第一章 原子的核式結構

第一章原子的核式結構第1頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.1湯姆孫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(zhì)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

第2頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月圖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(zhì)比。微粒的荷質(zhì)比為氫離子荷質(zhì)比的千倍以上

陰極射線質(zhì)量只有氫原子質(zhì)量的千分之一還不到

電子

第3頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月1890年，曼徹斯特大學物理學教授A.休斯脫（Schuster，1851-1934）就曾研究過氫放電管中陰極射線的偏轉，并且算出構成陰極射線微粒的荷質(zhì)比為氫離子荷質(zhì)比的千倍以上。但他不敢相信自己的測量結果，而覺得“陰極射線質(zhì)量只有氫原子質(zhì)量的千分之一還不到”的結論是荒謬的；相反他假定陰極射線粒子的大小與原子一樣，而電荷比氫離子大。1897年德國W.考夫曼（Kaufman，1871-1947）做了類似的實驗，他測到的遠比湯姆遜的要精確，與現(xiàn)代值只差1%，他還觀察到了e/m值隨電子速度的改變而改變（，愛因斯坦1905年在相對論中預言），但是，他當時沒有勇氣發(fā)表這些結果：他不承認陰極射線是粒子的假設。直到1901年，他才把結果公布于世。第4頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月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(zhì)量最輕的氫原子：1.673×10-27kg原子質(zhì)量的數(shù)量級：10-27kg——10-25kg?

A：以克為單位時,一摩爾原子的質(zhì)量.。

N0:阿伏加德羅常數(shù)。(6.022

1023/mol)原子的半徑－10-1０m（0.1nm）第5頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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(zhì)量均勻分布在原子大小的彈性實心球內(nèi)，電子就象西瓜里的瓜子那樣嵌在這個球內(nèi)。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。第6頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.2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(zhì)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－盧瑟福的話第7頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月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(zhì)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。

第8頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月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。第9頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月原子序數(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(zhì)量很大,幾乎等于整個原子的質(zhì)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第10頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月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(nèi)，

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。b是瞄準距離第11頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月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(nèi)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)，又稱為原子的散射截面。第12頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月近似3：設薄膜很薄，薄膜內(nèi)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(nèi)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，故有效散射截面也稱做幾率，這就是d

的物理意義。將盧瑟福散射公式代入并整理得：

第13頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月五、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，

第14頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月１９１３年蓋革－馬斯頓實驗，１９０２查德維克第15頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗事實和現(xiàn)象：粒子散射實驗的結果，特別是其中的大角散射。假設：盧瑟福的原子核式模型，它能簡單地解釋粒子散射實驗。理論：從假設出發(fā)推出了較為深入的盧瑟福散射理論。實驗驗證：實驗的結果證實了理論的正確性，也就證實了假設的正確性。因此理論和假設就可以被肯定下，作為下一步工作的基礎和依據(jù)，科學就是這樣一步一步向前發(fā)展的。實驗理論實驗第16頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月例1:能量為3.5MeV的細粒子束射到單位面積上質(zhì)量為1.05×10-2kg／m2的銀箔上，如題圖所示。粒子與銀箔表面成60o角，在離入射線成＝20o的方向上，離銀箔散射區(qū)距離L＝0.12米處放一窗口面積為6.0×10-5m2的計數(shù)器。測得散射進此窗口的粒子是全部入射粒子的百萬分之29，若已知銀原子量為107.9，試求銀的核電核數(shù)Z。計數(shù)器窗口銀箔L200600第17頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月2、用相同能量的α粒子束和質(zhì)子束和金箔正碰，測量金原子核半徑的上限，則質(zhì)子束所測的結果是α粒子束的幾倍：（）A,1/4;B,1/2;C,1;D,23、在同一α粒子源和散射靶的條件下，分別在90角和60°角方向上單位立體角內(nèi)觀察到散射的α粒子數(shù)之比為：（）A,4:1;B,:2;C,1:4;D,1:84、用能量為2MeV的質(zhì)子束轟擊一金箔，在θ方向單位立體角內(nèi)每分鐘探測到40個質(zhì)子。若用同樣能量的α粒子束代替質(zhì)子束，其它條件不變，則每分鐘探測到的α粒子數(shù)為：（）A,10個;B,40個;C,80個;D,160個第18頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月5、利用湯姆遜模型和盧瑟福模型分析α粒子散射實驗中，α粒子受原子正電荷作用力情況的異同點是：（）A.原子內(nèi)外相同，原子表面和中心處不同B.原子外相同，原子表面和原子內(nèi)不同C.原子表面相同，原子內(nèi)外和中心處不同D.原子外，原子表面相同，原子內(nèi)和中心處不同第19頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月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）10-14m

10-15m第20頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月七、原子的大小核式結構－原子由原子核及核外電子組成原子的半徑－10-1０m（0.1nm）1、原子核半徑－10-14m(fm)2、電子半徑－10-1８m原子質(zhì)量的數(shù)量級：10-27kg——10-25kg第21頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月八、

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。第22頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）困難1、原子穩(wěn)定性問題2、原子線狀光譜問題第23頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月問題：(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