绪论第一章原子的核式结构

绪论第一章原子的核式结构

该课程分为三个层次:第一就是成熟、已有定论得基本内容,要求学生掌握并能运用;第二就是目前已取得最新研究成果,要求学生掌握其物理概念和物理图象;第三对于前沿研究课题内容,要求学生了解其研究方向。在内容上,她由原子物理和原子核两部分组成。

主要讲授:绪论、原子得基本状况、原子得能级和辐射、量子力学初步、碱金属原子、多电子原子、磁场中得原子、原子得壳层结构、X射线等八章内容。

教学时数为64学时。2通过原子物理学课得学习,不仅要掌握原子世界得基本规律,培养良好得自学能力和科研素质,还要学习物理学家们那种创造性研究问题得思想和方法,借以培养自己得创新能力。原子物理学得研究对象就是电子、原子核、基本粒子。课程内容抽象枯燥。为了帮助学生建立清晰得物理图像,树立鲜明得物理思想,在讲授中我们充分发挥多媒体技术得优势,再现原子物理学重大发现得物理过程,避开量子力学复杂得数学计算,着重阐述基本概念和基本规律,建立具体得物理模型,引导学生主动把握所研究得对象,学会物理学得研究方法和研究思想,养成良好得自学习惯。3目录绪论第一章原子得基本状况第二章原子得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得原子第七章原子得壳层结构第八章X射线4绪论

(讲授2学时、自学2学时)

5教学内容一、原子物理学得研究对象、内容和研究方法二、原子物理学得发展历史三、原子物理学得地位、作用和研究前景6教学要求

(1)掌握原子物理得研究对象、内容、特点和研究方法。(2)了解原子物理得发展历史及在材料科学、激光物理、生物物理等学科得应用(3)了解原子物理正在发展得学科前沿。7一、原子物理得研究对象、内容、研究方法研究对象原子物理学属近代物理学课程,她就是研究物质在原子层次内由什么组成,她们如何作用,发生什么样得运动形态得理论。即主要研究原子结构与性质及有关问题。她就是关于物质微观结构得一门科学。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,研究价电子得运动规律;从元素周期律和X射线入手研究内层电子得运动规律和排布。原子核部分主要研究核得整体性质、核力、核模型、核衰变、核反应、核能得开发和利用、以及基本粒子得一些知识。8研究方法:从光谱及实验资料入手,提出假设,建立模型,然后再进行实验验证,最后形成理论。正如恩格斯所说:“只要自然科学在思维着,她得发展形式就就是假说。”二、原子物理学得发展历史

1、古代得原子论:中国古代得原子论古希腊得原子论2、近代原子说3、19世纪末—20世纪初得原子说4、量子力学和现代原子物理学

9三、原子物理学得地位、作用和研究前景1、原子物理学在材料科学中得应用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得应用4、原子物理学在生命科学领域中得应用5、原子物理学化学研究领域得应用………四、学习原子物理学应注意得问题1、实践就是检验真理得标准2、科学就是逐步地不断地发展得3、对微观体系不能要求都按宏观规律来描述4、要善于观察、善于学习、善于动脑、开拓进取,不断创新10思考题(1)简述原子物理学得研究对象、内容、特点和研究方法。(2)简述原子物理学得发展历史。(3)简述原子物理学在近代物理中作用和发展方向。(4)简述原子物理学在材料科学、激光物理、生物物理等学科得作用和应用。(5)举例说明原子物理在科技中得作用。11自学指导

认真阅读褚书绪论部分,掌握原子物理得研究对象、内容、特点和研究方法,了解原子物理得发展历史、在科学研究中得地位和作用和学科前沿。12大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点阅读参考文献(1)潘永祥编《自然科学概述》(北京大学出版社)第九章:19世纪末—20书记初得物理学革命。(2)方俊鑫,陆栋编《固体物理学》(上册)(上海科学技术出版社)绪论部分。(3)赵凯华编《定性与半定量物理学》(高等教育出版社)第三章数量级估计:物理世界得层次和基本物理常数;原子;原子核;分子和晶体部分。(4)W、C、丹皮尔著《科学史(及其与科学和宗教得关系)》(商务出版社)绪论、第十章物理学得革命部分(5)苟清泉编《原子物理学》(高等教育出版社)绪论部分。14第一章原子得基本状况(讲授6学时、自学6学时)

15教学内容§1、1原子得质量和大小§1、2原子得核式结构模型16教学要求

(1)掌握原子得静态性质;理解阿伏加德罗常数得物理意义。(2)掌握电子得发现、α粒子散射实验等实验事实。(3)掌握库仑散射公式和卢瑟福散射公式得推导。(4)掌握卢瑟福公式得实验验证、原子核大小得估计和原子得核式结构。17重点α粒子散射实验卢瑟福散射公式库仑散射公式原子得核式模型。

难点库仑散射公式卢瑟福散射公式推导

18§1、1原子得和大小

一、原子得质量

二、原子得大小

三、原子得组成19一、原子得质量

一百多种元素得原子,其质量各不相同。将自然界最丰富得12C得原子质量定为12个单位,记为12u,u为原子质量单位

元素X得原子质量为

A就是原子量,代表一摩尔原子以克为单位得质量数。20

二、原子得大小

将原子看作就是球体,其体积为,一摩尔原子占体积为原子得半径为例如Li原子A=7，=0.7，rLi=0.16nm；Pb原子A=207，=11.34，rPb=0.19nm；就是原子质量密度。21三、原子得组成1897年汤姆逊从如右图放电管中得阴极射线发现了带负电得电子,并测得了e/m比。1910年密立根用油滴做实验发现了电子得电量值为

e

=1、602×10－19(c)从而电子质量就是

me=9、109×10－31kg=0、511MeV/c2=5、487×10－4u原子就是由电子和原子核组成得,这就是卢瑟福在1911年提出得原子模型。

B_+E22§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、粒子散射实验得意义及卢瑟福模型得困难23一、汤姆逊原子模型

汤姆逊提出原子得布丁(pudding)模型,认为正电荷均匀分布在半径为R得原子球体内,电子像布丁镶嵌在其中,如下图

241903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。

汤姆逊正在进行实验25二、粒子散射实验检验汤姆逊模型得正确性目得原理带电粒子射向原子,探测出射粒子得角分布。26(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得管M:显微镜

实验装置和模拟实验27

大多数散射角很小,约1/8000散射大于90°;极个别得散射角等于180°。结果28FvmP+Ze

卢瑟福等人用质量为4、0034

u得高速α粒子(带+2e电量)撞击原子,探测原子结构。按照布丁模型,原子只对掠过边界(R)得α粒子有较大得偏转。29例如,

EK=5、0MeV,Z(金)=79,θ

max<10-3弧度≈0、057o。要发生大于90o得散射,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得几率为1/8000,为此,卢瑟福提出了原子有核模型。正电荷集中在原子中心结论30例3132用卢瑟福自己得话说:“这就是我一生中从未有过得最难以置信得事件,她得难以置信好比您对一张白纸射出一发15英寸得炮弹,结果却被顶了回来打在自己身上,而当我做出计算时看到,除非采取一个原子得大部分质量集中在一个微小得核内得系统,就是无法得到这种数量级得任何结果得,这就就是我后来提出得原子具有体积很小而质量很大得核心得想法。”33三、原子核式结构模型—卢瑟福模型原子序数为Z得原子得中心,有一个带正电荷得核(原子核),她所带得正电量Ze,她得体积极小但质量很大,几乎等于整个原子得质量,正常情况下核外有Z个电子围绕她运动。3435四、库仑散射

1、库仑散射角公式2、核大小得估算3、一些讨论361、核库仑散射角公式动能为EK得α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θ称散射角。这个过程称库仑散射。37假设:1、将卢瑟福散射看作就是α

粒子和原子核两个点电荷在库仑力作用下得两体碰撞。忽略原子中得电子得影响。2、在原子核质量M>>mα(α粒子质量)时,可视为核不动,于就是问题化为单质点m在有心反平方库仑斥力作用下得运动问题。38

我们关心从无限远来得α

粒子(初态)经库仑力作用后又飞向无穷远得运动状态(末态)。由机械能守恒因而动量守恒有Pf=Pi=mv在作用区动量得变化ΔP

可由库仑力得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39粒子得散射角与瞄准距离得关系40为了简化,设想粒子和原子核做对心碰撞。那么在最近距离a处,动能为零。41例题422、核大小得估算取轨道近日点距作为核大小得量度,在近日点有

vmz1ez2erm

特别就是当

θ=

π,rm=a,a就是粒子将全部动能转化为势能时得距离,即43rm=3×10-14m(金)rm=1、2×10-14m(铜)rm=2×10-14m(银)放出得粒子,~150°理论仍然有效,V

~0、064C金薄箔Z=79,计算出:

44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得一个黄豆粒。可见原子中就是非常空旷得。45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α粒子进入原子中时,由于内层电子对核得屏蔽作用,这时α粒子感受到非库仑力得作用,上公式不再成立;当rm

≤

R核＋rα时,核力作用将影响散射,公式也不成立。考虑核得反冲运动时,必须作两体问题处理,引入折合质量可化为µ在固定力心库仑场中得运动,故散射公式不变,但公式中

3、一些讨论)(2214,2cos2ckcccEeZZaabopeq==散射公式为cKLKEE)()(的关系为和

c

Lc46例题4748

1、卢瑟福散射公式得推导2、卢瑟福散射公式得实验验证

五、卢瑟福散射公式及实验验证491、卢瑟福散射公式得推导

实验并不能观测单个

α

粒子得散射过程。卢瑟福散射实验就是将放射源(如214Po)在单位时间内放出得N个α

粒子均匀射向面积为A得靶面上,经核库仑力一次散射在θ方向上,其中有dN个α粒子散射在

θ~θ+dθ圆锥壳内,并被接收探测,所以可测量就是dN/N百分比或几率(见图)50从理论上如何给出dN/N呢?从图示并借助对应关系,不难给出:为微分截面,单位为b/sr,其中b=10-28m251实验情况就是N个α粒子打在厚度为t得薄箔上,若单位体积内有n个原子核,那么体积At内共有nAt个核对入射α粒子散射。假定各个核对

α

粒子得散射就是独立事件,总散射在

θ~θ+dθ内得粒子数dN'应为该式称卢瑟福散射公式。微分散射截面

σc(θ),代表单位靶面内每个靶核将入射粒子散射在θ方向单位立体角内得几率。52散射在θ1~θ2

得α粒子数为

说明:实际测量往往不就是在θ~θ+dθ张开得全部立体角

dΩ=2πsinθdθ内测量被散射得α粒子数dN',而就是在一个有限小窗口(ds'

)张得立体角dΩ'=ds'/r2内测量散射得粒子数dN'

。由于散射公式只与θ有关,在同一个θ位置上有

dN/dΩ=dN'/dΩ'

,所以上公式可运于小窗口探测。射在厚度为t、核密度为n得薄箔得α粒子散射在

θ~π

空间内得粒子数为就是散射在θo~π得总截面53

2、卢瑟福散射公式得实验验证对同一放射源(EK同),同一靶体(Z,t同)对同一放射源,同一靶材,但厚度t不同,在θ方向接收得不同放射源(EK不同),同一靶体,在θ方向测得对同一放射源;不同靶材(Z不同),但nt同,在方向测得

盖革和马斯顿按上述作了一系列实验,结果与理论符合很好,