第一章 原子的核式结构精选PPT.ppt

《第一章 原子的核式结构精选PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一章 原子的核式结构精选PPT.ppt（25页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第一章原子的核式结构第1页，本讲稿共25页1.1 1.1 1.1 1.1 汤姆孙原子结构模型汤姆孙原子结构模型一一一一电子的发现电子的发现电子的发现电子的发现 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极射线管的实验发现了电子，并进一步测出了电子子，并进一步测出了电子的荷质比的荷质比:e/m:e/m汤姆逊被誉为汤姆逊被誉为:“:“一位最先一位最先打开通向基本粒子物理学大打开通向基本粒子物理学大门的伟人门的伟人.”图汤姆逊正在进行实验图汤姆逊正在进行实验 第2页，本讲稿共25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

2、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。微粒的荷质比为氢离子荷质比的千倍以上阴极射线阴极射线质量只有氢原子质量的千分之一还不到质量只有氢原子质量的千分之一还不到 电子电子 第3页，本讲稿共25页1890年，曼彻斯特大学物理学教授A.休斯脱（Schuster，1851-1934）就曾研究过氢放电管中阴极射线的偏转，并且算出构成阴极射线微粒的荷质比为氢离子荷质比的千倍以上。但他不敢相信自己的测量结果，而觉得“阴极射线质量只有氢原子质量的千分之一还不到”的结论是荒谬的；相反他假定阴极射线粒子的大小与原子一样，而电荷比氢离子大。1897年德国W.考夫曼（K

3、aufman，1871-1947）做了类似的实验，他测到的远比汤姆逊的要精确，与现代值只差1%，他还观察到了e/m值随电子速度的改变而改变（，爱因斯坦1905年在相对论中预言），但是，他当时没有勇气发表这些结果：他不承认阴极射线是粒子的假设。直到1901年，他才把结果公布于世。第4页，本讲稿共25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。质量最轻的氢原子：1.67310-27kg原子质量的数量级：10-27kg10-25kgA：以以克克为为单单位位时时,一一摩摩

4、尔尔原原子子的的质质量量.。N0:阿阿伏伏加加德德罗罗常常数数。(6.022 1023/mol)原子的半径10-1 m（0.1nm）第5页，本讲稿共25页二二二二、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原子中正电荷和质量均匀分布在原子大均匀分布在原子大小小的弹性实心球内的弹性实心球内，电子就象西电子就象西瓜里的瓜子那样嵌在这个球内瓜里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

5、原子发光现象的解释电子在其平衡位置电子在其平衡位置作简谐振动的结果作简谐振动的结果，原子所发出的光的频率就相当于原子所发出的光的频率就相当于这些振动的频率。这些振动的频率。第6页，本讲稿共25页1.2 1.2 原子的核式结构原子的核式结构原子的核式结构原子的核式结构 (卢瑟福模型卢瑟福模型卢瑟福模型卢瑟福模型)一一盖革盖革马斯马斯顿实验顿实验 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；极极个别的散射角等于个别的散射角等于180。(a)侧视图(b)俯视图。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

6、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7页，本讲稿共25页二二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

7、 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8页，本讲稿共25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：最大散射角最大散射角：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。第9页，本讲稿共25页原原

8、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

9、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10页，本讲稿共25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、

10、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。b b是瞄准距离是瞄准距离第11页，本讲稿共25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

11、有效散射截面有效散射截面(膜中每个原子的)，又称为原子的散射截面散射截面。第12页，本讲稿共25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数的原子数为为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，故有效散有效散射截面射截面也称做几率，这就是d的物理意义。将卢瑟福散射公式代入并整理得：第13页，本讲稿共25页五、卢瑟福理论的实验验证五、卢瑟福

12、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14页，本讲稿共25页年年盖革盖革马斯马斯顿实验，顿实验，查德维克查德维克第15页，本讲稿共25页实验事实和现象：粒子散射实验的结果，特别是其中的大角散射

13、。假设：卢瑟福的原子核式模型，它能简单地解释粒子散射实验。理论：从假设出发推出了较为深入的卢瑟福散射理论。实验验证：实验的结果证实了理论的正确性，也就证实了假设的正确性。因此理论和假设就可以被肯定下，作为下一步工作的基础和依据，科学就是这样一步一步向前发展的。实验理论实验第16页，本讲稿共25页例1:能量为3.5MeV的细 粒子束射到单位面积上质量为1.0510-2 kgm2的银箔上，如题图所示。粒子与银箔表面成60角，在离入射线成 20的方向上，离银箔散射区距离L0.12米处放一窗口面积为6.010-5 m2的计数器。测得散射进此窗口的 粒子是全部入射 粒子的百万分之29，若已知银原子量为1

14、07.9，试求银的核电核数Z。计数器窗口银箔L200600第17页，本讲稿共25页2、用相同能量的粒子束和质子束和金箔正碰，测量金原子核半径的上限，则质子束所测的结果是粒子束的几倍：（）A,1/4;B,1/2;C,1;D,23、在同一粒子源和散射靶的条件下，分别在90角和60角方向上单位立体角内观察到散射的粒子数之比为：（）A,4:1;B,:2;C,1:4;D,1:84、用能量为2MeV的质子束轰击一金箔，在方向单位立体角内每分钟探测到40个质子。若用同样能量的粒子束代替质子束，其它条件不变，则每分钟探测到的粒子数为：（）A,10个;B,40个;C,80个;D,160个第18页，本讲稿共25页

15、5、利用汤姆逊模型和卢瑟福模型分析粒子散射实验中，粒子受原子正电荷作用力情况的异同点是：（）A.原子内外相同，原子表面和中心处不同B.原子外相同，原子表面和原子内不同C.原子表面相同，原子内外和中心处不同D.原子外，原子表面相同，原子内和中心处不同第19页，本讲稿共25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25页七、原子的大小七、原子的大小核式结构原子由原子核及核外电子组成原子的半径1

16、0-1 m（0.1nm）1、原子核半径10-14 m (fm)2、电子半径10-1 m原子质量的数量级：10-27kg10-25kg第21页，本讲稿共25页八、八、八、八、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散射实验为人类开辟了一条研究微观粒子结构的新途径。粒子结构的新途径。3、

17、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22页，本讲稿共25页（二）困难（二）困难1、原子稳定性问题2、原子线状光谱问题第23页，本讲稿共25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围是什么是什么?(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24页，本讲稿共25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25页，本讲稿共25页