 2212120011sincoscos24242Z Z eZ Z evLmvbctg22ab21204Z Z eaE22Emvb ; b ; b 1-3-2 1-3-2 卢瑟福公式的推导卢瑟福公式的推导 (1) (1)

14、 粒子粒子: b b + db : b b + db - d - d 粒子粒子:bb+db :bb+db 圆环面积圆环面积 -d-d空空心圆锥体心圆锥体 粒子打粒子打在环上的在环上的几率几率? ?1-3-2 1-3-2 卢瑟福公式的推导卢瑟福公式的推导 (2) (2) 靶靶(薄箔薄箔)厚厚t, 面积面积A，数密度，数密度n，质量密度，质量密度 环面积环面积粒子打在环上的几率粒子打在环上的几率2|b db2242|21cotcsc2222 22sin16 sin2b dbaadAAadA 1-3-2 1-3-2 卢瑟福公式的推导卢瑟福公式的推导 (3) (3) 空心圆锥体的立体角空心圆锥体的立体

15、角 d 22sin;2 sindsrrddsddr 242|16 sin2b dba dAA1-3-2 1-3-2 卢瑟福公式的推导卢瑟福公式的推导 (4) (4) 薄箔内有许多环薄箔内有许多环: 核核 环环; 薄箔体积薄箔体积: At; 薄箔环数薄箔环数: Atn 粒子打在粒子打在Atn环上环上,散射角散射角 一样一样 一个一个粒子打在薄箔粒子打在薄箔 上被散射到上被散射到 -d 的几率的几率24( )16 sin2a dn tdApA1-3-2 1-3-2 卢瑟福公式的推导卢瑟福公式的推导 (5) (5) N个粒子打在薄箔上丈量到 -d 的粒子数微分截面(卢瑟福公式)22212440144

16、16 sinsin22Z Z eaNdddNnAtntNEA 2212401144s(i2)n( )CZ Z edNNntdEdd 1-3-2 1-3-2 卢瑟福公式的推导卢瑟福公式的推导 (6) (6) 微分截面的物理意义微分截面的物理意义 对于单位面积内每个靶原子核对于单位面积内每个靶原子核, ,单位入射粒子单位入射粒子, ,单位立体角内的散射粒子数单位立体角内的散射粒子数 微分截面有面积的量纲微分截面有面积的量纲, ,表示表示粒子散射到粒子散射到 方向单位立体角内每个原子的有效散射截面方向单位立体角内每个原子的有效散射截面 微分截面的单位微分截面的单位: (m2/sr)(: (m2/sr

17、)(米米2/2/球面度球面度) ) 截面的单位截面的单位: : 靶恩靶恩( (靶靶, b):, b): 微分截面的单位微分截面的单位: b/sr: b/sr221240( )11( )44sin2CZ Z eddNdNntdE 282312110,110mbmmb1-4 1-4 卢瑟福公式的实验验证卢瑟福公式的实验验证盖革盖革 马斯顿实验马斯顿实验 原子核大小的估计原子核大小的估计 1-4-1 1-4-1 盖革盖革 马斯顿实验马斯顿实验(1)(1) 同一同一(粒子源粒子源, 散射体散射体)同一同一(粒子源粒子源,资料的散射体资料的散射体,散射角散射角)同一同一(散射体散射体,散射角散射角)同一

18、同一(粒子源粒子源,散射角散射角, nt) 221240( )11( )44sin2CZ Z eddNdNntdE 41,sin2dNddNtd21dNdE22dNZd1-4-1 1-4-1 盖革盖革 马斯顿实验马斯顿实验(2)(2) 盖革盖革 马斯顿实验证明了上述规律马斯顿实验证明了上述规律1-4-2 1-4-2 原子核大小的估计原子核大小的估计(1)(1)2220001212412mmmmmvmvZ Z eEmvvrrLbm22222120;024mmmmZ Z eLrrrarbmEE22222012200,1422m v bZ Z eabEmmv1-4-2 1-4-2 原子核大小的估计原子核大小的估计(2)(2) 求解求