原子物理第一章

第一章

原子的基本狀況內容：

1、原子的質量和大小3、盧瑟福散射理論4、原子的組成和大小5、盧瑟福核式結構的意義和困難重點：原子的核式結構、盧瑟福散射理論2、湯姆遜原子結構模型1.1原子的質量和大小一.原子的質量1．原子質量單位和原子量各種原子的質量各不相同，常用它們的相對值原子量。

原子質量單位：原子量：原子包含1個原子質量單位(1u)數(shù)H：1.0079C：12.011O：15.999Cu：63.542．原子質量元素X

的原子質量為：

A：一摩爾原子以克為單位的質量數(shù)（原子量）。No表示阿佛加德羅常數(shù)，No=6.022×1023/mol

對氫原子：MH=1.67367×10-27kg3、阿佛加德羅常數(shù)NoNo是聯(lián)系微觀物理量與宏觀物理量的紐帶。例：①Nok=R普適氣體常數(shù)R，k：玻爾茲曼常數(shù)②Noe=F法拉第常數(shù)F=96486.7C/mol微觀物理量通過No這個大常數(shù)與宏觀物理量聯(lián)系，告訴我們原子和分子實際上是多么的小。將原子看作是球體,1摩爾原子占體積為如果物質的密度為，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10-10m即?的量級。

4、原子的大小量級§1.2湯姆遜原子結構模型一電子的發(fā)現(xiàn)

1897年，湯姆遜通過陰極射線管的實驗發(fā)現(xiàn)了電子，并進一步測出了電子的荷質比:e/m湯姆遜被譽為:“一位最先打開通向基本粒子物理學大門的偉人.”

圖１湯姆遜正在進行實驗

圖2陰極射線實驗裝置示意圖加電場E后，射線偏轉，

陰極射線帶負電。再加磁場H后，射線不偏轉，

。去掉電場E后，射線成一圓形軌跡，

求出荷質比。微粒的荷質比為氫離子荷質比的千倍以上陰極射線質量只有氫原子質量的千分之一還不到電子

電子電荷的精確測定是在1910年由R.A.密立根（Millikan）作出的，即著名的“油滴實驗”。

e=1.60217733×10-19C，m=9.1093897×10-31kg。質量最輕的氫原子：1.673×10-27kg原子質量的數(shù)量級：10-27kg——10-25kg?

A：以克為單位時,一摩爾原子的質量.。

N0:

阿伏加德羅常數(shù)。(6.0221023/mol)原子的半徑－10-1０

m（0.1nm）二、湯姆遜原子模型－布丁模型

1903年英國科學家湯姆遜提出“葡萄干蛋糕”式原子模型或稱為“西瓜”模型－原子中正電荷和質量均勻分布在原子大小的彈性實心球內，電子就象西瓜里的瓜子那樣嵌在這個球內。該模型對原子發(fā)光現(xiàn)象的解釋－電子在其平衡位置作簡諧振動的結果，原子所發(fā)出的光的頻率就相當于這些振動的頻率。

§1.3原子的核式結構

(盧瑟福模型)

一蓋革－馬斯頓實驗

實驗結果：大多數(shù)散射角很小，約1/8000散射大于90°；極個別的散射角等于180°。

(a)側視圖(b)俯視圖。R:放射源；F:散射箔；

S:閃爍屏；B:金屬匣α粒子：放射性元素發(fā)射出的高速帶電粒子，其速度約為光速的十分之一，帶+2e的電荷，質量約為4MH。散射：一個運動粒子受到另一個粒子的作用而改變原來的運動方向的現(xiàn)象。粒子受到散射時，它的出射方向與原入射方向之間的夾角叫做散射角。

這是我一生中從未有過的最難以置信的事件，它的難以置信好比你對一張白紙射出一發(fā)15英寸的炮彈，結果卻被頂了回來打在自己身上－盧瑟福的話二湯姆遜模型的困難

近似1：粒子散射受電子的影響忽略不計，只須考慮原子中帶正電而質量大的部分對粒子的影響。當r>R時，原子受的庫侖斥力為：當r<R時，原子受的庫侖斥力為：當r=R時，原子受的庫侖斥力最大：近似2：只受庫侖力的作用。

粒子受原子作用后動量發(fā)生變化：最大散射角：大角散射不可能在湯姆遜模型中發(fā)生,散射角大于3°的比1%少得多；散射角大于90°的約為10-3500.必須重新尋找原子的結構模型。解決方法：減少帶正電部分的半徑R，使作用力增大。

困難：作用力F太小，不能發(fā)生大角散射。據(jù)美國物理學家組織網(wǎng)6日報道，維也納大學和奧地利科學院的物理學家憑借143公里的成績打破量子遠距傳輸?shù)淖钸h距離紀錄。這項成就是在朝著基于衛(wèi)星的量子通訊道路上向前邁出的重要一步。研究成果刊登在《自然》雜志上。實驗中，奧地利物理學家安東-澤林格領導的一支國際小組成功在加那利群島的兩個島嶼——拉帕爾瑪島和特納利夫島間實現(xiàn)量子態(tài)傳輸，距離達到143公里。此前的紀錄由中國研究人員在幾個月前創(chuàng)造，成績?yōu)?7公里。打破傳輸距離并不是科學家的首要目標。這項實驗為一個全球性信息網(wǎng)絡打下了基礎，在這個網(wǎng)絡，量子機械效應能夠大幅提高信息交換的安全性，進行確定計算的效率也要遠遠超過傳統(tǒng)技術。在這樣一個未來的“量子互聯(lián)網(wǎng)”，量子遠距傳輸將成為量子計算機之間信息傳送的一個關鍵協(xié)議。在量子遠距傳輸實驗中，兩點之間的量子態(tài)交換理論上可以在相當遠的距離內實現(xiàn)，即使接收者的位置未知也是如此。量子態(tài)交換可以用于信息傳輸或者作為未來量子計算機的一種操作。在這些應用中，量子態(tài)編碼的光子必須能夠傳輸相當長距離，同時不破壞脆弱的量子態(tài)。奧地利物理學家進行的實驗讓量子遠距傳輸?shù)木嚯x超過100公里，開辟了一個新疆界。發(fā)表時間:2012-09-10原子序數(shù)為Z的原子的中心,有一個帶正電荷的核(原子核),它所帶的正電量Ze,它的體積極小但質量很大,幾乎等于整個原子的質量,正常情況下核外有Z個電子圍繞它運動。定性地解釋：由于原子核很小，絕大部分粒子并不能瞄準原子核入射，而只是從原子核周圍穿過，所以原子核的作用力仍然不大，因此偏轉也很小，也有少數(shù)粒子有可能從原子核附近通過，這時，r較小，受的作用力較大，就會有較大的偏轉，而極少數(shù)正對原子核入射的粒子，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構模型能定性地解釋α粒子散射實驗。三盧瑟福的核式模型1．庫侖散射公式

四、盧瑟福散射理論上式反應出b和的對應關系。b小，大；b大，小假設：忽略電子的作用、粒子和原子核看成點電荷、原子核不動、大角散射是一次散射結果

要得到大角散射，正電荷必須集中在很小的范圍內，粒子必須在離正電荷很近處通過。問題：b是微觀量，至今還不可控制，在實驗中也無法測量，所以這個公式還不可能和實驗值直接比較。2．盧瑟福散射公式環(huán)形面積：→

→

問題：環(huán)形面積和空心圓錐體的立體角之間有何關系呢?空心錐體的立體角：

d與d的對應關系：公式的物理意義：被每個原子散射到+d之間的空心立體角d內的粒子，必定打在bb-db之間的d這個環(huán)形帶上。d稱為有效散射截面(膜中每個原子的)，又稱為微分截面。近似3：設薄膜很薄，薄膜內的原子核對射來的粒子前后不互相覆蓋。

設有一薄膜，面積為A，厚度為ｔ，單位體積內的原子數(shù)為N，則薄膜中的總原子數(shù)是：

則N’個原子把粒子散射到d中的總有效散射截面為：所以d也代表粒子散射到之間的幾率的大小，故微分截面也稱做幾率，這就是d的物理意義。將盧瑟福散射公式代入并整理得：

五、盧瑟福理論的實驗驗證

從上式可以預言下列四種關系：（1）在同一

粒子源和同一散射物的情況下

(2)用同一粒子源和同一種材料的散射物，在同一散射角，(3)用同一個散射物，在同一個散射角，

(4)用同一個粒子源，在同一個散射角，對同一Nt值，

１９１３年蓋革－馬斯頓實驗，１９０２查德維克角動量守恒定律由上兩式及庫侖散射公式可得六、原子核半徑的估算能量守恒定律Rｍ=3×10-14m（金）Rｍ=1.2×10-14m（銅）10-14m10-15m七、粒子散射實驗的意義及盧瑟福模型的困難（一）意義：

1、最重要意義是提出了原子的核式結構，即提出了以核為中心的概念

2、粒子散射實驗為人類開辟了一條研究微觀粒子結構的新途徑。3、粒子散射實驗還為材料分析提供了一種手段。（二）困難1、原子穩(wěn)定性問題2、原子線狀光譜問題八、原子的大小核式結構－原子由原子核及核外電子組成1、原子核半徑－10-14m(fm)原子的半徑－10-1０

m（0.1nm）2、電子半徑－10-1８

m問題討論：(l)d的物理意義？(2)庫侖散射公式為什么不能直接檢驗?(3)如果粒子以一定的瞄準距離接近原子核時，以90o角散射，當粒子以更小的瞄準距