原子核式模型

原子核式模型第1頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五1811年Avogadro化學(xué)原子學(xué)說(shuō)1803年Dalton化學(xué)反應(yīng)中，原子不可分解，性質(zhì)不變；不同元素的原子不同，每種原子有確定原子量。氣體由分子組成，分子由原子組成。1869年Mendeleev原子量大小發(fā)現(xiàn)元素周期律，預(yù)言新元素現(xiàn)代原子學(xué)說(shuō)同溫同壓的同體積氣體含相同數(shù)目的分子。19世紀(jì)末三大發(fā)現(xiàn)——X射線、放射性和電子第2頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五原子是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)層次，介于分子和原子核之間。原子本身也是有結(jié)構(gòu)的。1911年Rutherford原子核式結(jié)構(gòu)模型1913年Bohr原子量子理論解釋氫光譜1924-1927量子力學(xué)誕生成功解釋原子現(xiàn)象問(wèn)題：組分?結(jié)構(gòu)和相互作用?內(nèi)部運(yùn)動(dòng)?第3頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五盧瑟福核式模型一、電子（electron）的發(fā)現(xiàn)1894年，Stoney命名陰極射線粒子為電子1897年，Thomson證實(shí)陰極射線由負(fù)電微粒組成真空放電管中陰極射線在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)真空放電管中陰極射線在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)測(cè)出了陰極射線的荷質(zhì)比：e/me；（e/me）>1000（eH/mH），陰極射線不是離子束，而是電子束。這種粒子是各種元素的原子都有的，共同的，是物質(zhì)的一個(gè)組成部分第4頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五AP1P2SOP陰極射線實(shí)驗(yàn)裝置示意圖陰極射線管第5頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五1909年，Millikan油滴實(shí)驗(yàn)精確測(cè)定1899年，Thomson利用云霧室測(cè)量和Millikan油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)出單個(gè)電子的電荷第6頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五J.J.Thomson(1856-1940)inrecognitionofthegreatmeritsofhistheoreticalandexperimentalinvestigationsontheconductionofelectricitybygases

TheNobelPrizeinPhysics1906TheNobelPrizeinPhysics1923forhisworkontheelementarychargeofelectricityandonthephotoelectriceffectR.Millikan(1868-1953)第7頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五原子中存在一定數(shù)量的電子，帶負(fù)電。原子電中性，必定帶有相同電量的正電荷，承擔(dān)了絕大部分質(zhì)量。正電部分和電子如何分布與相對(duì)運(yùn)動(dòng)？第8頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五湯姆遜(Thomson)發(fā)現(xiàn)電子之后,對(duì)于原子中正負(fù)電荷的分布他提出了一個(gè)模型：原子中帶正電荷均勻分布在整個(gè)原子空間,電子鑲嵌在其中。原子的模型之Thomson原子模型同時(shí)該模型還進(jìn)一步假定，電子分布在分離的同心環(huán)上，每個(gè)環(huán)上的電子容量都不相同，電子在各自的平衡位置附近做微振動(dòng)?？梢园l(fā)射電磁輻射，而且各層電子繞球心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也會(huì)發(fā)光。這對(duì)于解釋當(dāng)時(shí)已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、元素的周期性以及原子的線光譜，似乎是成功的。Thomson模型的失敗：與α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符合。第9頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五“就像一枚15英寸的炮彈打在一張紙上又被反射回來(lái)一樣”E.Rutherford(1871-1937)1909年，Geiger和Marsden發(fā)現(xiàn)粒子經(jīng)原子散射后散射角大于的概率約為1/8000，甚至達(dá)到180粒子散射實(shí)驗(yàn)真空室粒子源散射箔抽氣管閃爍計(jì)數(shù)器α粒子源鉑箔Geiger計(jì)數(shù)器俯視圖第10頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Thomson模型大于90度角散射概率估算電子的質(zhì)量很小，對(duì)α粒子（2e)運(yùn)動(dòng)的影響可以忽略；只考慮原子中均勻分布的正電荷對(duì)α粒子的影響第11頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五對(duì)Au，Z=78，取Eα=5MeV第12頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五T模型R模型易穿過(guò)原子，只能發(fā)生小角度散射。距核愈近力愈大，可能被大角度散射。Thomson原子模型Rutherford核式模型第13頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五庫(kù)侖散射公式具有確定能量的一粒子均勻入射，研究散射粒子的角分布瞄準(zhǔn)距離散射角粒子反射2、盧瑟福散射公式大角度散射：只要考慮粒子與原子核的相互作用第14頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五有心力作用，粒子對(duì)原點(diǎn)（原子核）的角動(dòng)量守恒在y方向動(dòng)量的改變兩式相乘第15頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五庫(kù)侖散射公式第16頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第17頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五瞄準(zhǔn)距離在b和b-db間的入射α粒子束，都被散射到θ與θ+dθ間的立體角內(nèi)（空心圓錐立體角）Rutherford散射公式（大量α粒子對(duì)大量靶原子的散射）第18頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Rutherford公式第19頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五瞄向dσ的α粒子都被散射到dΩ立體角內(nèi)，而dσ是一個(gè)原子核周圍的圓環(huán)的面積，瞄向dσ的α粒子越多，被散射到dΩ立體角內(nèi)的α粒子越多，在入射的α粒子密度不變的情況下，dσ越大，被散射到dΩ立體角內(nèi)的α粒子越多，即每一個(gè)α粒子被散射到dΩ立體角內(nèi)幾率越大。dσ被稱為有效散射截面，或微分截面。第20頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五靶：很薄的金屬箔，核不相互遮掩，都起散射作用。入射粒子最多被散射一次。鉑金箔，面積為A，厚度為t，單位體積所含原子數(shù)為N箔上總原子數(shù)為:n個(gè)α粒子射到箔上，dn個(gè)入射到dσ中，散射到方向的幾率為:被散射到dΩ立體角內(nèi)的α粒子數(shù)為:第21頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五實(shí)驗(yàn)中，探測(cè)器對(duì)散射粒子所張的立體角是常數(shù)α粒子源鉑金膜Geiger計(jì)數(shù)器第22頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3、散射公式討論：由實(shí)驗(yàn)條件給定的參數(shù)(n,E,N,t,Z)，就可以給出理論預(yù)期的值第23頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五4、蓋革－馬斯登實(shí)驗(yàn)（1913年）驗(yàn)證：靶不變，粒子能量不變改變靶厚改變粒子能量改變靶材1920年Chadwick改進(jìn)儀器，測(cè)靶材原子序數(shù)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)“核式模型”的正確性第24頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五α粒子散射實(shí)驗(yàn)否定了湯姆遜的原子模型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，盧瑟福于1911年提出了原子的核式模型。原子中心有一個(gè)極小的原子核，它集中了全部的正電荷和幾乎所有的質(zhì)量，所有電子都分布在它的周圍。盧瑟福核式模型第25頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五關(guān)于小角散射的問(wèn)題原因：小角散射對(duì)應(yīng)于較大的瞄準(zhǔn)距離b；此時(shí)入射的粒子距核較遠(yuǎn)，在粒子與核之間有電子，而電子所帶的電荷對(duì)核的電場(chǎng)有屏蔽作用，即粒子所感受到的有效電場(chǎng)要小。Rutherford散射公式中的核電荷數(shù)Z應(yīng)當(dāng)以有效核電荷數(shù)代替。靶原子之間不再互不遮蔽，小角度散射必定是多次散射的結(jié)果。忽略電子屏蔽作用，對(duì)小角度散射不適用假定原子核不動(dòng)，如考慮原子核的反沖質(zhì)心系坐標(biāo)盧瑟福公式第26頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期