原子物理1-2011

1、高等學(xué)校試用教材原 子 物 理 學(xué)褚圣麟 編高 等 教 育 出 版 社原子物理學(xué)原子物理學(xué)(Atomic Physics)主要參考書：主要參考書：茍清泉，茍清泉，原子物理學(xué)原子物理學(xué)，高等教育出版社，高等教育出版社楊福家，楊福家，原子物理學(xué)原子物理學(xué)，高等教育出版社，高等教育出版社周尚文，周尚文，原子物理學(xué)原子物理學(xué)，蘭州大學(xué)出版社，蘭州大學(xué)出版社李申生李申生( (譯譯) )，量子物理學(xué)量子物理學(xué)，高等教育出版社，高等教育出版社 主主 講：薛講：薛 紅紅 教授教授渭南師范學(xué)院渭南師范學(xué)院 物理系物理系 物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、相互作用和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)最基物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、相互作用和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)最基本、

2、最普遍的規(guī)律的科學(xué)，它的研究對(duì)象十分廣泛。本、最普遍的規(guī)律的科學(xué)，它的研究對(duì)象十分廣泛。 空間尺度空間尺度 （相差（相差 1046） 1026 m（約（約150億光年）（宇宙）億光年）（宇宙）10-20 m（夸克）（夸克） 時(shí)間尺度時(shí)間尺度 （相差（相差1045 ） 1018 s（150億年）（宇宙年齡）億年）（宇宙年齡）10-27 s（硬（硬 射線周期）射線周期） 速率范圍速率范圍 0（靜止）（靜止）3 108 m/s（光速）（光速） 不同尺度和速度范圍的對(duì)象要用不同的物理學(xué)方法研究不同尺度和速度范圍的對(duì)象要用不同的物理學(xué)方法研究 表表1 1 長(zhǎng)長(zhǎng)度度的的數(shù)數(shù)量量級(jí)級(jí) 長(zhǎng)長(zhǎng) 度度 米米 長(zhǎng)長(zhǎng)

3、 度度 米米質(zhì)質(zhì)子子半半徑徑 1 10 0- -1 15 5地地球球半半徑徑 1 10 07 7電電子子的的康康普普頓頓波波長(zhǎng)長(zhǎng) 1 10 0- -1 12 2太太陽(yáng)陽(yáng)半半徑徑 1 10 09 9原原子子半半徑徑 1 10 0- -1 10 0日日- -地地軌軌道道半半徑徑 1 10 01 11 1病病毒毒半半徑徑 1 10 0- -7 7太太陽(yáng)陽(yáng)系系半半徑徑 1 10 01 13 3阿阿米米巴巴原原蟲蟲半半徑徑 1 10 0- -4 4地地球球到到最最近近恒恒星星距距離離 1 10 01 16 6昆昆蟲蟲長(zhǎng)長(zhǎng)度度 1 10 0- -2 2銀銀河河系系半半徑徑 1 10 02 21 1人人體體

4、高高度度 1 10 00 0星星團(tuán)團(tuán)系系半半徑徑 1 10 02 23 3紅紅杉杉樹樹高高度度 1 10 02 2朝朝星星系系團(tuán)團(tuán)半半徑徑 1 10 02 24 4珠珠峰峰高高度度 1 10 04 4類類星星體體距距離離 1 10 02 26 6 102510-2510-1510-2010-1010-511051015102010101021041061081010相對(duì)論物理相對(duì)論物理經(jīng)典物理經(jīng)典物理量子物理量子物理人類人類活動(dòng)活動(dòng)尺度尺度 (cm)速度速度 (cm/s)物質(zhì)世界結(jié)構(gòu)物質(zhì)世界結(jié)構(gòu)實(shí)物實(shí)物分分 子子原原 子子原子核原子核質(zhì)子質(zhì)子中子中子夸夸 克克 電電 子子(輕子輕子) 場(chǎng)場(chǎng) 規(guī)

5、范粒子規(guī)范粒子宇宇宙宙大大爆爆炸炸標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)模模型型粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型宇宇 宙宙費(fèi)米子費(fèi)米子1m10-2010-1510-1010-5101510510101025 1020W+粒子粒子微觀微觀介觀介觀宏觀宏觀宇觀宇觀山山太陽(yáng)系太陽(yáng)系地球地球星系團(tuán)星系團(tuán)星系星系原子原子原子核原子核DNA人人 原子物理學(xué)原子物理學(xué)是研究原子是研究原子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門科學(xué)。律的一門科學(xué)?！霸釉印保╝tomatom）一詞來自希臘文，含義是）一詞來自希臘文，含義是“不可分割的不可分割的”。公元前四世紀(jì)，古希臘哲。公元前四世紀(jì)，古希臘哲學(xué)家德謨克利特學(xué)家德謨克利特(D

6、emocritus)(Democritus)提出了這一概提出了這一概念，并把它當(dāng)作物質(zhì)的最小單元。念，并把它當(dāng)作物質(zhì)的最小單元。 18071807年，英國(guó)科學(xué)家約翰年，英國(guó)科學(xué)家約翰 道爾頓道爾頓(John Dalton)(John Dalton)提出原子論。提出原子論。他認(rèn)為原子類似于剛性的小球，它們是物質(zhì)世界的基本結(jié)構(gòu)單元，他認(rèn)為原子類似于剛性的小球，它們是物質(zhì)世界的基本結(jié)構(gòu)單元，是不可分割的。是不可分割的。 In 1807, an English scientist called John Dalton put forward his ideas about atoms. From hi

7、s experiments and observations, he suggested that: Atoms were like tiny, hard balls. Each chemical element had its own atoms that differed from others in mass. Dalton believed that atoms were the fundamental building blocks of nature and could not be split. In chemical reactions, the atoms would rea

8、rrange themselves and combine with other atoms in new ways. 道爾頓用他的學(xué)說說明了化學(xué)中的物質(zhì)不滅定律道爾頓用他的學(xué)說說明了化學(xué)中的物質(zhì)不滅定律等。道爾頓的原子說是根據(jù)事實(shí)概括的結(jié)果，能夠等。道爾頓的原子說是根據(jù)事實(shí)概括的結(jié)果，能夠用來研究和發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象，因此比古代原子說更進(jìn)用來研究和發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象，因此比古代原子說更進(jìn)一步。一步。 十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相繼發(fā)現(xiàn)，如電子、繼發(fā)現(xiàn)，如電子、 X 射線和放射性元素的發(fā)射線和放射性元素的發(fā)現(xiàn)表明原子是可以分割的，它具有比較復(fù)雜的現(xiàn)表明原子是可以

9、分割的，它具有比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。那么，原子是怎樣組成的？原子的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。那么，原子是怎樣組成的？原子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如何？這就是原子物理學(xué)要研究的問題。規(guī)律如何？這就是原子物理學(xué)要研究的問題。 原子物理學(xué)原子物理學(xué) 第一章第一章 原子的基本狀況原子的基本狀況 第二章第二章 原子的能級(jí)和輻射原子的能級(jí)和輻射 第三章第三章 量子力學(xué)初步量子力學(xué)初步 第四章第四章 堿金屬原子和電子自旋堿金屬原子和電子自旋 第五章第五章 多電子原子多電子原子 第六章第六章 在磁場(chǎng)中的原子在磁場(chǎng)中的原子 第七章第七章 原子的殼層結(jié)構(gòu)原子的殼層結(jié)構(gòu) 第八章第八章 X射線射線 第九章第九章 分子結(jié)構(gòu)和分子光譜分子結(jié)構(gòu)和分子光譜 第

10、十章第十章 原子核原子核 第十一章第十一章 基本粒子基本粒子 教教 材材 內(nèi)內(nèi) 容容 簡(jiǎn)簡(jiǎn) 解解 教材共分十一章，前八章以闡述原子結(jié)構(gòu)為中心內(nèi)容，主要以關(guān)教材共分十一章，前八章以闡述原子結(jié)構(gòu)為中心內(nèi)容，主要以關(guān)于光譜、電磁現(xiàn)象、于光譜、電磁現(xiàn)象、X射線等方面的實(shí)驗(yàn)事實(shí)和有關(guān)規(guī)律為依據(jù)，射線等方面的實(shí)驗(yàn)事實(shí)和有關(guān)規(guī)律為依據(jù)，逐步揭示原子結(jié)構(gòu)的情況。其中，第二、四、五章，從氫原子、堿逐步揭示原子結(jié)構(gòu)的情況。其中，第二、四、五章，從氫原子、堿金屬原子到多電子原子，逐步介紹了核外電子的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及金屬原子到多電子原子，逐步介紹了核外電子的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其相互作用。第十、十一章扼要介紹原子核和基本

11、粒子的知識(shí)。其相互作用。第十、十一章扼要介紹原子核和基本粒子的知識(shí)。 第一章介紹原子的核式結(jié)構(gòu)模型，同時(shí)闡明這種模型與經(jīng)典物理第一章介紹原子的核式結(jié)構(gòu)模型，同時(shí)闡明這種模型與經(jīng)典物理的矛盾；的矛盾； 第二章介紹玻爾等人為克服經(jīng)典困難，創(chuàng)造性地把量子概念引入第二章介紹玻爾等人為克服經(jīng)典困難，創(chuàng)造性地把量子概念引入原子領(lǐng)域，建立了早期量子理論；原子領(lǐng)域，建立了早期量子理論； 第四章中引入了第四章中引入了“電子自旋電子自旋”的概念，深化了人們對(duì)核外電子運(yùn)的概念，深化了人們對(duì)核外電子運(yùn)動(dòng)形式的認(rèn)識(shí)；動(dòng)形式的認(rèn)識(shí)； 第五章應(yīng)用軌道與自旋相互作用來研究多電子體系，并得出泡利第五章應(yīng)用軌道與自旋相互作用來研

12、究多電子體系，并得出泡利原理。原理。第七章利用泡利原理等規(guī)律來建造核外電子的殼層結(jié)構(gòu)，從而給第七章利用泡利原理等規(guī)律來建造核外電子的殼層結(jié)構(gòu)，從而給元素周期表以現(xiàn)代觀點(diǎn)的解釋。元素周期表以現(xiàn)代觀點(diǎn)的解釋。第八章闡述第八章闡述X射線的產(chǎn)生及其規(guī)律。射線的產(chǎn)生及其規(guī)律。 在前八章中我們即能看到早期量子理論的成功，又能看到因?yàn)樗谇鞍苏轮形覀兗茨芸吹皆缙诹孔永碚摰某晒?，又能看到因?yàn)樗鼪]有脫離經(jīng)典物理的舊框架而帶來的局限性。沒有脫離經(jīng)典物理的舊框架而帶來的局限性。 第三章介紹量子力學(xué)的基本概念，并描繪出應(yīng)用它來分析氫原子第三章介紹量子力學(xué)的基本概念，并描繪出應(yīng)用它來分析氫原子時(shí)所得到的嶄新的物理圖象，

13、以簡(jiǎn)例說明量子力學(xué)處理問題的方法。時(shí)所得到的嶄新的物理圖象，以簡(jiǎn)例說明量子力學(xué)處理問題的方法。要進(jìn)一步學(xué)習(xí)量子力學(xué)需要有足夠的有關(guān)原子和分子的知識(shí)。要進(jìn)一步學(xué)習(xí)量子力學(xué)需要有足夠的有關(guān)原子和分子的知識(shí)。 第九章簡(jiǎn)單論述分子結(jié)構(gòu)，使學(xué)生擴(kuò)大對(duì)原子實(shí)際存在狀況的了第九章簡(jiǎn)單論述分子結(jié)構(gòu)，使學(xué)生擴(kuò)大對(duì)原子實(shí)際存在狀況的了解。解。 第十章將進(jìn)入比原子更深的一個(gè)層次第十章將進(jìn)入比原子更深的一個(gè)層次原子核。主要介紹核的原子核。主要介紹核的性質(zhì)、組成及內(nèi)部的相互作用；介紹核內(nèi)自發(fā)的一種運(yùn)動(dòng)形式性質(zhì)、組成及內(nèi)部的相互作用；介紹核內(nèi)自發(fā)的一種運(yùn)動(dòng)形式核衰變以及人工引起的核反應(yīng)。核衰變以及人工引起的核反應(yīng)。 第十

14、一章介紹比原子更深的層次第十一章介紹比原子更深的層次“粒子粒子”。由于粒子物理還。由于粒子物理還是處于研究階段的年輕科學(xué)，只對(duì)粒子的分類及其相互作用、守恒是處于研究階段的年輕科學(xué)，只對(duì)粒子的分類及其相互作用、守恒定律作簡(jiǎn)要的介紹，并提出比粒子更深層次的模型定律作簡(jiǎn)要的介紹，并提出比粒子更深層次的模型夸克（層子）夸克（層子）模型。模型。v 其中沒有包括實(shí)驗(yàn)方法的說明和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，只用文字圖表作介紹。其中沒有包括實(shí)驗(yàn)方法的說明和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，只用文字圖表作介紹。 說說 明明通過本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)使學(xué)生了解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及物質(zhì)運(yùn)通過本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)使學(xué)生了解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和變化規(guī)律，幫助學(xué)生建立辨

15、證唯物主義世界觀，為學(xué)生畢動(dòng)和變化規(guī)律，幫助學(xué)生建立辨證唯物主義世界觀，為學(xué)生畢業(yè)后從事中學(xué)物理教學(xué)及科研工作打下良好的基礎(chǔ)。業(yè)后從事中學(xué)物理教學(xué)及科研工作打下良好的基礎(chǔ)。原子物理的內(nèi)容很多，頭緒紛繁，每一內(nèi)容都要提到但又難原子物理的內(nèi)容很多，頭緒紛繁，每一內(nèi)容都要提到但又難于深入探討；于深入探討；微觀世界中的許多新概念與經(jīng)典概念和日常生活經(jīng)驗(yàn)不同，微觀世界中的許多新概念與經(jīng)典概念和日常生活經(jīng)驗(yàn)不同，甚至格格不如；甚至格格不如； 本課程計(jì)劃講授本課程計(jì)劃講授54學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)。緒緒 論論一、一、 原子物理學(xué)的研究?jī)?nèi)容原子物理學(xué)的研究?jī)?nèi)容 物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的最一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的科學(xué)。要回答三

16、個(gè)共物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的最一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的科學(xué)。要回答三個(gè)共同的問題：由什么組成的；組成物是怎樣運(yùn)動(dòng)的；怎么相互作用的。同的問題：由什么組成的；組成物是怎樣運(yùn)動(dòng)的；怎么相互作用的。 原子是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的微小單元。原子是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的微小單元。 原子物理學(xué)主要研究原子的微觀結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。即是關(guān)于物質(zhì)微原子物理學(xué)主要研究原子的微觀結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。即是關(guān)于物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的一門科學(xué)。觀結(jié)構(gòu)的一門科學(xué)。二、二、 原子物理學(xué)的發(fā)展原子物理學(xué)的發(fā)展 (1)古代時(shí)期的原子學(xué)說：古代思想家很早就提出了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)想。公元前古代時(shí)期的原子學(xué)說：古代思想家很早就提出了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)想。公元前四世紀(jì)，

17、古希臘的哲學(xué)家德謨克利特就提出了四世紀(jì)，古希臘的哲學(xué)家德謨克利特就提出了“原子原子”的概念，并把它當(dāng)成的概念，并把它當(dāng)成“不不可分割可分割”的物質(zhì)最小單元。這是原始的原子學(xué)說。的物質(zhì)最小單元。這是原始的原子學(xué)說。 (2)近代時(shí)期的發(fā)展情況：建立在科學(xué)基礎(chǔ)上的原子學(xué)說是到了近二三百年內(nèi)近代時(shí)期的發(fā)展情況：建立在科學(xué)基礎(chǔ)上的原子學(xué)說是到了近二三百年內(nèi)才發(fā)展的。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，伽利略、笛卡兒、玻意耳、牛頓等科學(xué)家都支才發(fā)展的。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，伽利略、笛卡兒、玻意耳、牛頓等科學(xué)家都支持物質(zhì)的原子觀。持物質(zhì)的原子觀。 目前對(duì)微觀世界的研究，已從原子、原子核這兩個(gè)層次，深入到更基本的粒目前對(duì)微觀世

18、界的研究，已從原子、原子核這兩個(gè)層次，深入到更基本的粒子層次，以及比粒子更深入的層次（夸克等）。子層次，以及比粒子更深入的層次（夸克等）。 三三 、原子物理學(xué)的地位與作用、原子物理學(xué)的地位與作用 （一）原子物理學(xué)研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，這是更深入更基本的物理問題。要揭（一）原子物理學(xué)研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，這是更深入更基本的物理問題。要揭示宏觀現(xiàn)象與規(guī)律的本質(zhì)，非從微觀結(jié)構(gòu)考慮不可。示宏觀現(xiàn)象與規(guī)律的本質(zhì)，非從微觀結(jié)構(gòu)考慮不可。 （二）原子物理學(xué)的發(fā)展不只涉及物理學(xué)的某些部門，而是影響到物理學(xué)的全（二）原子物理學(xué)的發(fā)展不只涉及物理學(xué)的某些部門，而是影響到物理學(xué)的全部領(lǐng)域。同時(shí)，原子物理學(xué)還和化學(xué)、生物

19、學(xué)、結(jié)晶學(xué)、礦物學(xué)、冶金學(xué)、天文部領(lǐng)域。同時(shí)，原子物理學(xué)還和化學(xué)、生物學(xué)、結(jié)晶學(xué)、礦物學(xué)、冶金學(xué)、天文學(xué)等學(xué)科緊密相關(guān)。學(xué)等學(xué)科緊密相關(guān)。 （三）原子物理學(xué)的知識(shí)在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、國(guó)防等方面有著廣泛的應(yīng)（三）原子物理學(xué)的知識(shí)在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、國(guó)防等方面有著廣泛的應(yīng)用，在當(dāng)今世界進(jìn)入新技術(shù)革命的時(shí)候，原子物理學(xué)的地位和作用就更加突出。用，在當(dāng)今世界進(jìn)入新技術(shù)革命的時(shí)候，原子物理學(xué)的地位和作用就更加突出。 （四）原子物理學(xué)的發(fā)展過程是人們的認(rèn)識(shí)由宏觀世界進(jìn)入微觀世界的過程，（四）原子物理學(xué)的發(fā)展過程是人們的認(rèn)識(shí)由宏觀世界進(jìn)入微觀世界的過程，也是思想觀念和思維方式不斷變革的過程。也是思想

20、觀念和思維方式不斷變革的過程。 四、四、 學(xué)習(xí)上應(yīng)注意的幾點(diǎn)問題學(xué)習(xí)上應(yīng)注意的幾點(diǎn)問題 （一）實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)。（一）實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)。 (二）科學(xué)是逐步地不斷發(fā)展的。二）科學(xué)是逐步地不斷發(fā)展的。 （三）對(duì)微觀體系不能要求都按宏觀規(guī)律來描述。（三）對(duì)微觀體系不能要求都按宏觀規(guī)律來描述。 （四）必須說明，原子物理學(xué)中并未完全否定經(jīng)典規(guī)律，不少經(jīng)典規(guī)律仍在（四）必須說明，原子物理學(xué)中并未完全否定經(jīng)典規(guī)律，不少經(jīng)典規(guī)律仍在 微觀物理中有用，但須由實(shí)踐來檢驗(yàn)。微觀物理中有用，但須由實(shí)踐來檢驗(yàn)。 第一章第一章 原子的基本狀況原子的基本狀況一、教材分析一、教材分析 人們對(duì)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，是經(jīng)過了

21、漫長(zhǎng)時(shí)間的探索，不斷地深化的。直到1897年湯姆遜（J.J.Thomson）發(fā)現(xiàn)電子后，人們才認(rèn)識(shí)到原子并不是構(gòu)成物質(zhì)的最小微粒，從而開始對(duì)原子內(nèi)部的探索。本章在介紹原子的基本狀況后，著重介紹對(duì)揭示原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)起著重要作用的粒子散射實(shí)驗(yàn)，以及在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上盧瑟福(E.Rutherford)提出的原子核式結(jié)構(gòu)理論。 二、教學(xué)目的與要點(diǎn)二、教學(xué)目的與要點(diǎn)1.了解盧瑟福提出原子核式結(jié)構(gòu)模型的背景。2.了解盧瑟福原子模型與湯姆遜原子模型的主要區(qū)別以及 如何判斷它們的正確與否。3.掌握盧瑟福散射公式的推導(dǎo)及其應(yīng)用。4.了解盧瑟福原子模型的意義以及它所面臨的困難。 三、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：三、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：

22、1. 盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)模型。2. 散射理論與盧瑟福散射公式及其應(yīng)用。v課時(shí)按排：課時(shí)按排：4學(xué)時(shí)1.1 原子的質(zhì)量和大小原子的質(zhì)量和大小一、原子的質(zhì)量一、原子的質(zhì)量 由于量度方法的不同，原子的質(zhì)量有相對(duì)質(zhì)量與絕對(duì)質(zhì)量?jī)捎捎诹慷确椒ǖ牟煌?，原子的質(zhì)量有相對(duì)質(zhì)量與絕對(duì)質(zhì)量?jī)煞N表示方式。種表示方式。 1. 原子的相對(duì)質(zhì)量原子的相對(duì)質(zhì)量 在化學(xué)和物理學(xué)中常采用在化學(xué)和物理學(xué)中常采用“原子量原子量A”來表示不同原子的相對(duì)來表示不同原子的相對(duì)質(zhì)量。質(zhì)量。1961年國(guó)際原子量委員會(huì)規(guī)定，將碳年國(guó)際原子量委員會(huì)規(guī)定，將碳 的質(zhì)量定為的質(zhì)量定為12.00個(gè)質(zhì)量單位為原子量的標(biāo)準(zhǔn)，符號(hào)為個(gè)質(zhì)量單位為原子量的標(biāo)準(zhǔn)

23、，符號(hào)為u，即，即 原子質(zhì)量等原子質(zhì)量等于于12.00u。將其它原子的質(zhì)量與之相比較可定出該原子質(zhì)量的相。將其它原子的質(zhì)量與之相比較可定出該原子質(zhì)量的相對(duì)值。這個(gè)值就稱為該原子的原子量。因此，某元素的原子量表對(duì)值。這個(gè)值就稱為該原子的原子量。因此，某元素的原子量表示了該元素原子的相對(duì)質(zhì)量。示了該元素原子的相對(duì)質(zhì)量。 例如：氫原子的原子量為例如：氫原子的原子量為1.0079，氫原子的相對(duì)質(zhì)量為，氫原子的相對(duì)質(zhì)量為1.0079u； 氦原子的原子量為氦原子的原子量為4.0026，氦原子的相對(duì)質(zhì)量為，氦原子的相對(duì)質(zhì)量為4.0026u。 C12C122.原子的絕對(duì)質(zhì)量原子的絕對(duì)質(zhì)量 原子的絕對(duì)質(zhì)量是用千

24、克或克為單位來表示原子的質(zhì)量，用原子的絕對(duì)質(zhì)量是用千克或克為單位來表示原子的質(zhì)量，用MA表示。若以表示。若以N0表示阿伏加德羅常數(shù)，則該元素單個(gè)原子的絕對(duì)表示阿伏加德羅常數(shù)，則該元素單個(gè)原子的絕對(duì)質(zhì)量為質(zhì)量為: MA=A/N0 則可算出單個(gè)則可算出單個(gè)C原子的質(zhì)量為：原子的質(zhì)量為： MC=12.0000/N0克克=1.992610-26千克千克 單個(gè)單個(gè)H原子的質(zhì)量為：原子的質(zhì)量為： MH=1.0079/ N0克克=1.673710-27千克千克 u和克的換算關(guān)系為：和克的換算關(guān)系為： 1u=1/N0克克 即即: 1u=1.6605410-27千克千克 二、原子的大小二、原子的大小 1. 在空

25、間點(diǎn)陣模型下估算原子的大小在空間點(diǎn)陣模型下估算原子的大小 假定原子是球形的，每個(gè)原子的半徑為假定原子是球形的，每個(gè)原子的半徑為r，原子量為，原子量為A，原子質(zhì)，原子質(zhì)量密度為量密度為（g/cm3），則），則A克原子的總體積為：克原子的總體積為： V=A/ 而一個(gè)半徑為而一個(gè)半徑為r的原子，體積為的原子，體積為4r3/3，則有：，則有： V=A/=4r3N0/3 由此可估算出原子的半徑。公式為：由此可估算出原子的半徑。公式為：310)43(NAr2.從氣體分子運(yùn)動(dòng)論估算原子的大小從氣體分子運(yùn)動(dòng)論估算原子的大小 根據(jù)氣體分子的平均自由程公式：根據(jù)氣體分子的平均自由程公式： 式中式中n表示分子數(shù)密度

26、，表示分子數(shù)密度，r表示分子的半徑（假定為球形）。即得：表示分子的半徑（假定為球形）。即得： 3.由范德瓦爾斯方程估算原子的大小由范德瓦爾斯方程估算原子的大小 理論上來說，范氏方程中的體積修正量理論上來說，范氏方程中的體積修正量b應(yīng)等于應(yīng)等于1mol氣體分子總氣體分子總體積的體積的4倍。由實(shí)驗(yàn)測(cè)定一組倍。由實(shí)驗(yàn)測(cè)定一組p、v、T值，根據(jù)范氏方程：值，根據(jù)范氏方程： 可確定可確定b值，由此估算出分子的半徑，其數(shù)量級(jí)與原子半徑的數(shù)量值，由此估算出分子的半徑，其數(shù)量級(jí)與原子半徑的數(shù)量級(jí)相同。級(jí)相同。 從不同的方法求同一種原子的半徑，所得數(shù)值的數(shù)量級(jí)相同，都從不同的方法求同一種原子的半徑，所得數(shù)值的數(shù)

27、量級(jí)相同，都是是10-10米（米（1）。各種原子的半徑是不同的，但都具有相同的數(shù)量）。各種原子的半徑是不同的，但都具有相同的數(shù)量級(jí)級(jí)10-10米米。 nrnd22242121)22(nrRTbvvap)(21.2 原子的核式結(jié)構(gòu)原子的核式結(jié)構(gòu)一、湯姆遜模型一、湯姆遜模型1.模型的提出模型的提出2.湯姆遜模型湯姆遜模型原子是一個(gè)半徑約為原子是一個(gè)半徑約為10-10米（米（1）的彈性的凍膠狀的小球，正電荷）的彈性的凍膠狀的小球，正電荷均勻分布在整個(gè)球內(nèi)，而帶負(fù)電荷的電子則鑲嵌在這個(gè)球體中，正、均勻分布在整個(gè)球內(nèi)，而帶負(fù)電荷的電子則鑲嵌在這個(gè)球體中，正、負(fù)電荷的量值相等。原子中的電子在它們的平衡位置

28、上作簡(jiǎn)諧振動(dòng)。負(fù)電荷的量值相等。原子中的電子在它們的平衡位置上作簡(jiǎn)諧振動(dòng)。 二、原子的核式結(jié)構(gòu)模型二、原子的核式結(jié)構(gòu)模型1.粒子散射實(shí)驗(yàn)粒子散射實(shí)驗(yàn)(1)實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示： 1909年盧瑟福（年盧瑟福（E.Rutherford）指導(dǎo)他的學(xué)生蓋）指導(dǎo)他的學(xué)生蓋革（革（H.Geiger）和馬斯頓（）和馬斯頓（E.Marsden）做）做粒子散射粒子散射實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)。 發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)粒子受金屬箔散射時(shí)粒子受金屬箔散射時(shí)：絕大多數(shù)平均只有絕大多數(shù)平均只有23度的偏轉(zhuǎn)；但還有度的偏轉(zhuǎn)；但還有1/8000的的粒子偏轉(zhuǎn)大于粒子偏轉(zhuǎn)大于90，其中有接近其中有接近180的。的。 這種大角度散射現(xiàn)象的出現(xiàn)是完全出乎人們的意

29、這種大角度散射現(xiàn)象的出現(xiàn)是完全出乎人們的意料的，不可能解釋為偶然性的小角散射的積累。料的，不可能解釋為偶然性的小角散射的積累。(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)結(jié)果：2.對(duì)對(duì)粒子散射實(shí)驗(yàn)的解釋遇到困難粒子散射實(shí)驗(yàn)的解釋遇到困難 若設(shè)鉑（若設(shè)鉑（Pt）原子半徑為）原子半徑為R，粒子與鉑原子中心的距離為粒子與鉑原子中心的距離為r，在湯姆遜模型下，在湯姆遜模型下，粒子所受到的靜電斥力為：粒子所受到的靜電斥力為： rR時(shí)，時(shí)，F(xiàn)=2Ze2/40r2，粒子從原子外面飛過；粒子從原子外面飛過； r=R時(shí)，時(shí)，F(xiàn)=2Ze2/40R2，粒子從原子表面飛過；粒子從原子表面飛過； rR時(shí)，時(shí)，F(xiàn)=2Ze2r/40R3，粒子從原

30、子內(nèi)部飛過。粒子從原子內(nèi)部飛過。其分布如圖所示：其分布如圖所示： R結(jié)論：將不出現(xiàn)大角度散射。結(jié)論：將不出現(xiàn)大角度散射。3. 原子的核式結(jié)構(gòu)模型原子的核式結(jié)構(gòu)模型 原子由原子核和核外電子組成，原子核幾乎集中了整個(gè)原原子由原子核和核外電子組成，原子核幾乎集中了整個(gè)原子的質(zhì)量，且?guī)д?。子的質(zhì)量，且?guī)д姟?結(jié)論：可能出現(xiàn)大角度散射。結(jié)論：可能出現(xiàn)大角度散射。比較：湯姆遜模型：比較：湯姆遜模型： rR r=R 最大值最大值 rR 盧瑟福核式模型：盧瑟福核式模型： .42220FrrZeF隨3242RrZeFO2242RZeFO2242rZeFo202214reZZFRRrRreZZRrreZZFT

31、302212022144三、三、粒子散射理論粒子散射理論1. 對(duì)對(duì)粒子散射實(shí)驗(yàn)的解釋粒子散射實(shí)驗(yàn)的解釋 設(shè)一個(gè)設(shè)一個(gè)粒子入射到一個(gè)帶有電荷粒子入射到一個(gè)帶有電荷Ze的原子核附近，原子核的原子核附近，原子核的質(zhì)量遠(yuǎn)大于的質(zhì)量遠(yuǎn)大于粒子的質(zhì)量，原子核可認(rèn)為靜止，粒子的質(zhì)量，原子核可認(rèn)為靜止，粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，故以原子核為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，如圖所示：故以原子核為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，如圖所示：描準(zhǔn)距離描準(zhǔn)距離b與偏轉(zhuǎn)角與偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系為：的關(guān)系為： bZeMctg222420結(jié)論：結(jié)論：瞄準(zhǔn)距離瞄準(zhǔn)距離b越小，散射越小，散射角越大。當(dāng)角越大。當(dāng)b小到一定程度時(shí)，小到一定程度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)就會(huì)出現(xiàn) 的大

32、角散射。的大角散射。當(dāng)當(dāng)b足夠小時(shí)足夠小時(shí),可以大于可以大于90,甚至接近甚至接近180。 2b+Ze+2emv r下面我們進(jìn)行推導(dǎo)：下面我們進(jìn)行推導(dǎo)：由牛頓定律有：由牛頓定律有：dtvdmamF由庫(kù)侖定律有：由庫(kù)侖定律有：020242rrZeFxy根據(jù)上兩式可知：根據(jù)上兩式可知：020242rrZedtvdm020242rrZedtddvdm020242rdtdmrZedvd(*)b+Ze+2emv r因庫(kù)侖力是中心力，而中心力滿足角動(dòng)量守恒，所以有因庫(kù)侖力是中心力，而中心力滿足角動(dòng)量守恒，所以有Ldtdmrdtdmr22其中其中L為常數(shù)，代表為常數(shù)，代表 粒子的角動(dòng)量的大小。粒子的角動(dòng)量的

33、大小。把上式代入把上式代入(*)式并整理，式并整理，可得：可得：drLZevd00242上式兩端同時(shí)積分上式兩端同時(shí)積分drLZevdfivv00242(其中其中 和和 分別代表分別代表 粒子粒子的初速度和末速度的初速度和末速度)ivfvsincos0jir并代入并代入可得：可得：b+Ze+2emv rdjdiLZevvifsincos42022cos2sin2coscos1sin420202jiLZejiLZe由此可見由此可見2cos02LZevvif而由矢量圖可知而由矢量圖可知2sin2vvvififvvivfv b+Ze+2emv r因此可知因此可知2sin22cos02vLZe即即02

34、22vLctgZe22022Zebmvctg最后再把最后再把mvbL 代入上式即可得出：代入上式即可得出：此即此即(1)式。式。從從(1)式可以看出，式可以看出， 與與 b 有對(duì)應(yīng)關(guān)系：有對(duì)應(yīng)關(guān)系：b 大，大， 就??；就??；b 小，小， 就大；對(duì)其一就大；對(duì)其一b ，有一定的，有一定的 與之對(duì)應(yīng)。與之對(duì)應(yīng)。dMvZedbbd2sin2cos2412322220(2)凡通過圖中所示以凡通過圖中所示以b為外半徑、為外半徑、b-db為內(nèi)半徑那個(gè)環(huán)形面積的為內(nèi)半徑那個(gè)環(huán)形面積的 粒子，必定散射到角度在粒子，必定散射到角度在 和和 +d 之間的一個(gè)空心圓錐體之中。之間的一個(gè)空心圓錐體之中。環(huán)形面積等于環(huán)

35、形面積等于 那些瞄推距離在那些瞄推距離在b和和b-db之間的之間的 粒子，散射后，必定向著粒子，散射后，必定向著 和和 +d 之間的角度射出，如下圖所示。之間的角度射出，如下圖所示。2.盧瑟福散射公式盧瑟福散射公式(1)一個(gè)原子對(duì)一個(gè)原子對(duì)粒子的散射：粒子的散射： 稱為微分截面或稱有效散射截面。稱為微分截面或稱有效散射截面。如圖所示：如圖所示： bdbd2此即盧瑟福散射公式。此即盧瑟福散射公式。 (2)式可用空心圓錐體的立體角表達(dá)以代替式可用空心圓錐體的立體角表達(dá)以代替d 。由下圖。由下圖可知，這可知，這里的立體角與里的立體角與d 有如下關(guān)系：有如下關(guān)系：ddrrdrd2cos2sin4sin

36、2sin22代入代入(2)式，可得式，可得2sin412422220dMvZedbbd(3)2sin)()41(422220dMZed 由于通過的由于通過的粒子數(shù)與粒子數(shù)與d成正比，即成正比，即d和觀察所得和觀察所得的粒子數(shù)有聯(lián)系。的粒子數(shù)有聯(lián)系。d物理意義：物理意義：d表示將表示將粒子散射到粒子散射到至至+d之間立體之間立體角角d內(nèi)每個(gè)原子的有效散射截面（又稱微分截面）。內(nèi)每個(gè)原子的有效散射截面（又稱微分截面）。盧瑟福散射公式：盧瑟福散射公式：(2)大量原子（鉑片）對(duì)大量原子（鉑片）對(duì)粒子的散射粒子的散射 如圖所示：如圖所示： 箔片上的總原子數(shù)為：箔片上的總原子數(shù)為： N=NAtN個(gè)原子的有

37、效散射截面為：個(gè)原子的有效散射截面為： d= Nd=NAtd 若設(shè)入射的若設(shè)入射的粒子數(shù)為粒子數(shù)為n，其中散射到，其中散射到至至d之間的單位立體角的粒子數(shù)為之間的單位立體角的粒子數(shù)為dn，這，這dn個(gè)個(gè)粒子必定通過粒子必定通過d，則：則： NtdANAtdAdndnndnNtd1物理意義物理意義： d表示每個(gè)入射的表示每個(gè)入射的粒子被單位面積內(nèi)的靶核散射到粒子被單位面積內(nèi)的靶核散射到至至d內(nèi)的概率。即每個(gè)內(nèi)的概率。即每個(gè)粒子散射到立體角粒子散射到立體角d內(nèi)的概率。內(nèi)的概率。 得：得：At常數(shù)222204)()41(2sinMvZeNntddn表明：落入表明：落入d中的中的粒子數(shù)粒子數(shù)dn 與與

38、粒子的能量（粒子的能量（M、v）、粒子總數(shù)）、粒子總數(shù)n有關(guān)；有關(guān)； 與金屬箔的與金屬箔的Z、N和厚度和厚度t有關(guān)；有關(guān)； 與觀察角與觀察角之間存在一定的定量關(guān)系。之間存在一定的定量關(guān)系。 結(jié)合盧瑟福的散射公式，得：結(jié)合盧瑟福的散射公式，得：常數(shù)222204412sinMvZeNntddn(5) 實(shí)際測(cè)量時(shí)，不取實(shí)際測(cè)量時(shí)，不取 與與 +d 之間的全部立體角，也就是不采之間的全部立體角，也就是不采用圖用圖6中環(huán)形帶所張的全部立體角。測(cè)量的熒光屏只在不同方向中環(huán)形帶所張的全部立體角。測(cè)量的熒光屏只在不同方向張了一個(gè)小立體角張了一個(gè)小立體角d ，實(shí)際測(cè)得的粒子數(shù)是在，實(shí)際測(cè)得的粒子數(shù)是在d中的中的

39、dn 。但。但很容易理解，很容易理解， 相同時(shí)，相同時(shí)，dn d dnd 。所以所以(5)式與實(shí)驗(yàn)式與實(shí)驗(yàn)核對(duì)時(shí)，用核對(duì)時(shí)，用dn d 代替代替dnd 。(3)局部與整體的關(guān)系：局部與整體的關(guān)系：常數(shù)222204)MvZe(Nnt)41(2sinddn(4) 結(jié)論：結(jié)論：散射與偏轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系：散射與偏轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系： =常數(shù)常數(shù) 或或 ； 散射與金屬箔厚度之間的關(guān)系：散射與金屬箔厚度之間的關(guān)系： ； 散射與粒子能量之間的關(guān)系：散射與粒子能量之間的關(guān)系： ；散射與核電荷數(shù)之間的關(guān)系：散射與核電荷數(shù)之間的關(guān)系： 。 2sindn42sin1dn4tdn22Mdndn比粒子入射動(dòng)能平方成反與2)Z

40、e(dn已被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。已被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 dMvZeNntdn2sin2cos41322220 粒子散射公式的常用形式：粒子散射公式的常用形式：212sin2cos41322220dMvZeNntdnn四、查德維克定律四、查德維克定律原子核的原子核的Z值測(cè)定值測(cè)定 查德維克定律查德維克定律（結(jié)論）：原子核的電荷數(shù)（結(jié)論）：原子核的電荷數(shù)Z，即中性，即中性原子的電子數(shù)等于其原子序數(shù)。原子的電子數(shù)等于其原子序數(shù)。 意義：將原子結(jié)構(gòu)與元素周期表聯(lián)系起來。意義：將原子結(jié)構(gòu)與元素周期表聯(lián)系起來。 五、原子核大小的推斷五、原子核大小的推斷 設(shè)設(shè)粒子離原子核很遠(yuǎn)時(shí)的速度為粒子離原子核很遠(yuǎn)時(shí)的速度為v，到離原子核

41、最小距離，到離原子核最小距離rm處處速度為速度為v，根據(jù)能量守恒定律：，根據(jù)能量守恒定律： mrZeMvMv22 224121210有心力場(chǎng)中角動(dòng)量守恒：有心力場(chǎng)中角動(dòng)量守恒： mrMvMvb)2sin11 (241220MvZerm得：得： 近幾年人工加速器獲得的入射粒子的速度比天然放射性元素入近幾年人工加速器獲得的入射粒子的速度比天然放射性元素入出的粒子速度高得多，測(cè)得原子核半徑的數(shù)量級(jí)在出的粒子速度高得多，測(cè)得原子核半徑的數(shù)量級(jí)在10-15米的范圍。米的范圍?，F(xiàn)在認(rèn)為現(xiàn)在認(rèn)為原子核半徑的數(shù)量級(jí)在原子核半徑的數(shù)量級(jí)在10-1510-14米范圍米范圍。 從以上討論可見，粒子散射的實(shí)驗(yàn)與理論充

42、分從以上討論可見，粒子散射的實(shí)驗(yàn)與理論充分證明了原子的核式結(jié)構(gòu)。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，有一個(gè)帶證明了原子的核式結(jié)構(gòu)。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，有一個(gè)帶正電的中心體原子核，所帶正電的數(shù)值是原子序數(shù)正電的中心體原子核，所帶正電的數(shù)值是原子序數(shù)乘單位正電荷。乘單位正電荷。原子核的半徑在原子核的半徑在1010-15-15到到1010-14-14米之間。米之間。原子核外邊散布著帶負(fù)電的電子。但原子質(zhì)量的絕原子核外邊散布著帶負(fù)電的電子。但原子質(zhì)量的絕大部分是原子核的質(zhì)量。這樣一個(gè)原子的核式模型大部分是原子核的質(zhì)量。這樣一個(gè)原子的核式模型在盧瑟福提出后很快被大家接受，認(rèn)為它代表了原在盧瑟福提出后很快被大家接受，認(rèn)為它代表了原子

43、的真實(shí)情況。子的真實(shí)情況。原子核原子核電子電子盧瑟福原子模型盧瑟福原子模型六、對(duì)六、對(duì)粒子散射實(shí)驗(yàn)的回顧與說明粒子散射實(shí)驗(yàn)的回顧與說明1.盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型的意義盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型的意義 (1)使人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)前進(jìn)了一大步。使人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)前進(jìn)了一大步。 (2)啟示人們以散射為手段作為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法。啟示人們以散射為手段作為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法。 (3)盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型雖然取得了成功，被人們所接受，但仍盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型雖然取得了成功，被人們所接受，但仍然很粗糙，沒有說明核外電子的分布情況及運(yùn)動(dòng)規(guī)律。然很粗糙，沒有說明核外電子的分布情況及運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 2.理論推演中的兩個(gè)假定理論推演中的兩個(gè)假定 (1)在計(jì)算散射總截面時(shí)，把單原子的散射截面乘以原子數(shù)。即在計(jì)算散射總截面時(shí)，把單原子的散射截面乘以原子數(shù)。即假定在金屬箔中原子核前后不互相遮蔽。假定在金屬箔中原子核前后不互相遮蔽。 (2)假定通過金屬箔的假定通過金屬箔的粒子只經(jīng)過一次散射。粒子只經(jīng)過一次散射。 3.對(duì)對(duì)粒子散射實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步說明粒子散射實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步說明 (