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第一章原子物理学第1页，本讲稿共24页1 背景知识背景知识一电子的发现11811年，阿伏伽德罗常数NA，即1mol任何原子数目都为NA；21833年，法拉第提出电解定律，依此推得：1mol任何原子的单价离子永远带有相同的电量这个电量，就是法拉第常数F=9.6485309c.mol-1；31874年，斯通尼明确指出，原子所带的电荷为一基本电荷的整数倍，并用阿氏常数推算出这一基本电荷的近似值1881年，斯通尼提出用“电子”这一名字来命名这些电荷的最小单位；第2页，本讲稿共24页4 4真正从实验上确认电子的存在，是在真正从实验上确认电子的存在，是在真正从实验上确认电子的存在，是在真正从实验上确认电子的存在，是在18971897年由汤姆逊年由汤姆逊年由汤姆逊年由汤姆逊作出的作出的作出的作出的 18971897年，汤姆逊通过阴年，汤姆逊通过阴极射线管的实验发现了电子，极射线管的实验发现了电子，并进一步测出了电子的荷质并进一步测出了电子的荷质比比:e/m:e/m汤姆逊被誉为汤姆逊被誉为:“:“一位最先打一位最先打开通向基本粒子物理学大门开通向基本粒子物理学大门的伟人的伟人.”图汤姆逊正在进行实验图汤姆逊正在进行实验 第3页，本讲稿共24页图图2 2 阴极射线实验装置示意图阴极射线实验装置示意图加电场E E后，射线偏转，阴极射线带负电。再加磁场H H后，射线不偏转，。去掉电场E E后，射线成一圆形轨迹，求出荷质比。实验的关键是高真空的获得。第4页，本讲稿共24页电子电荷的精确测定是在1910年由R.A.密立根（Millikan）作出的，即著名的“油滴实验”。e=1.6021773310-19C，m=9.109389710-31kg。二电子的电荷和质量汤姆逊确定e/me后两年分别测定了电子的电荷和质量，后又得到mp/me1836。第5页，本讲稿共24页在此实验中，油滴的运动方向共受四个力量影响：空气阻力（向上）重力（向下）浮力（向上）电场力（向上）特别重要的是，密立根发现电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整数倍，e是任何客体能携带的最小的电荷量为什么电荷是量子化的?这是物理学至今仍未解决的一个难题。第6页，本讲稿共24页三阿伏加德罗常量阿伏伽德罗常量NA代表1mol(摩尔)分子的分子数目或1mol原子的原子数目。阿氏常量是联系宏观与微观的一个物理量。1g=NAu1u=1.6605402(10)10-27kg g是宏观单位u是微观单位，NA起的作用正是宏观微观之间的桥梁作用。第7页，本讲稿共24页四原子的大小一种原子，A克x原子具有NA个x原子，密度，体积为A/。假如一个原子占有体积为4r3/3，则不同原子的半径几乎都差不多，r10-10m=1=0.1nm。第8页，本讲稿共24页2卢瑟福模型的提出一汤姆逊模型二卢瑟福模型1.实验装置2.实验结果3.实验结果的讨论第9页，本讲稿共24页一一一一、汤姆逊原子模型汤姆逊原子模型汤姆逊原子模型汤姆逊原子模型布丁模型布丁模型布丁模型布丁模型 19031903年英国科学家年英国科学家汤姆逊汤姆逊提出提出“葡萄干蛋糕葡萄干蛋糕”式式原子模型或称为原子模型或称为“西瓜西瓜”模型模型原子中正电荷和质量均原子中正电荷和质量均匀分布在原子大匀分布在原子大小小的弹性实心球内的弹性实心球内，电子就象西瓜里电子就象西瓜里的瓜子那样嵌在这个球内的瓜子那样嵌在这个球内。该模型对原子发光现象的解释：该模型对原子发光现象的解释：电子在其平衡位电子在其平衡位置作简谐振动的结果置作简谐振动的结果，原子所发出的光的频率就原子所发出的光的频率就相当于这些振动的频率。相当于这些振动的频率。第10页，本讲稿共24页二二二二卢瑟福模型卢瑟福模型卢瑟福模型卢瑟福模型 盖革盖革马斯马斯顿实验（顿实验（粒子散射实验）实实验验结结果果：大大多多数数散散射射角角很很小小，约约1/8000散散射射大大于于90；极极个个别别的散射角等于的散射角等于180。R:放射源；F:散射箔；S:闪烁屏；B:金属匣粒子：放射性元素发射出的高速带电粒子，其速度约为光速的十分之一，带+2e的电荷，质量约为4MH。散射：一个运动粒子受到另一个粒子的作用而改变原来的运动方向的现象。粒子受到散射时，它的出射方向与原入射方向之间的夹角叫做散射角。这是我一生中从未有过的最难以置信的事件，它的难以置信好比你对一张白纸射出一发15英寸的炮弹，结果却被顶了回来打在自己身上卢瑟福的话卢瑟福的话第11页，本讲稿共24页2.2.汤姆逊模型的困难汤姆逊模型的困难 近近似似1 1：粒子散射受电子的影响忽略不计，只须考虑原子中带正电而质量大的部分对粒子的影响。当当r rRR时时，原子受的库仑斥力为：，原子受的库仑斥力为：当当r rRR时时，原子受的库仑斥力为：，原子受的库仑斥力为：当当r r=R=R时时，原子受的库仑斥力最大：，原子受的库仑斥力最大：近似近似2 2：只受库仑力的作用。第12页，本讲稿共24页粒子受原子作用后动量发生变化粒子受原子作用后动量发生变化：大大角角散散射射不不可可能能在在汤汤姆姆逊逊模模型型中中发发生生,散散射射角角大大于于3 3的的 比比 1%1%少少 得得 多多；散散 射射 角角 大大 于于 9090的的 约约 为为 10-3500.必须重新寻找原子的结构模型。必须重新寻找原子的结构模型。解决方法：解决方法：减少带正电部分的半径减少带正电部分的半径R，使作用力增大。困难：作用力F太小，不能发生大角散射。最大散射角：第13页，本讲稿共24页原原子子序序数数为为Z的的原原子子的的中中心心,有有一一个个带带正正电电荷荷的的核核(原原子子核核),它它所所带带的的正正电电量量Ze,它它的的体体积积极极小小但但质质量量很很大大,几几乎乎等等于于整整个个原原子子的的质质量量,正正常常情情况况下下核核外外有有Z个个电电子子围围绕绕它它运运动。动。定定性性地地解解释释：由由于于原原子子核核很很小小，绝绝大大部部分分 粒粒子子并并不不能能瞄瞄准准原原子子核核入入射射，而而只只是是从从原原子子核核周周围围穿穿过过，所所以以原原子子核核的的作作用用力力仍仍然然不不大大，因因此此偏偏转转也也很很小小，也也有有少少数数 粒粒子子有有可可能能从从原原子子核核附附近近通通过过，这这时时，r r较较小小，受受的的作作用用力力较较大大，就就会会有有较较大大的的偏偏转转，而而极极少少数数正正对对原原子子核核入入射射的的 粒粒子子，由由于于r r很很小小，受受的的作作用用力力很很大大，就就有有可可能能反反弹弹回回来来。所所以以卢卢瑟瑟福福的的核核式式结构模型能定性地解释结构模型能定性地解释粒子散射实验。粒子散射实验。三三卢瑟福的核式模型卢瑟福的核式模型第14页，本讲稿共24页1 1库仑散射公式库仑散射公式 四、四、卢瑟福散射卢瑟福散射理论理论上式反应出上式反应出b b和和 的对应关系的对应关系 。b b小，小，大；大；b b大，大，小小假设：忽略电子的作用、粒子和原子核看成点电荷、原子核不动、大角散射是一次散射结果要得到大角散射，正电荷必须集中在很小的范围内，粒子必须在离正电荷很近处通过。问问题题：b b是是微微观量，至今还不可控制，在实验中也无法测量，所以这个公式还不可能和实验值直接比较。第15页，本讲稿共24页2 2卢瑟福散射公式卢瑟福散射公式环形面积环形面积：问问题题：环环形形面面积积和和空空心心圆圆锥锥体体的立体角之间有何关系呢的立体角之间有何关系呢?空心锥体的立体角：d与d的对应关系：公式的物理意义：公式的物理意义：被被每个原子散射到+d之间的空心立体角d内的粒子，必定打在bb-db之间的d这个环形带上。d称为有效散射截面有效散射截面(膜中每个原子的)，又称为微分截面微分截面。第16页，本讲稿共24页近近似似3：设设薄薄膜膜很很薄薄，薄薄膜膜内内的的原原子子核核对对射射来来的的粒粒子子前前后后不互相覆盖。不互相覆盖。设有一薄膜设有一薄膜，面积为，面积为A A，厚度为，厚度为，单位单位体体积内积内的原子的原子数为数为N N，则，则薄膜中的总原子数是薄膜中的总原子数是：则N个原子把粒子散射到d中的总有效散射截面为：所以d也代表粒子散射到之间的几率的大小，故微分截面也称做几率，这就是d的物理意义。将卢瑟福散射公式代入并整理得：第17页，本讲稿共24页五、卢瑟福理论的实验验证五、卢瑟福理论的实验验证 从上式可以预言下列四种关系：从上式可以预言下列四种关系：（1 1）在同一）在同一 粒子源和同一散射物的情况下粒子源和同一散射物的情况下 (2)(2)用同一用同一 粒子源和同一种材料的散射物，在同一散射角，粒子源和同一种材料的散射物，在同一散射角，(3)(3)用同一个散射物，在同一个散射角，用同一个散射物，在同一个散射角，(4)(4)用同一个用同一个 粒子源，在同一个散射角，对同一粒子源，在同一个散射角，对同一NtNt值，值，第18页，本讲稿共24页年年盖革盖革马斯马斯顿实验，查德维克顿实验，查德维克 第19页，本讲稿共24页角动量守恒定律角动量守恒定律由上两式及库仑散射公式可得由上两式及库仑散射公式可得 六、原子核半径的估算能量守恒定律能量守恒定律R=310-14 m （金）（金）R=1.2 10-14 m （铜）（铜）10-14 m 10-15 m第20页，本讲稿共24页七、七、七、七、粒子散射实验的意义粒子散射实验的意义粒子散射实验的意义粒子散射实验的意义 及卢瑟福模型的困难及卢瑟福模型的困难及卢瑟福模型的困难及卢瑟福模型的困难（一）意义（一）意义（一）意义（一）意义：1、最重要意义是提出了原子的核式结构，、最重要意义是提出了原子的核式结构，即提出了以核为中心的概念即提出了以核为中心的概念 2、粒子散射实验为人类开辟了一条研究微观粒子结粒子散射实验为人类开辟了一条研究微观粒子结构的新途径。构的新途径。3、粒子散射实验还为材料分析提供了一种手段。粒子散射实验还为材料分析提供了一种手段。第21页，本讲稿共24页（二）困难（二）困难1、原子稳定性问题2、原子线状光谱问题八、原子的大小八、原子的大小核式结构原子由原子核及核外电子组成1、原子核半径10-14 m (fm)原子的半径10-1 m（0.1nm）2、电子半径10-1 m第22页，本讲稿共24页问题：问题：(l)d 的物理意义？的物理意义？(2)库仑散射公式为什么不能直接检验库仑散射公式为什么不能直接检验?(3)如如果果 粒粒子子以以一一定定的的瞄瞄准准距距离离接接近近原原子子核核时时，以以90o角角散散射射，当当 粒粒子子以以更更小小的的瞄瞄准准距距离离接接近近原原子子核核时时，散散射射角角的的范范围是什么围是什么?(4)卢瑟福依据什么提出他的原子模型卢瑟福依据什么提出他的原子模型?(5)卢瑟福模型与汤姆逊模型的主要区别是什么卢瑟福模型与汤姆逊模型的主要区别是什么?第23页，本讲稿共24页 纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1100nm间的粒子，纳米金属铜的超延展性碳纳米管.它的密度是钢的1/6，而强度却是钢的100倍 它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应第24页，本讲稿共24页