高二物理竞赛原子的核式结构课件.pptx

《高二物理竞赛原子的核式结构课件.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高二物理竞赛原子的核式结构课件.pptx（13页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、一一、汤姆逊原子模型一、汤姆逊原子模型一布丁模型布丁模型19031903年年英英国国科科学学家家汤汤姆姆逊逊提提出出“葡葡萄萄干干蛋蛋糕糕”式式原原 子子模模型型或或称称为为“西西瓜瓜”模模型型一一原原子子中中正正电电荷荷和和质质量量均均匀匀 分分布布在在原原子子大大小小的的弹弹性性实实心心球球内内，电电子子就就象象西西瓜瓜里里的的瓜瓜 子那样嵌在这个球内。子那样嵌在这个球内。该模型对原子发光现象的解释一电子在其平衡位置作简该模型对原子发光现象的解释一电子在其平衡位置作简 谐振动的结果，原子所发出的光的频率就相当于这些振谐振动的结果，原子所发出的光的频率就相当于这些振 动的频率。动的频率。1、

2、原子的核式结构原子的核式结构放放射射源源R R中中发发出出一一细细束束a a粒粒子子，直直射射到到伯伯的的薄薄膜膜F F上上，由由于于 各各a a粒粒子子所所受受伯伯中中原原子子的的作作用用不不同同，所所以以沿沿着着不不同同的的方方向向散散 射射。荧荧光光屏屏S S及及放放大大镜镜M M可可以以移移动动到到不不同同的的方方向向对对散散射射的的a a 粒粒子子进进行行观观察察。从从而而记记录录下下单单位位时时间间内内在在某某一一特特定定方方向向散散射射 的的a a粒粒子子数数。进进而而研研究究a a粒粒子子通通过过铂铂的的薄薄片片后后按按不不同同的的散散射射 角角0 0的的分布情况。分布情况。实

3、验结果实验结果：大多数散射角很小，约大多数散射角很小，约1/80001/8000散射大散射大 于于9090 ；个别的散射角接近；个别的散射角接近180180。这是我一生中碰到的最不可思议的事情，这是我一生中碰到的最不可思议的事情，就像一枚就像一枚15英寸的炮弹打在一张纸上又被英寸的炮弹打在一张纸上又被 反射回来一样！反射回来一样！-卢瑟福卢瑟福a粒子的大角散射，说明它受到粒子的大角散射，说明它受到很大的力很大的力的的作用作用!1英寸英寸=2.54厘米厘米1、汤姆逊模型的困难汤姆逊模型的困难汤姆逊模型：正电荷均匀分布汤姆逊模型：正电荷均匀分布 在原子球体内，电子镶嵌其中在原子球体内，电子镶嵌其中

4、汤姆逊模型是否可以提供如此大的力？汤姆逊模型是否可以提供如此大的力？近似近似1 1：忽略电子对忽略电子对a粒子散射的影响。粒子散射的影响。原因：原因：a粒子的质量是电子质量的粒子的质量是电子质量的7300多倍多倍,a粒子在接近电子时，二者受相同的作用力粒子在接近电子时，二者受相同的作用力,动量改变也相同。但由于质量原因，电子速动量改变也相同。但由于质量原因，电子速 度比度比a粒子速度改变大得多，故此时可假设粒子速度改变大得多，故此时可假设 电子离去，对电子离去，对a粒子的影响不大。粒子的影响不大。对于汤姆逊模型而言，只有掠入射对于汤姆逊模型而言，只有掠入射（，顷顷）时时，入射入射。粒子粒子受力

5、最受力最 大，设为大，设为Fmax，此条件下，此条件下。粒子的粒子的最大偏转角最大偏转角是多是多少？少？取也取也=竺表示竺表示。粒子在原子附近度过的粒子在原子附近度过的时间时间.v如上图如上图，我们假设我们假设粒子以速度粒子以速度y y射来射来，且在原子附近且在原子附近度过度过 的整个时间内均受到的整个时间内均受到卩心卩心的作用的作用，那么那么会产生多会产生多大角度大角度 的散射的散射呢呢？2、卢瑟福核式结构模型卢瑟福核式结构模型对对于于a a粒粒子子发发生生大大角角度度散散射射的的事事实实，无无法法用用汤汤姆姆 逊逊(Thomson(Thomson)模模型型加加以以解解释释.除除非非原原子子

6、中中正正电电荷荷集集中中 在在很很小小的的体体积积内内时时，排排斥斥力力才才会会大大到到使使a a粒粒子子发发生生 大大角角度度散散射射，在在此此基基础础上上，卢卢瑟瑟福福(Rutherford Rutherford)于于 1911提出了提出了原子的核式原子的核式模型模型.原原子子中中心心有有一一个个极极小小 的的原原子子核核，它它集集中中了了全全 部部的的正正电电荷荷和和几几乎乎所所有有 的的质质量量，所所有有电电子子都都分分 布在它的周围布在它的周围定定性性解解释释：由由于于原原子子核核很很小小，绝绝大大部部分分a a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

7、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，偏偏转转也也很很小小。但但有有少少数数a a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a a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结 构构模型能定性地解释模型能定性地解释a a粒子散射实验。粒子散射实验。Ernest Rutherford(1871-1937)The N

8、obel Prize in Chemistry 1908was awarded to Ernest Rutherford“for his investigations into the disintegration of the elements,and the chemistry of radioactive substances”1、库仑散射公式库仑散射公式库仑散射公式库仑散射公式其中其中。是是瞄准距离瞄准距离，表示入射粒子距离核的最小垂直距离。，表示入射粒子距离核的最小垂直距离。7 a 3 b=cot2 2a=圣乞圣乞为为库仑散射因子库仑散射因子入入射射速速度度为为y y,电电荷荷为为Z

9、 Z1 e e，质质量量为为刀刀的的带带电电粒粒子子，与与电电荷荷为为Z Z2 2 e e 的的靶靶核核发发生生散散射射的的情情形形。当当粒粒子子从从远远离离靶靶核核处处射射过过来来以以后后，在在库库 仑仑力力的的作作用用下下，粒粒子子的的运运动动偏偏转转了了角角。由由力力学学的的知知识识可可以以证证明明,入入射射粒粒子子在在原原子子核核附附近近的的运运动动轨轨迹迹是是双双曲曲线线，散散射射过过程程中中，其其偏偏 转角转角。与瞄准距离与瞄准距离。之间之间的关系满足：的关系满足：480 EE=1 mv2为为入射粒子的动能入射粒子的动能库仑散射公式推导：库仑散射公式推导：设入射粒子为设入射粒子为a

10、 a粒子，在推导库仑散射公式之前，我们对粒子，在推导库仑散射公式之前，我们对 散射过程作如下散射过程作如下假设假设：1.1.只发生只发生单次单次散射；散射；2.2.只有只有库仑库仑相互作用；相互作用；3 3.忽忽略略核外电子的作用；核外电子的作用；4 4.假定假定原子核静止。原子核静止。如如上上图图所所示示,a a粒粒子子在在原原子子核核ZeZe的的库库仑仑场场中中运运动动，任任一一时时刻刻，时时的的位位置置矢矢量量为为在在作作用用前前后后。粒粒子子的的速速度度分分别别为为 在在I I（左左冇冇前前后后的的渐渐近近速速度度），任任一一时时刻刻的的速速度度为为，。粒粒讦讦的的入入 射射能能建建为

11、为EaEa粒粒子子受受到到原原子子核核的的斥斥力力作作用用，由由牛牛顿顿第第二定二定 律律可得：可得：-库仑散射公式对核式模型的散射情形作了理论预言库仑散射公式对核式模型的散射情形作了理论预言,它是否正确只有实验能给出答案，但瞄准距离它是否正确只有实验能给出答案，但瞄准距离b b是微是微 观量，目前观量，目前b b仍然无法测量仍然无法测量。因此必须设法用可观测。因此必须设法用可观测 的宏观量来代替的宏观量来代替b b，才能进行相关实验。才能进行相关实验。卢瑟福完成了这项工作，并推导出了著名的卢瑟福公式卢瑟福完成了这项工作，并推导出了著名的卢瑟福公式卢瑟福散射公式卢瑟福散射公式1kb首先首先，我们来看只有我们来看只有一个靶原子核一个靶原子核时的情形时的情形，由库仑散射由库仑散射公式公式，我们知道随着瞄准我们知道随着瞄准距离距离。的减小的减小，散射角散射角。增大。增大。1=1如右上图，瞄准距离在如右上图，瞄准距离在bb-bb-db b之间的粒子之间的粒子，必然被散射必然被散射到到。d d。之间的空心圆锥体之中之间的空心圆锥体之中.