原子核式模型幻灯片.ppt

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1、原子核式模型第1页，共28页，编辑于2022年，星期五18111811年年年年AvogadroAvogadro化学原子学说化学原子学说化学原子学说化学原子学说18031803年年年年DaltonDalton化学反应中，原子不可分解，性质不变；化学反应中，原子不可分解，性质不变；化学反应中，原子不可分解，性质不变；化学反应中，原子不可分解，性质不变；不同元素的原子不同，每种原子有确定原子量。不同元素的原子不同，每种原子有确定原子量。不同元素的原子不同，每种原子有确定原子量。不同元素的原子不同，每种原子有确定原子量。气体由分子组成，分子由原子组成。气体由分子组成，分子由原子组成。气体由分子组成，分

2、子由原子组成。气体由分子组成，分子由原子组成。18691869年年年年MendeleevMendeleev原子量大小原子量大小原子量大小原子量大小 发现元素周期律，预言新发现元素周期律，预言新发现元素周期律，预言新发现元素周期律，预言新元素元素元素元素现代原子学说现代原子学说现代原子学说现代原子学说同温同压的同体积气体含相同数目的分子。同温同压的同体积气体含相同数目的分子。同温同压的同体积气体含相同数目的分子。同温同压的同体积气体含相同数目的分子。1919世纪末世纪末世纪末世纪末三大发现三大发现三大发现三大发现X X射线、放射性和电子射线、放射性和电子射线、放射性和电子射线、放射性和电子第2页

3、，共28页，编辑于2022年，星期五原子是物质结构的一个层次，介于分子和原子核之间。原子是物质结构的一个层次，介于分子和原子核之间。原子是物质结构的一个层次，介于分子和原子核之间。原子是物质结构的一个层次，介于分子和原子核之间。原子本身也是有结构的。原子本身也是有结构的。原子本身也是有结构的。原子本身也是有结构的。19111911年年年年RutherfordRutherford原子核式结构模型原子核式结构模型原子核式结构模型原子核式结构模型19131913年年年年BohrBohr原子量子理论原子量子理论原子量子理论原子量子理论解释氢光谱解释氢光谱解释氢光谱解释氢光谱1924-19271924-

4、1927量子力学诞生量子力学诞生量子力学诞生量子力学诞生成功解释原子现象成功解释原子现象成功解释原子现象成功解释原子现象问题：问题：问题：问题：组分组分组分组分?结构和相互作用结构和相互作用结构和相互作用结构和相互作用?内部运动内部运动内部运动内部运动?第3页，共28页，编辑于2022年，星期五卢瑟福核式模型卢瑟福核式模型一、电子一、电子一、电子一、电子（electronelectron）的发现）的发现）的发现）的发现18941894年，年，年，年，StoneyStoney命名阴极射线粒子为电子命名阴极射线粒子为电子命名阴极射线粒子为电子命名阴极射线粒子为电子18971897年，年，年，年，T

5、homsonThomson证实阴极射线由负电微粒组成证实阴极射线由负电微粒组成证实阴极射线由负电微粒组成证实阴极射线由负电微粒组成真空放电管中阴极射线在电场、磁场中的偏转真空放电管中阴极射线在电场、磁场中的偏转真空放电管中阴极射线在电场、磁场中的偏转真空放电管中阴极射线在电场、磁场中的偏转真真真真空空空空放放放放电电电电管管管管中中中中阴阴阴阴极极极极射射射射线线线线在在在在电电电电场场场场、磁磁磁磁场场场场中中中中的的的的偏偏偏偏转转转转测测测测出出出出了了了了阴阴阴阴极极极极射射射射线线线线的的的的荷荷荷荷质质质质比比比比：e/me/me e；（e/me/me e）10001000（e e

6、HH/m/mHH），阴阴阴阴极极极极射射射射线线线线不不不不是是是是离离离离子子子子束束束束，而而而而是是是是电电电电子子子子束束束束。这这这这种种种种粒粒粒粒子子子子是是是是各各各各种种种种元元元元素素素素的的的的原原原原子子子子都都都都有有有有的的的的，共共共共同同同同的的的的，是是是是物物物物质质质质的的的的一一一一个个个个组组组组成成成成部部部部分分分分第4页，共28页，编辑于2022年，星期五AP1P2SOP阴极射线实验装置示意图阴极射线实验装置示意图阴极射线管阴极射线管第5页，共28页，编辑于2022年，星期五19091909年，年，年，年，MillikanMillikan油滴实验

7、精确测定油滴实验精确测定油滴实验精确测定油滴实验精确测定18991899年，年，年，年，ThomsonThomson利用云雾室测量利用云雾室测量利用云雾室测量利用云雾室测量 和和和和Millikan油滴实验测出单个电子的电荷油滴实验测出单个电子的电荷第6页，共28页，编辑于2022年，星期五J.J.Thomson J.J.Thomson(1856-1940)(1856-1940)in recognition of the great merits of his theoretical in recognition of the great merits of his theoretical a

8、nd experimental investigations on theand experimental investigations on the conduction conduction of electricity by gasesof electricity by gases The Nobel Prize in Physics 1906The Nobel Prize in Physics 1906The Nobel Prize in Physics 1923The Nobel Prize in Physics 1923for his work on the for his wor

9、k on the elementary charge of electricityelementary charge of electricity and on the and on the photoelectric effectphotoelectric effectR.Millikan R.Millikan(1868-(1868-1953)1953)第7页，共28页，编辑于2022年，星期五原子中存在一定数量的电子，带负电。原子中存在一定数量的电子，带负电。原子中存在一定数量的电子，带负电。原子中存在一定数量的电子，带负电。原子电中性，必定带有相同电量的正电荷，承原子电中性，必定带有相同

10、电量的正电荷，承原子电中性，必定带有相同电量的正电荷，承原子电中性，必定带有相同电量的正电荷，承担了绝大部分质量。担了绝大部分质量。担了绝大部分质量。担了绝大部分质量。正电部分和电子如何分布与相对运动？正电部分和电子如何分布与相对运动？第8页，共28页，编辑于2022年，星期五汤汤姆姆逊逊(Thomson)(Thomson)发发现现电电子子之之后后,对对于于原原子子中中正正负负电电荷荷的的分分布布他他提提出出了了一个模型：一个模型：原子中带正电荷均匀分布在整个原子空间原子中带正电荷均匀分布在整个原子空间,电子镶嵌在其中。电子镶嵌在其中。原子的模型原子的模型原子的模型原子的模型 之之之之 Tho

11、mson原子模型原子模型同同时时该该模模型型还还进进一一步步假假定定，电电子子分分布布在在分分离离的的同同心心环环上上，每每个个环环上上的的电电子子容容量量都都不不相相同同，电电子子在在各各自自的的平平衡衡位位置置附附近近做做微微振振动动。可可以以发发射射电电磁磁辐辐射射，而而且且各各层层电电子子绕绕球球心心转转动动时时也也会会发发光光。这这对对于于解解释释当当时时已已有有的的实实验验结结果果、元元素素的的周周期期性性以以及及原原子子的的线线光光谱，似乎是成功的。谱，似乎是成功的。Thomson模型的失败：与模型的失败：与粒子散射实验结果不符合。粒子散射实验结果不符合。第9页，共28页，编辑于

12、2022年，星期五“就像一枚就像一枚1515英寸的炮弹打在一张纸上又被反射回来一样英寸的炮弹打在一张纸上又被反射回来一样”E.Rutherford E.Rutherford (1871-1937)(1871-1937)19091909年，年，年，年，GeigerGeiger和和和和MarsdenMarsden发现发现发现发现 粒子粒子粒子粒子 经原经原经原经原子子子子散射后散射角大于散射后散射角大于散射后散射角大于散射后散射角大于 的概率约为的概率约为的概率约为的概率约为1/80001/8000，甚至达到甚至达到甚至达到甚至达到180180 粒子散射实验粒子散射实验粒子散射实验粒子散射实验真空

13、室粒子源散射箔抽气管闪烁计数器粒子源铂箔Geiger计数器俯视图俯视图第10页，共28页，编辑于2022年，星期五Thomson模型大于90度角散射概率估算电子的质量很小，对电子的质量很小，对电子的质量很小，对电子的质量很小，对粒子（粒子（粒子（粒子（2e)2e)2e)2e)运动的影响可以忽略；只考虑原子运动的影响可以忽略；只考虑原子运动的影响可以忽略；只考虑原子运动的影响可以忽略；只考虑原子中均匀分布的正电荷对中均匀分布的正电荷对中均匀分布的正电荷对中均匀分布的正电荷对粒子的影响粒子的影响粒子的影响粒子的影响第11页，共28页，编辑于2022年，星期五对Au，Z=78，取E=5MeV第12页

14、，共28页，编辑于2022年，星期五T T模型模型模型模型R R模型模型模型模型易穿过原子，只能发生小角度散射。易穿过原子，只能发生小角度散射。易穿过原子，只能发生小角度散射。易穿过原子，只能发生小角度散射。距核愈近力愈大，可能被距核愈近力愈大，可能被距核愈近力愈大，可能被距核愈近力愈大，可能被大角度散射大角度散射大角度散射大角度散射。Thomson原子模型原子模型 Rutherford核式模型核式模型第13页，共28页，编辑于2022年，星期五库仑散射公式库仑散射公式库仑散射公式库仑散射公式具有确定能量的一具有确定能量的一具有确定能量的一具有确定能量的一 粒子均匀入射，研究散射粒子均匀入射，

15、研究散射粒子均匀入射，研究散射粒子均匀入射，研究散射 粒子的角分布粒子的角分布粒子的角分布粒子的角分布瞄准距离瞄准距离瞄准距离瞄准距离散射角散射角散射角散射角粒子反射粒子反射粒子反射粒子反射2、卢瑟福散射公式、卢瑟福散射公式大角度散射：只要考虑大角度散射：只要考虑大角度散射：只要考虑大角度散射：只要考虑 粒子与原子核的相互作用粒子与原子核的相互作用粒子与原子核的相互作用粒子与原子核的相互作用第14页，共28页，编辑于2022年，星期五有心力作用，有心力作用，有心力作用，有心力作用，粒子对原点（原子核）的粒子对原点（原子核）的粒子对原点（原子核）的粒子对原点（原子核）的角角角角动量守恒动量守恒动

16、量守恒动量守恒在在在在y y y y方向动量的改变方向动量的改变方向动量的改变方向动量的改变两式相乘两式相乘两式相乘两式相乘第15页，共28页，编辑于2022年，星期五库仑散射公式第16页，共28页，编辑于2022年，星期五第17页，共28页，编辑于2022年，星期五瞄准距离在瞄准距离在瞄准距离在瞄准距离在b b和和和和b-dbb-db间的入射间的入射间的入射间的入射 粒子束，都被散射到粒子束，都被散射到粒子束，都被散射到粒子束，都被散射到 与与与与+d+d间的立体间的立体间的立体间的立体角内（空心圆锥立体角）角内（空心圆锥立体角）角内（空心圆锥立体角）角内（空心圆锥立体角）Rutherfor

17、d散射公式（大量粒子对大量靶原子的散射）第18页，共28页，编辑于2022年，星期五Rutherford公式公式第19页，共28页，编辑于2022年，星期五瞄瞄瞄瞄向向向向dddd的的的的粒粒粒粒子子子子都都都都被被被被散散散散射射射射到到到到dddd立立立立体体体体角角角角内内内内，而而而而dddd是是是是一一一一个个个个原原原原子子子子核核核核周周周周围围围围的的的的圆圆圆圆环环环环的的的的面面面面积积积积，瞄瞄瞄瞄向向向向dddd的的的的粒粒粒粒子子子子越越越越多多多多，被被被被散散散散射射射射到到到到dddd立立立立体体体体角角角角内内内内的的的的粒粒粒粒子子子子越越越越多多多多，在在

18、在在入入入入射射射射的的的的粒粒粒粒子子子子密密密密度度度度不不不不变变变变的的的的情情情情况况况况下下下下，dddd越越越越大大大大，被被被被散散散散射射射射到到到到dddd立立立立体体体体角角角角内内内内的的的的粒粒粒粒子子子子越越越越多多多多，即即即即每每每每一一一一个个个个粒粒粒粒子子子子被被被被散散散散射到射到射到射到dddd立体角内几率越大。立体角内几率越大。立体角内几率越大。立体角内几率越大。dd被称为有效散射截面，或微分截面。被称为有效散射截面，或微分截面。第20页，共28页，编辑于2022年，星期五靶：很薄的金属箔，核不相互遮掩，都起散射作用。入靶：很薄的金属箔，核不相互遮掩

19、，都起散射作用。入靶：很薄的金属箔，核不相互遮掩，都起散射作用。入靶：很薄的金属箔，核不相互遮掩，都起散射作用。入射粒子最多被散射一次。射粒子最多被散射一次。射粒子最多被散射一次。射粒子最多被散射一次。铂金箔，面积为铂金箔，面积为铂金箔，面积为铂金箔，面积为A A，厚度为，厚度为，厚度为，厚度为t t，单位体积所含原子数为，单位体积所含原子数为，单位体积所含原子数为，单位体积所含原子数为N N箔上总原子数为箔上总原子数为箔上总原子数为箔上总原子数为:n n个个个个 粒子射到箔上，粒子射到箔上，粒子射到箔上，粒子射到箔上，dndn个入射到个入射到个入射到个入射到dd中，散射到中，散射到中，散射到

20、中，散射到 方向的几率为方向的几率为方向的几率为方向的几率为:被散射到被散射到被散射到被散射到dd立体角内的立体角内的立体角内的立体角内的 粒子数为粒子数为粒子数为粒子数为:第21页，共28页，编辑于2022年，星期五实验中，探测器对散射粒子所张的立体角是常数实验中，探测器对散射粒子所张的立体角是常数实验中，探测器对散射粒子所张的立体角是常数实验中，探测器对散射粒子所张的立体角是常数粒子源粒子源铂铂金金膜膜Geiger计数器计数器第22页，共28页，编辑于2022年，星期五3、散射公式讨论：、散射公式讨论：由实验条件给定的参数由实验条件给定的参数由实验条件给定的参数由实验条件给定的参数(n,E

21、,N,t,Z)(n,E,N,t,Z)(n,E,N,t,Z)(n,E,N,t,Z)，就可以给出理论预期的值，就可以给出理论预期的值，就可以给出理论预期的值，就可以给出理论预期的值第23页，共28页，编辑于2022年，星期五4 4、盖革马斯登实验（、盖革马斯登实验（、盖革马斯登实验（、盖革马斯登实验（19131913年）年）年）年）验证：验证：验证：验证：靶不变，粒子能量不变靶不变，粒子能量不变靶不变，粒子能量不变靶不变，粒子能量不变改变靶厚改变靶厚改变靶厚改变靶厚改变粒子能量改变粒子能量改变粒子能量改变粒子能量改变靶材改变靶材改变靶材改变靶材19201920年年年年ChadwickChadwic

22、k改进仪器，测靶材原子序数改进仪器，测靶材原子序数改进仪器，测靶材原子序数改进仪器，测靶材原子序数实验确认实验确认实验确认实验确认“核式模型核式模型核式模型核式模型”的正确性的正确性的正确性的正确性第24页，共28页，编辑于2022年，星期五 粒子散射实验粒子散射实验否定了否定了汤姆逊的原子模型，根据实验结果，卢瑟福于汤姆逊的原子模型，根据实验结果，卢瑟福于19111911年提出了原子的核式模型。年提出了原子的核式模型。原子中心有一个极小的原子核，它集中了全部的正电荷和几乎所有的质量，所原子中心有一个极小的原子核，它集中了全部的正电荷和几乎所有的质量，所有电子都分布在它的周围。有电子都分布在它

23、的周围。卢瑟福核式模型卢瑟福核式模型第25页，共28页，编辑于2022年，星期五关于小角散射的问题关于小角散射的问题关于小角散射的问题关于小角散射的问题原因：原因：原因：原因：小小小小角角角角散散散散射射射射对对对对应应应应于于于于较较较较大大大大的的的的瞄瞄瞄瞄准准准准距距距距离离离离b b；此此此此时时时时入入入入射射射射的的的的粒粒粒粒子子子子距距距距核核核核较较较较远远远远，在在在在粒粒粒粒子子子子与与与与核核核核之之之之间间间间有有有有电电电电子子子子，而而而而电电电电子子子子所所所所带带带带的的的的电电电电荷荷荷荷对对对对核核核核的的的的电电电电场场场场有有有有屏屏屏屏蔽蔽蔽蔽作作

24、作作用用用用，即即即即粒粒粒粒子子子子所所所所感感感感受受受受到到到到的的的的有有有有效效效效电电电电场场场场要要要要小小小小。RutherfordRutherford散散散散射射射射公公公公式式式式中中中中的的的的核核核核电电电电荷荷荷荷数数数数Z Z应应应应当以有效核电荷数代替。当以有效核电荷数代替。当以有效核电荷数代替。当以有效核电荷数代替。靶靶靶靶原原原原子子子子之之之之间间间间不不不不再再再再互互互互不不不不遮遮遮遮蔽蔽蔽蔽，小小小小角角角角度度度度散散散散射射射射必必必必定定定定是是是是多多多多次次次次散散散散射射射射的的的的结结结结果。果。果。果。忽略电子屏蔽作用，对忽略电子屏蔽

25、作用，对忽略电子屏蔽作用，对忽略电子屏蔽作用，对小角度小角度小角度小角度散射不适用散射不适用散射不适用散射不适用假定原子核不动，如考虑原子核的反冲假定原子核不动，如考虑原子核的反冲假定原子核不动，如考虑原子核的反冲假定原子核不动，如考虑原子核的反冲质心系坐标质心系坐标质心系坐标质心系坐标卢瑟福公式卢瑟福公式卢瑟福公式卢瑟福公式第26页，共28页，编辑于2022年，星期五5 5原子核大小的估计原子核大小的估计原子核大小的估计原子核大小的估计卢瑟福公式成立条件卢瑟福公式成立条件卢瑟福公式成立条件卢瑟福公式成立条件卢瑟福公式成立前提下，卢瑟福公式成立前提下，卢瑟福公式成立前提下，卢瑟福公式成立前提下，愈大，估计愈准确。愈大，估计愈准确。愈大，估计愈准确。愈大，估计愈准确。r rmm：粒子可以到达的与核的最小距离粒子可以到达的与核的最小距离粒子可以到达的与核的最小距离粒子可以到达的与核的最小距离由能量守恒及角动量守恒由能量守恒及角动量守恒由能量守恒及角动量守恒由能量守恒及角动量守恒第27页，共28页，编辑于2022年，星期五Rutherford公式公式提供了一种分析物质结构的方法提供了一种分析物质结构的方法提供了一种材料分析的手段提供了一种材料分析的手段第28页，共28页，编辑于2022年，星期五