《原子的基本狀況》PPT課件.ppt

1、第一章 原子的基本狀況,1.1原子的質(zhì)量和大小,一.原子的質(zhì)量,1原子質(zhì)量單位和原子量,各種原子的質(zhì)量各不相同，常用它們的相對(duì)值原子量,原子質(zhì)量單位,原子量：原子包含1個(gè)原子質(zhì)量單位(1u)數(shù),H：1.0079 C：12.011 O：15.999 Cu：63.54,2原子質(zhì)量,元素 X 的原子質(zhì)量為,A：一摩爾原子以克為單位的質(zhì)量數(shù)（原子量,No表示阿佛加德羅常數(shù)，No=6.0221023/mol,對(duì)氫原子：MH =1.6736710-27kg,3、阿佛加德羅常數(shù)No,No是聯(lián)系微觀物理量與宏觀物理量的紐帶。 例：No k=R 普適氣體常數(shù)R，k：玻爾茲曼常數(shù) No e=F 法拉第常數(shù)F=96

2、486.7 C/mol,微觀物理量通過No這個(gè)大常數(shù)與宏觀物理量聯(lián)系，告訴我們?cè)雍头肿訉?shí)際上是多么的小,二.原子的大小量級(jí),將原子看作是球體,1摩爾原子占體積為,如果物質(zhì)的密度為 ，A為原子量，則1摩爾原子占有體積,例如 Li原子 A=7， =0.7， rLi=0.16nm； Pb原子 A=207， =11.34，rPb=0.19nm,原子的半徑都約為10-10 m即的量級(jí),三.關(guān)于電子,1電子的發(fā)現(xiàn),1874年,Stoney提出電荷的最小單位,1881年,Stoney命名電量子為電子,1899年,Thomson測(cè)量 和,J. J. Thomson (1856-1940,R. Millika

3、n (1868-1953,1897年湯姆遜從如右圖放電管中的陰極射線發(fā)現(xiàn)了帶負(fù)電的電子,并測(cè)得了e/m比,2電子的電量和質(zhì)量,1）加電場(chǎng)：P1-P2 陰極射線帶負(fù)電,2）再加磁場(chǎng)：P2-P1,3）去電場(chǎng)：射線成一圓形軌跡,可求電子的荷質(zhì)比 e/m,e =1.6021019（c） me=9.1091031kg,3電子的大小,質(zhì)子質(zhì)量,從電子的靜電固有能估計(jì)電子的經(jīng)典半徑,1903年英國科學(xué)家湯姆遜提出 “葡萄干蛋糕”式原子模型或稱為“布丁”模型,1.2 粒子的散射實(shí)驗(yàn)和原子的核模型,一.湯姆遜原子模型,為研究原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和電荷分布，人們很自然的想利用高速粒子去轟擊原子，根據(jù)入射粒子的散射情況來

4、了解原子內(nèi)部的情形,二. 粒子散射實(shí)驗(yàn),1896年，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性現(xiàn)象，一種帶正電的射線叫 射線。盧瑟福對(duì) 射線作了系統(tǒng)的研究，確認(rèn) 射線實(shí)際上是高速運(yùn)動(dòng)的He+離子（1908，他還發(fā)現(xiàn)了用粒子打在熒光屏上，通過對(duì)發(fā)光次數(shù)的計(jì)數(shù)來確定粒子的數(shù)目,散射：粒子流射入物體，與物體中的粒子相互作用，沿各個(gè)方向射出的現(xiàn)象,盧瑟福1871年8月30日生于新西蘭的納爾遜，畢業(yè)于新西蘭大學(xué)和劍橋大學(xué)。 1898年到加拿大任馬克歧爾大學(xué)物理學(xué)教授，達(dá)9年之久，這期間他在放射性方面的研究，貢獻(xiàn)極多。1907年，任曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)教授。1908年因?qū)Ψ派浠瘜W(xué)的研究榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1919年任劍橋大學(xué)教授，

5、并任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任。1931年英王授予他勛爵的桂冠。1937年10月19日逝世,1.設(shè)計(jì)思想,粒子散射應(yīng)當(dāng)與原子內(nèi)部正電荷分布情況相關(guān),在我年輕時(shí)，我觀察過 粒子的散射，并且蓋革博士（助手）在我的實(shí)驗(yàn)室中仔細(xì)地研究了它。他發(fā)現(xiàn)在重金屬薄片中 粒子的散射一般是微小的，約一度左右。有一天蓋革走過來對(duì)我說，你是否認(rèn)為跟我搞放射性方法的年輕人馬斯登應(yīng)該開始作一點(diǎn)研究？我說，為什么不讓他查看一下是否 粒子能有大角度的散射？?！?盧瑟福,a) 側(cè)視圖,b) 俯視圖,R:放射源 F:散射箔 S:閃爍屏 B:圓形金屬匣 A:帶刻度圓盤 C:光滑套軸 T:抽空B的管 M:顯微鏡,實(shí)驗(yàn)裝置和模擬實(shí)驗(yàn),2、實(shí)驗(yàn)

6、裝置及結(jié)果,結(jié)果：。絕大多數(shù)散射角小于2度；約1/8000 散射角大于90度，有的幾乎達(dá)180度。 大角散射是值得注意的現(xiàn)象,然后，我記得是在兩三天以后，蓋革十分興奮地跑來告訴我，我們已經(jīng)能夠看到某些散射粒子向后方跑出來了那直是我一生中從未有過的最難以置信的事件，它幾乎就象你用15吋的炮彈射擊一張薄紙，結(jié)果炮彈返回來擊中了你那樣也令人難以置信！” 盧瑟福,湯姆遜提出原子的布丁(pudding)模型,認(rèn)為正電荷均勻分布 在半徑為R 的原子球體內(nèi),電子像布丁鑲嵌在其中,如下左圖,3、湯姆遜原子模型解釋大角散射的困難,布丁模型,核心模型,按照布丁模型，原子只對(duì)掠過邊界（R）的粒子有較大的偏轉(zhuǎn),EK=

7、5.0 MeV ， Z(金)=79 ， max10-3弧度0.057o,布丁模型下，單次碰撞不可能引起大角散射,多次散射呢,多次散射引起的偏轉(zhuǎn)角仍很小，在1度左右,要發(fā)生大于90o的散射，需要與原子核多次碰撞，其幾率為10-2000!遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)測(cè)得的大角度散射幾率1/8000,而當(dāng)我做出計(jì)算時(shí)看到，除非采取一個(gè)原子的大部分質(zhì)量集中在一個(gè)微小的核內(nèi)的系統(tǒng)，否則是無法得到這種數(shù)量級(jí)的任何結(jié)果的，這就是我后來提出的原子具有體積很小而質(zhì)量很大的核心的想法?！?盧瑟福,三、盧瑟福的原子模型及盧瑟福散射公式,1、盧瑟福的原子核式模型 1911年提出：原子由帶正電荷并幾乎占有全部質(zhì)量的微小中心核以及繞核運(yùn)行

8、的電子所組成,定性解釋：由于原子核很小，絕大部分粒子并不能瞄準(zhǔn)原子核入射，而只是從原子核周圍穿過，所以原子核的作用力仍然不大，因此偏轉(zhuǎn)也很小，也有少數(shù)粒子有可能從原子核附近通過，這時(shí)，r較小，受的作用力較大，就會(huì)有較大的偏轉(zhuǎn)，而極少數(shù)正對(duì)原子核入射的粒子，由于r很小，受的作用力很大，就有可能反彈回來。所以盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型能定性地解釋粒子散射實(shí)驗(yàn),2、盧瑟福散射公式,假定：?jiǎn)未紊⑸?；僅考慮粒子-核庫侖排斥；靶核不動(dòng),1）單個(gè)粒子被單個(gè)核散射情形,粒子從無窮遠(yuǎn)以瞄準(zhǔn)距離b射向原子核;在核庫侖力作用下,偏離入射方向飛向無窮遠(yuǎn),出射與入射方向夾角稱散射角。這個(gè)過程稱庫侖散射,庫侖散射公式,散射角與

9、瞄準(zhǔn)距b 有關(guān),問題：b 不能直接測(cè)量，實(shí)驗(yàn)可測(cè)散射到-+d的粒子數(shù),那些瞄準(zhǔn)距在b-b+db間，或者說， 凡通過d環(huán)形面積的粒子，散射后必定射向-+d對(duì)應(yīng)的空心錐殼。 粒子射到-+d角度的幾率正比于環(huán)形面積,d,盧瑟福散射公式,d：稱為原子核的有效散射截面。具有面積量綱,2）粒子被靶散射到-+d的總截面,設(shè) N 為靶的單位體積原子數(shù)，靶厚t，靶被打中的面積A。假設(shè)靶原子對(duì)射來的粒子前后互不遮蔽（對(duì)薄的金屬箔成立）。則與一給定立體角d相應(yīng)的總散射截面,d= NtA * d,3）n個(gè)粒子中被靶散射到-+d的粒子數(shù)dn,d：代表了一個(gè)粒子被一個(gè)核散射到-+d之間那么一個(gè)立體角d內(nèi)的幾率，故有效散射

10、截面也稱做幾率。d的物理意義,3、盧瑟福散射公式的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,1）同一 粒子源，同一個(gè)靶,2）同一粒子源，同一種材料的靶，同一散射角,3）同一個(gè)靶，同一個(gè)散射角,4）用同一個(gè)粒子源，在同一個(gè)散射角，對(duì)同一Nt值,1）-3）1913年蓋革馬斯頓實(shí)驗(yàn)； 4）1920年查德維克實(shí)驗(yàn),思考：1、如何理解盧瑟福散射公式在00時(shí)發(fā)散？以及在小角度時(shí)符合不好？ 2、 考慮靶的運(yùn)動(dòng)，盧瑟福公式如何寫,四、原子核大小估計(jì),取粒子達(dá)到離原子核最近的距離，作為原子核半徑上限的估計(jì)值,能量守恒定律,角動(dòng)量守恒定律,此時(shí)徑向速度為零,由上兩式及庫侖散射公式可得,對(duì)銅箔散射， =180時(shí)，盧瑟福公式成立， 粒子能量5.3Mev，z=29，則 rm =1.5810-14m,時(shí),對(duì)金箔散射， =150時(shí)，盧瑟福公式成立， 粒子速度v=0.064c，z=79，則rm =310-14m,實(shí)際核的半徑必小于這里的值，后來從其它實(shí)驗(yàn)測(cè)定量級(jí)在10-14m10-15m 范圍,五、盧瑟福模型的意義與困難,意義,粒子散射實(shí)驗(yàn)為人類開辟了一條研究微觀粒子結(jié)構(gòu)的新途徑，以散射為手段來探測(cè)，獲得微觀粒子內(nèi)部信息的方法，為近代物理實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)，對(duì)近代物理有著巨大的影響,粒子散射實(shí)驗(yàn)還為材料分析提供了一種手段,建立了一個(gè)與 實(shí)驗(yàn)相符的原子結(jié)構(gòu)模型,偉大的創(chuàng)造，經(jīng)常在解決老問題的同時(shí)，又孕