原子物理学-第1章-原子的位型-卢瑟福原子模型..优秀PPT.ppt

原原子子物物理理学学讲授讲授:李勇李勇办公室办公室:9#12-16:9#12-16Email:yongliphy.ccnu.edu Email:yongliphy.ccnu.edu 欢迎大家!原原子子物物理理学学物理学探讨对象：物理学探讨对象：物质运动最一般的规律物质运动最一般的规律物质基本结构物质基本结构物理学探讨的特点物理学探讨的特点简洁简洁定量定量原原子子物物理理学学原子物理的探讨对象：原子物理的探讨对象：原子原子原子：原子：组成物质世界的基本单元组成物质世界的基本单元物质结构的一个层次物质结构的一个层次 探讨问题：探讨问题：原子组成原子组成组成物的运动组成物的运动组成物的相互作用组成物的相互作用原原子子物物理理学学原子物理的探讨的特点：原子物理的探讨的特点：微观规律微观规律普遍规律普遍规律原子物理课与量子力学课原子物理课与量子力学课原原子子物物理理学学教材教材Fujia YangModern Atomic and Nuclear Physics参考书参考书杨福家杨福家原子物理学原子物理学内容简介内容简介第一章第一章原子的位型原子的位型:卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型其次章其次章原子的量子态原子的量子态:玻尔模型玻尔模型第三章第三章原子的精细结构原子的精细结构:电子自旋电子自旋第四章第四章多电子原子多电子原子:泡利原理泡利原理第五章第五章X射线射线第六章第六章原子核物理概论原子核物理概论教学形式（教学形式（1）讲授讲授(每周三学时每周三学时)答疑答疑(每周一次每周一次,每次一小时每次一小时)三个小测验三个小测验测验一：第一、二章测验一：第一、二章测验二：第三、四章测验二：第三、四章测验三：第五、六章测验三：第五、六章期末考试期末考试全教材内容全教材内容教学形式教学形式(2)(2)评分标准作业、平常表现(10)三个小测验(30)期末考试(60)祝大家好运祝大家好运!原 子 物 理 学 第一章第一章原子的位型原子的位型:卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型其次章其次章原子的量子态原子的量子态:玻尔模型玻尔模型第三章第三章原子的精细结构原子的精细结构:电子自旋电子自旋第四章第四章多电子原子多电子原子:泡利原理泡利原理第五章第五章X射线射线第六章第六章原子核物理概论原子核物理概论第一章第一章原子的位型原子的位型:卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型1-1 1-1 背景学问背景学问1-2 1-2 卢瑟福模型的提出卢瑟福模型的提出1-3 1-3 卢瑟福散射公式卢瑟福散射公式 1-4 1-4 卢瑟福公式的试验验证卢瑟福公式的试验验证1-5 1-5 行星模型的意义及困难行星模型的意义及困难 1-1 1-1 背景学问背景学问1.电子的发觉电子的发觉2.电子的电荷和质量电子的电荷和质量3.原子的大小原子的大小1-1-1 1-1-1 电子的发觉电子的发觉汤姆逊阴极射线试验汤姆逊阴极射线试验试验装置试验装置阴阴极极射射线线(C)(C)狭狭缝缝(A,B)(A,B)金金属属板板(D,E)(D,E)荧荧光光屏屏D,ED,E加加电电场场 射射线线P1 P1 P2 P2 阴阴极极射射线线带带负负电电再再加加磁磁场场 射射线线P2 P2 P1 P1 Hev=Ee Hev=Ee v=E/Hv=E/H去去掉掉电电场场 射射线线半半径径r r mv2/r=mv2/r=Hev Hev e/m=v/Hr e/m=v/Hr 1-1-2 1-1-2 电子的电荷和质量电子的电荷和质量(1)(1)密立根油滴试验密立根油滴试验(1)(1)测得电子电量为：测得电子电量为：e=1.610-19 C e=1.610-19 C(库仑库仑)电子质量电子质量 me=9.110-31 kg me=9.110-31 kg 密立根首次发觉了电荷的量子化密立根首次发觉了电荷的量子化 电荷只能是电荷只能是 e e 的整数倍的整数倍若知若知H+(H+(质子）的荷质比质子）的荷质比 1-1-2 1-1-2 电子的电荷和质量电子的电荷和质量(2)(2)密立根油滴试验密立根油滴试验(2)(2)原子呈中性，原子中具有带负电的电子，原子呈中性，原子中具有带负电的电子，必必定定有有带带正正电电的的物物质质(对对于于氢氢原原子子，这这 种带正电荷的物质称为质子种带正电荷的物质称为质子)原原子子 =正正电电物物质质 +负负电电物物质质 +不不带带电电物物质质1-1-2 1-1-2 电子的电荷和质量电子的电荷和质量(3)(3)原子质量单位原子质量单位 uu1 1 uu 1 1个个1212C C 原子质量原子质量/12/12原子质量原子质量 MA u=原子量原子量 u=Au 1-1-3 1-1-3 原子的大小原子的大小原子半径原子半径 一个原子体积一个原子体积=一一个个原子的原子的质质量量/原子原子质质量密度量密度=原子半径原子半径 r=数量级：数量级：r10-10m=11-2 1-2 卢瑟福模型的提出卢瑟福模型的提出1.1.原子正负电荷如何分布原子正负电荷如何分布?2.2.粒子散射试验粒子散射试验3.3.说明说明 粒子散射试验粒子散射试验1-2-1 1-2-1 原子正负电荷如何分布原子正负电荷如何分布?(1)?(1)汤汤姆姆逊逊原子模型原子模型 正正电电荷匀整分布在整个原子球体内，荷匀整分布在整个原子球体内，电电子子镶镶嵌在其中（同心球壳上）。嵌在其中（同心球壳上）。卢卢瑟福的核型瑟福的核型结结构模型构模型原子是由原子是由带带正正电电的原子核和核外的原子核和核外作作轨轨道运道运动动的的电电子子组组成成1-2-2 1-2-2 粒子散射试验粒子散射试验(1)(1)试验装置试验装置1-2-2 1-2-2 粒子散射试验粒子散射试验(2)(2)试验结果：试验结果：绝绝大大多多数数 粒粒子子散散射射角角：2 2-331/80001/8000的的 粒子散射角：粒子散射角：90 90 惊异惊异相当于炮弹被一张纸反弹回来一样！相当于炮弹被一张纸反弹回来一样！1-2-3 1-2-3 说明说明 粒子散射试验粒子散射试验(1)(1)带正电物质散射（汤氏模型）带正电物质散射（汤氏模型）(1)(1)原子的正电荷原子的正电荷Ze对入射的对入射的 粒子粒子(2(2e)e)产生的力产生的力Rr原子半径原子半径带正电物质散射（汤氏模型）带正电物质散射（汤氏模型）(2)(2)正电荷正电荷ZeZe对对粒子粒子(2e)(2e)的最大力的最大力散射角散射角动量的变更动量的变更 力乘以粒子在原子度过的时间力乘以粒子在原子度过的时间2R/v2R/v1-2-3 1-2-3 说明说明 粒子散射试验粒子散射试验(2)(2)pp1-2-3 1-2-3 说明说明 粒子散射试验粒子散射试验(3)(3)带正电物质散射（汤氏模型）带正电物质散射（汤氏模型）(3)(3)相对动量的变更相对动量的变更R1-2-3 1-2-3 说明说明 粒子散射试验粒子散射试验(4)(4)带正电物质散射（汤氏模型）带正电物质散射（汤氏模型）(4)(4)电子对电子对粒子的偏转的贡献（粒子的偏转的贡献（对头撞对头撞）(1)(1)动量、动能守恒动量、动能守恒 入射的入射的 粒子粒子散射后的散射后的 粒子粒子散射后的电子散射后的电子1-2-3 1-2-3 说明说明 粒子散射试验粒子散射试验(5)(5)带正电物质散射（汤氏模型）带正电物质散射（汤氏模型）(5)(5)电子对电子对粒子的偏转的贡献（粒子的偏转的贡献（对头撞对头撞）(2)(2)电子引起电子引起粒子的偏转角特别小粒子的偏转角特别小可以说几乎没有什么贡献可以说几乎没有什么贡献1-2-3 1-2-3 说明说明 粒子散射试验粒子散射试验(6)(6)带正电物质散射（汤氏模型）带正电物质散射（汤氏模型）(6)(6)粒子对金的散射角粒子对金的散射角一次散射的散射角一次散射的散射角重复散射也不会产生大角度重复散射也不会产生大角度 重复散射为随机重复散射为随机,平均之后不会朝一个方平均之后不会朝一个方向特殊不会稳定地朝某一方向散射向特殊不会稳定地朝某一方向散射 汤姆逊原子模型与试验不符汤姆逊原子模型与试验不符!Z=791-3 1-3 卢瑟福散射卢瑟福散射公式公式1.1.库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导 2.2.卢瑟福公式的推导卢瑟福公式的推导 1-3-1 1-3-1 库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导(1)(1)远离靶核的入射能量远离靶核的入射能量E,电荷电荷Z1e的带电粒子与电的带电粒子与电荷荷Z2e的靶核散射的靶核散射瞄准距离瞄准距离碰撞参数碰撞参数散射角散射角1-3-1 1-3-1 库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导(2)(2)库仑散射公式库仑散射公式库仑散射因子库仑散射因子1-3-1 1-3-1 库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导(3)(3)假定：假定：单次散射单次散射点电荷，库仑相互作用点电荷，库仑相互作用核外电子的作用可略核外电子的作用可略靶原子核静止（靶核重，晶体结构坚固）靶原子核静止（靶核重，晶体结构坚固）1-3-1 1-3-1 库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导(4)(4)推导库仑散射公式推导库仑散射公式中心力中心力角动量守恒角动量守恒1-3-1 1-3-1 库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导(5)(5)1-3-1 1-3-1 库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导(6)(6)1-3-1 1-3-1 库仑散射公式的推导库仑散射公式的推导(7)(7)b ;b;b 1-3-2 1-3-2 卢瑟福公式的推导卢瑟福公式的推导(1)(1)a粒子粒子:b b+db -d 粒子粒子:bb+db 圆环圆环面积面积 -d空心空心圆锥体圆锥体 粒子打粒子打在环上的在环上的几率几率?1-3-2 1-3-2 卢瑟福公式的推导卢瑟福公式的推导(2)(2)靶靶(薄箔薄箔)厚厚t,面积面积A，数密度数密度n，质质量密度量密度 环环面积面积 粒子打在环上的几率粒子打在环上的几率1-3-2 1-3-2 卢瑟福公式的推导卢瑟福公式的推导(3)(3)空心圆锥体的立体角空心圆锥体的立体角d 1-3-2 1-3-2 卢瑟福公式的推导卢瑟福公式的推导(4)(4)薄箔内有很多环薄箔内有很多环:核核环环;薄箔体积薄箔体积:At;薄箔环数薄箔环数:Atn粒子打在粒子打在Atn环上环上,散射角散射角 相同相同一个一个粒子打在薄箔粒子打在薄箔上被散射到上被散射到 -d 的几率的几率1-3-2 1-3-2 卢瑟福公式的推导卢瑟福公式的推导(5)(5)N个个 粒子打在粒子打在薄箔薄箔上测量到上测量到 -d 的粒子粒子数数微分截面微分截面(卢瑟福公式卢瑟福公式)1-3-2 1-3-2 卢瑟福公式的推导卢瑟福公式的推导(6)(6)微分截面的物理意义微分截面的物理意义对对于于单单位位面面积积内内每每个个靶靶原原子子核核,单单位位入入射射粒粒子子,单单位位立体角内的散射粒子数立体角内的散射粒子数微微分分截截面面有有面面积积的的量量纲纲,表表示示 粒粒子子散散射射到到 方方向向单单位立体角内每个原子的位立体角内每个原子的有效散射有效散射截面截面微分截面的单位微分截面的单位:(:(m m2 2/sr)(/sr)(米米2 2/球面度球面度)截面的单位截面的单位:靶恩靶恩(靶靶,b):微分截面的单位微分截面的单位:b/srb/sr1-4 1-4 卢卢瑟福公式的瑟福公式的试验验证试验验证1.1.盖革盖革 马斯顿试验马斯顿试验 2.2.原子核大小的估计原子核大小的估计 1-4-1 1-4-1 盖革盖革 马斯顿试验马斯顿试验(1)(1)同一同一(粒子源粒子源,散射体散射体)同一同一(粒子源粒子源,材料的散射体材料的散射体,散射角散射角)同一同一(散射体散射体,散射角散射角)同一同一(粒子源粒子源,散射角散射角,nt)1-4-1 1-4-1 盖革盖革 马斯顿试验马斯顿试验(2)(2)盖革盖革 马斯顿试验证明白上述规律马斯顿试验证明白上述规律1-4-2 1-4-2 原子核大小的估计原子核大小的估计(1)(1)1-4-2 1-4-2 原子核大小的估计原子核大小的估计(2)(2)求解求解 1-5 1-5 行星模型的意义及困难行星模型的意义及困难意义：意义：确确定定了了原原子子的的核核式式结结构构，原原子子内内部部特特别别稀稀疏疏提出了一种探讨方法提出了一种探讨方法黑箱方法黑箱方法不足不足:原子稳定性原子稳定性(加速运动加速运动 辐射辐射)原子同一性原子同一性(原子与太阳系原子与太阳系,初始条件初始条件)原原子子再再生生性性(原原子子与与太太阳阳系系，相相互互作作用用后后复复原原)