第一章物質結構基礎

第一章物質結構基礎1.1原子的結構一、背景知識1、電子的發(fā)現(xiàn)1897年由湯姆孫（J.J.Thomson)驗證電子的存在Heυ（磁力）=Ee（電力）可算出υ=E/HHeυ=mυ2/r（離心力）e/m=υ/Hr=E/H2r結論：e/m是氫離子的近2000倍，不是電量很大，就質量很小。而且該比值與陰極的材料和管內氣體的種類無關。說明什么問題？2、電子的電荷和質量1910年，密立根油滴實驗：物體的帶電量是不連續(xù)的，都是一個電量的整數(shù)倍。（量子化的）why?基元電荷e=1.602×10-19C電子的電荷e=1.602×10-19C電子的質量me=9.109×10-31kg(計算得到,why?）3、阿伏加德羅常數(shù)阿伏加德羅常數(shù)NA代表1mol（摩爾）分子的分子數(shù)目或1mol原子的原子數(shù)目。原子質量單位μ

規(guī)定：一個處于基態(tài)的12C中性原子的靜止質量的1/12定義為一個原子質量單位。12克12C含NA個12C原子，一個12C原子的質量為12/NA克。所以：1μ=1/NAg

1g=NAμNA=6.02×1023

1μ=1.66×10-27kgNA起到宏觀與微觀間的橋梁作用二、原子的模型1、湯姆遜模型1903年，湯姆遜（JosephJohnThomson，1856-1940）提出：原子中帶正電的部分是一個具有彈性的、凍膠狀的、半徑為10-10m的實球體，正電荷均勻分布在其中，在球內或球上有負電子嵌著，電子能在它們的平衡位置上作簡諧振動。被稱為“葡萄干蛋糕模型”湯姆遜的原子模型二、原子的模型2、α粒子的散射實驗（α-particlescatteringexperiment）是1909年漢斯·蓋革和恩斯特·馬斯登在歐內斯特·盧瑟福指導下于英國曼徹斯特大學做的一個著名物理實驗。實驗裝置：

以放射性元素鐳放出的α粒子，撞擊薄金箔（厚度約為

10-7米），從各角度觀測被散射的α粒子。實驗裝置（真空狀態(tài)）實驗結果:

絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉，有極少數(shù)α粒子的偏轉超過90°，有的甚至幾乎達到180°而被反彈回來，這就是α粒子的散射現(xiàn)象。二、原子的模型

3、盧瑟福的核式模型（行星模型）英國物理學家歐內斯特·盧瑟福（ErnestRutherford，1871～1937）于1911年提出：在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核(nucleus)，原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間里繞著核旋轉。根據(jù)α粒子散射實驗，可以估算出原子核的直徑約為10-15米～10-14米，原子直徑大約是10-10米，所以原子核的直徑大約是原子直徑的萬分之一，原子核的體積只相當于原子體積的萬億分之一。為了解釋電子并未因原子核的吸引而落在核上,盧瑟福假定電子在軌道上與原子的吸引力相抗衡.

盧瑟福原子結構模型遭遇的困難：電子繞原子核的運動為加速度運動，因此會不斷的輻射出電磁波，而使電子的動能減少，最后墜落在原子核上，無法構成一穩(wěn)定的原子。波爾利用能級的概念解決盧瑟福原子結構模型遭遇的困難。上世紀初的原子模型（發(fā)現(xiàn)原子核之前）J.J.湯姆生的原子模型：正電荷均勻分布在一個球體內，電子鑲嵌在其中某些平衡位置上，并作簡諧振動。I.原子核的發(fā)現(xiàn)與組成1856～19401906年諾貝爾物理獎1.2原子核的組成及其穩(wěn)定性

1、原子的核式模型1871～19371908年諾貝爾化學獎其他主要貢獻：1919年，1920年，預言中子存在。培養(yǎng)了12位諾貝爾獎獲獎者。1909年盧瑟福散射試驗，1911年提出原子的核式模型。盧瑟福散射實驗結論：正電荷集中在原子的中心，即原子核；線度為10–12cm量級，為原子的10–4量級；質量為整個原子的99.9%以上；從此建立了原子的有核模型。

原子的電中性，要求：原子核所帶電量與核外電子電量相等，核電荷與核外電子電荷符號相反。即：核電荷Ze，核外電子電荷–Ze。2、中子的發(fā)現(xiàn)與原子核的組成

發(fā)現(xiàn)中子之前，人們猜測原子核是由質子和電子組成的。

這個假設可以解釋原子核的質量和電荷。但也遇到了不可克服的困難。與實驗和理論不符。例子：

氦核(質量數(shù)4，電荷數(shù)＋2)的大小為：

假設氦核中有電子，那么電子的德布羅意波長不能大于2d，即

由不確定關系：

由相對論方程：

得到電子能量為：對比實驗這一結論不存在，所以假設不成立，即核中無電子。另外從原子核的自旋也可證明核中無電子。中子的發(fā)現(xiàn)1930年，德國人波特和貝克利用釙所放射的α粒子撞擊鈹，產(chǎn)生一種穿透力很強的中性射線，猜想可能為γ射線。1932年，居里夫婦的女兒伊琳與女婿朱里歐，將α粒子撞擊鈹，產(chǎn)生的中性射線照射石臘板，發(fā)現(xiàn)會放射出動能高達5.7MeV的質子，經(jīng)計算此中性射線能量需高達52MeV。英國人查德威克認為由原子核放出的光子或粒子，一般能量僅有幾MeV，不可能達52MeV，因此認為原子核所放出的射線不是γ射線，而是中子。1932年，查德威克將α粒子撞擊鈹，產(chǎn)生的中性射線照射氣體原子，測量氣體離子動能，求出中子的質量約等于質子的質量。實驗裝置α粒子從釙放射源射出后撞擊鈹，產(chǎn)生的中性射線照射氫原子與氮原子氣體，測量氫原子與氮原子被撞擊后的最大速度，利用彈性碰撞的動能守恒與動量守恒，求出中子的質量。3.實驗原理與結果：中子質量mn

以速率vn

分別與氫離子（質量mH）及氮離子（質量mH）作正向彈性碰撞，由動量守恒及動能守恒可得即中子的質量約等于質子的質量。中子被證明是一個單一粒子。

1932年查德威克(J.Chadwick)發(fā)現(xiàn)中子。(據(jù)此獲1935年諾貝爾物理學獎)1891～1974用粒子轟擊鈹，鈹放射出穿透力很強的中性粒子，可以將含氫物質中的質子擊出，并證明其有與質子相近的質量。實驗中放出的不是高能，而是中子。核電荷數(shù)Z同時表示：核內質子數(shù)，核的電荷數(shù)，核外電子數(shù)。原子核由質子和中子組成，

中子和質子統(tǒng)稱為核子。中子不帶電。質子帶正電，電量為e。電荷數(shù)為Z的原子核含有Z個質子。中子發(fā)現(xiàn)后，海森堡(W.Heisenberg)很快提出，原子核由質子和中子組成，并得到實驗支持。1901～1976因量子力學方面貢獻，獲1932年諾貝爾物理獎。中子、質子和電子的質量與電荷質量(u)電荷(e)中子0質子＋1電子－1

原子核由中子和質子組成，中子不帶電，質子帶單位正電荷。中子和質子質量相當，分別約等于一個原子質量單位。核中中子和質子統(tǒng)稱為核子，數(shù)目以A表示，A稱為核子數(shù)或質量數(shù)，核中質子數(shù)記為Z，中子數(shù)記為N。常用如下形式表示一個原子核：實際上核素符號X和質子數(shù)Z具有唯一、確定的關系，所以用符號AX足以表示一個特定的核素。II.原子核的表示核子數(shù)A質子數(shù)Z中子數(shù)N元素符號XIII.原子核物理常用術語及意義1、核素（nuclide）

具有一定數(shù)目的中子和質子以及特定能態(tài)的一種原子核或原子稱為核素。核子數(shù)、中子數(shù)、質子數(shù)和能態(tài)只要有一個不同，就是不同的核素。

兩種核素，A同，Z、N不同。兩種核素，N同，A、Z不同。兩種核素，Z同，A、N不同。兩種核素，A、Z、N同，能態(tài)不同。

某元素中各同位素天然含量的原子數(shù)百分比稱為同位素豐度。

具有相同原子序數(shù)但質量數(shù)不同的核素稱為某元素的同位素。(即Z相同，N不同，在元素周期表中處于同一個位置，具有基本相同化學性質。)2、同位素（isotope）和同位素豐度鈾的二種同位素。氫的三種同位素；99.756%、0.039%、0.205%99.985%、0.015%3、同中子異荷素（isotone）4、同量異位素（isobar）質量數(shù)A相同，質子數(shù)Z不同的核素。

中子數(shù)N相同，質子數(shù)Z不同的核素。也稱為同中子素或同中異位素。5、同質異能素（isomer）質子數(shù)Z

和中子數(shù)N

均相同，而能態(tài)不同的核素。同質異能態(tài)：同質異能素所處的能態(tài)，是壽命比較長的激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)半衰期為2.81hr。6、偶A核：奇A核：偶奇核(e-o核)、奇偶核(o-e核)。奇中子核，奇質子核。鏡像核：中子數(shù)N、質子數(shù)Z互換的核素。中子數(shù)N、質子數(shù)Z均為偶數(shù)的核素。

偶偶核(e-e核)中子數(shù)N、質子數(shù)Z均為奇數(shù)的核素。

奇奇核(o-o核)IV.核素圖及β穩(wěn)定曲線核素圖β穩(wěn)定曲線核素圖及β穩(wěn)定曲線的特點：

１).核素圖包括300多個天然存在的核素(其中穩(wěn)定核素280多個，放射性核素30多個)及1600多個人工放射性核素。２).穩(wěn)定同位素幾乎全落在一條光滑的曲線，穩(wěn)定曲線在輕核靠近Z＝N

線，而對重核則N>Z.3).偏離穩(wěn)定曲線上方的核素為豐中子核素，易發(fā)生β－衰變；下方的核素為缺中子核素，易發(fā)生β＋衰變。穩(wěn)定核素的奇偶分類表：ZN名稱穩(wěn)定核素數(shù)目ee偶偶核166eo偶奇核56oe奇偶核53oo奇奇核9

偶偶核最穩(wěn)定，穩(wěn)定核最多；其次是奇偶核和偶奇核；而奇奇核最不穩(wěn)定，穩(wěn)定核素最少。1.2原子核的大小

實驗表明，原子核的線度比原子的線度10–10m小得多，為10–14~–15m量級。

原子核的形狀作為一級近似可以看作球形。

由于原子核有角動量，略呈旋轉橢球形。原子核的半徑,根據(jù)測量方法：它們結果相近，均與A1/3

成正比。電荷半徑：核力半徑：核力半徑和電荷分布半徑。重要結論：原子核半徑近似正比于A1/3，原子核體積近似正比于A。原子核的密度：代入：得：結論：原子核密度為常數(shù)，且非常大。1.3原子核的質量和結合能1、原子核結合能的概念當若干質子和中子結合成一個核時，由于是核力的作用，將釋放一部分能量叫結合能。

以原子質量M表示，且忽略原子電子的結合能，得到：2、質量虧損與質量過剩質量虧損和原子核結合能是同一個物理量的質量和能量表示。它們的聯(lián)系就是質能關系。原子核的質量總是小于組成它的所有核子的質量之和的，少的那部分質量稱為質量虧損(MassDefect)。表示為所有的核都存在質量虧損，即

計算中，常用原子質量代替核質量：為了計算方便，定義質量過剩為：也稱為質量盈余(MassExcesses)，單位為MeV，在核數(shù)據(jù)手冊中可查到由它可求出原子質量

3、比結合能及比結合能曲線比結合能：（平均結合能）單位是MeV/Nu，Nu代表核子。比結合能的物理意義：

原子核拆散成自由核子時，外界對每個核子所做的最小的平均功。

或者說，它表示核子結合成原子核時，平均一個核子所釋放的能量。

比結合能表征了原子核結合的松緊程度：

比結合能大，核結合緊，穩(wěn)定性高；

比結合能小，核結合松，穩(wěn)定性差。

比結合能曲線：裂變聚變8.797.071.1124、原子核最后一個核子的結合能原子核最后一個核子的結合能，是一個自由核子與核的其余部分組成原子核時所釋放的能量。也就是從核中分離出一個核子所需要給予的能量。顯然，質子與中子的分離能是不等的。原子核最后一個核子的結合能的大小，反映了這種原子核對鄰近的那些原子核的穩(wěn)定程度。

最后一個質子的結合能為：或最后一個中子的結合能為：或例如：最后一個核子結合能的物理意義：反映了這種原子核相對臨近的那些原子核的穩(wěn)定程度。表明16O與鄰近的原子核17O、17F相比，穩(wěn)定性要大得多。5、核結合能的經(jīng)驗公式原子核模型理論：

從實驗入手對原子核作各種各樣的設想，把它類比為人們已經(jīng)熟悉的某種事物，來研究原子核的性質、結構和相互作用的規(guī)律，解釋已有的實驗現(xiàn)象(如結合能、核力、核衰變、核反應等)

，探索預告新的實驗結果。在原子核的模型理論中，較早提出并且取得極大成功的模型是玻爾(N.Bohr)提