原子物理学.pptx

原子物理学1-1 1-1 背景知识背景知识1.原子得发现原子得发现2.电子得发现电子得发现3.电子得电荷和质量电子得电荷和质量4.原子得大小原子得大小“原子原子”一词来自希腊文一词来自希腊文,意思就是意思就是“不可不可分割得分割得”。在公元前。在公元前4 4世纪世纪,古希腊哲学家古希腊哲学家德德漠克利特漠克利特(Democritus)(Democritus)提出这一概念提出这一概念,并把她并把她看作物质得最小单元。看作物质得最小单元。定比定律定比定律:倍比定律倍比定律:元素按一定得物元素按一定得物质比相互化合。比相互化合。若两种元素能生成几种化合物若两种元素能生成几种化合物,则在在这些化合物中些化合物中,与一定与一定质量量得甲元素化合得乙元素得得甲元素化合得乙元素得质量量,互成互成简单整数比。整数比。关于卢斯福关于卢斯福原子原子电子电子 在十九世纪在十九世纪,人们在大量得实验中认识了一人们在大量得实验中认识了一些定律些定律,如如:结束目录nextback1-1-1 原子得发现原子得发现 在此基础上在此基础上,18931893年年道尔顿道尔顿提出了她得原提出了她得原子学说子学说,她认为她认为:1 1、一定质量得某种元素一定质量得某种元素,由极大数目得该元由极大数目得该元 素得原子所构成素得原子所构成;2 2、每种元素得原子每种元素得原子,都具有相同得质量都具有相同得质量,不不 同元素得原子同元素得原子,质量也不相同质量也不相同;3 3、两种可以化合得元素两种可以化合得元素,她们得原子可能按她们得原子可能按 几种不同得比率化合成几种化合物得分子。几种不同得比率化合成几种化合物得分子。原子原子电子电子关于卢关于卢斯福斯福结束目录nextback当原子学当原子学说逐逐渐被人被人们接受以后接受以后,人人们又面又面临着新得着新得问题:原子就是最小得粒原子就是最小得粒子子吗？原子有多大？原子得内部有什么？原子有多大？原子得内部有什么？、先看先看电子得子得发现。1811年年,阿伏伽德阿伏伽德罗(A、Avogadno)定律定律问世世,提出提出1mol任任何原子得数目都就是何原子得数目都就是NA个。个。1833年年,法拉第法拉第(M、Faraday)提出提出电解定律解定律,1mol任何原子任何原子得得单价离子永价离子永远带有相同得有相同得电量量-即法拉第常数。即法拉第常数。1874年年,斯迪尼斯迪尼(G、T、Stoney)综合上述两个定律合上述两个定律,指出原指出原子所子所带电荷荷为一个一个电荷得整数倍。斯迪尼提出荷得整数倍。斯迪尼提出,用用“电子子”来命来命名名这个个电荷得最小荷得最小单位。位。但但实际上确上确认电子得存在子得存在,却就是却就是20多年后多年后汤姆姆逊得工作得工作:1897年年,汤姆姆逊(J、J、Thomson)发现电子子:通通过阴极射阴极射线管中管中电子荷子荷质比得比得测量量,汤姆姆逊(J、J、Thomson)预言了言了电子子得存在。得存在。1-1-1-1-2 2 电子电子得发现得发现n n汤姆逊阴极射线实验汤姆逊阴极射线实验(1897)(1897)n n实验装置实验装置实验装置实验装置n n阴极射线阴极射线阴极射线阴极射线(C)C)C)C)狭缝狭缝狭缝狭缝(A,B)A,B)A,B)A,B)金属板金属板金属板金属板(D,E)D,E)D,E)D,E)荧光屏荧光屏荧光屏荧光屏n nD,ED,ED,ED,E加电场加电场加电场加电场 射线射线射线射线P P P P1 1 1 1P P P P2 2 2 2阴极射线带负电阴极射线带负电阴极射线带负电阴极射线带负电n n再再再再加磁场加磁场加磁场加磁场 射线射线射线射线P P P P2 2 2 2 P P P P1 1 1 1 HevHev=EeEe v=E/Hv=E/Hn n去掉电场去掉电场去掉电场去掉电场 射线半径射线半径射线半径射线半径r r mvmv2 2/r/r=Hev Hev e/m=v/Hre/m=v/Hr 1-1-1-1-2 2 电子电子得发现得发现1-1-1-1-3 3 电子得电荷和质量电子得电荷和质量密立根油滴实验密立根油滴实验(1)(1910)测得电子电量为测得电子电量为测得电子电量为测得电子电量为:e e=1=1=1=1、610610610610-19-19-19-19 CC(C(C(库仑库仑库仑库仑)电子质量电子质量电子质量电子质量 mme e =9=9=9=9、110110110110-31-31-31-31 kgkgkgkg 密立根首次发现了电荷得量子化密立根首次发现了电荷得量子化密立根首次发现了电荷得量子化密立根首次发现了电荷得量子化 电荷只能就是电荷只能就是电荷只能就是电荷只能就是 e e 得整数倍得整数倍得整数倍得整数倍若知若知若知若知H H+(质子质子质子质子)得荷质比得荷质比得荷质比得荷质比 两个重要得无量两个重要得无量纲常数之一常数之一,决定了原决定了原 子物理学得主要特征子物理学得主要特征1-1-1-1-3 3 电子得电荷和质量电子得电荷和质量原子质量单位原子质量单位原子质量单位原子质量单位 uuuu 1111u 1u 1u 1u 1个个个个12121212C C C C 原子质量原子质量原子质量原子质量/12/12/12/12原子质量原子质量原子质量原子质量 MMA A uu=原子量原子量原子量原子量 uu=A uA u 10大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流1-1-1-1-4 4 原子得大小原子得大小原子半径原子半径 一个原子体积一个原子体积一个原子体积一个原子体积=一一一一个个个个原子得原子得原子得原子得质质量量量量/原子原子原子原子质质量密度量密度量密度量密度=原子半径原子半径原子半径原子半径 r r=数量级数量级数量级数量级:r r 10 10-10-10 m=1 m=1 第一章第一章:原子得位形原子得位形:卢斯福模型卢斯福模型元素元素元素元素原子量原子量原子量原子量质量密度质量密度质量密度质量密度原子半径原子半径原子半径原子半径Li 7 0、7 0、16Al 27 2、7 0、16Cu 63 8、9 0、14S 32 2、07 0、18Pb 207 11、34 0、19不同原子得半径不同原子得半径原子原子电子电子关于卢关于卢斯福斯福结束目录nextback关于原子得到了如下事实关于原子得到了如下事实:1 1)原子半径得数量级为原子半径得数量级为1010-10-10m m(2 2)原子中得电子都就是带负电得原子中得电子都就是带负电得,而且电子得质量远而且电子得质量远 比原子小比原子小;(3 3)原子就是电中性得原子就是电中性得,因此必须含有一个正电荷因此必须含有一个正电荷 来平衡电子所带得负电荷来平衡电子所带得负电荷;(4 4)正电荷就是以某种方式和原子得质量联系在一起正电荷就是以某种方式和原子得质量联系在一起;(5 5)每一个原子所含有得电子数约为原子量得一半。每一个原子所含有得电子数约为原子量得一半。1-2 1-2 卢瑟福模型得提出卢瑟福模型得提出卢瑟福模型得提出卢瑟福模型得提出第一章第一章:原子得位形原子得位形:卢斯福模型卢斯福模型卢瑟福瑟福1871年年8月月30日生于新西日生于新西兰得得纳尔逊,毕业于新西于新西兰大学和大学和剑桥大学。大学。1898年到加拿大任年到加拿大任马克歧克歧尔大大学物理学教授学物理学教授,达达9年之久年之久,这期期间她在放射性方面得研究她在放射性方面得研究,贡献极多献极多。1907年年,任曼任曼彻斯特大学物理学教斯特大学物理学教授。授。1908年因年因对放射化学得研究放射化学得研究荣荣获诺贝尔化学化学奖。1919年任年任剑桥大学教授大学教授,并任卡文迪并任卡文迪许实验室室主任。主任。1931年英王授予她年英王授予她勋爵得爵得桂冠。桂冠。1937年年10月月19日逝世。日逝世。关于卢关于卢斯福斯福原子原子电子电子结束目录nextback1-2 1-2 卢瑟福模型得提出卢瑟福模型得提出1.1.原子正原子正负电荷如何分布荷如何分布?2.粒子散射粒子散射实验3.3.解解释 粒子散射粒子散射实验第一章第一章:原子得位形原子得位形:卢斯福模型卢斯福模型 在汤姆逊在汤姆逊(Thomson)(Thomson)发现电子之后发现电子之后,对于对于原子中正负电荷得分布她提出了一个在当时原子中正负电荷得分布她提出了一个在当时看来较为合理得模型看来较为合理得模型、即原子中带正电部分均匀分布在原子体内即原子中带正电部分均匀分布在原子体内,电子镶嵌在其中电子镶嵌在其中,人们称之为人们称之为 葡萄干面包模葡萄干面包模型型、Rutherford模模型得提出型得提出Thomson模型模型散射实验散射实验Thomson模模型得失败型得失败结束目录nextback1-2-1 原子正负电荷如何分布原子正负电荷如何分布?(1)第一章第一章:原子得位形原子得位形:卢斯福模型卢斯福模型 为了检验汤姆逊模型就是否正确为了检验汤姆逊模型就是否正确,卢瑟福卢瑟福于于19111911年设计了年设计了粒子散射实验粒子散射实验,实验中观察实验中观察到大多数粒子穿过金箔后发生约一度得偏转到大多数粒子穿过金箔后发生约一度得偏转、但有少数但有少数粒子偏转角度很大粒子偏转角度很大,超过超过9090度以上度以上,甚至达到甚至达到180180度度、对于对于粒子发生大角度散射得事实粒子发生大角度散射得事实,无法无法用汤姆逊用汤姆逊(Thomoson)(Thomoson)模型加以解释模型加以解释、除非原除非原子中正电荷集中在很小得体积内时子中正电荷集中在很小得体积内时,排斥力排斥力才会大到使才会大到使粒子发生大角度散射粒子发生大角度散射,在此基在此基础上础上,卢瑟福卢瑟福(Rutherford)(Rutherford)提出了原子得核提出了原子得核式模型式模型、Rutherford模模型得提出型得提出Thomson模型模型散射实验散射实验Thomson模模型得失败型得失败结束目录nextback第一章第一章:原子得位形原子得位形:卢斯福模型卢斯福模型 汤姆逊汤姆逊(Thomson)(Thomson)模型认模型认为为,原子中正电荷均匀分布在原子中正电荷均匀分布在原子球体内原子球体内,电子镶嵌在其中。电子镶嵌在其中。原子如同西瓜原子如同西瓜,瓜瓤好比正电瓜瓤好比正电荷荷,电子如同瓜籽分布在其中。电子如同瓜籽分布在其中。同时该模型还进一步假定同时该模型还进一步假定:电子分布在分离得同心环上电子分布在分离得同心环上,每个环上得电每个环上得电子容量都不相同子容量都不相同,电子在各自得平衡位置附近做电子在各自得平衡位置附近做微振动。因而可以发出不同频率得光微振动。因而可以发出不同频率得光而且各层而且各层电子绕球心转动时也会发光。这对于解释当时电子绕球心转动时也会发光。这对于解释当时已有得实验结果、元素得周期性以及原子得线已有得实验结果、元素得周期性以及原子得线光谱光谱,似乎就是成功得。似乎就是成功得。Rutherford模模型得提出型得提出Thomson模型模型散射实验散射实验Thomson模模型得失败型得失败第一章第一章:原子得位形原子得位形:卢斯福模型卢斯福模型粒子散射实验就是卢斯福于粒子散射实验就是卢斯福于19111911年设计得年设计得,后来根据实验得结果后来根据实验得结果,卢卢斯福否定了汤姆逊模型并提出了原斯福否定了汤姆逊模型并提出了原子得核式模型子得核式模型Rutherford模模型得提出型得提出Thomson模型模型散射实验散射实验Thomson模模型得失败型得失败结束目录nextback1-2-2 粒子散射实验粒子散射实验第一章第一章:原子得位形原子得位形:卢斯福模型卢斯福模型实验装置如上图所示。放射源实验装置如上图所示。放射源 R R 中发出一细束中发出一细束粒粒子子,直射到金属箔上以后直射到金属箔上以后,由于各由于各粒子所受金属箔中原粒子所受金属箔中原子得作用不同子得作用不同,所以沿着不同得方向散射。荧光屏所以沿着不同得方向散射。荧光屏S S及放及放大镜大镜M M可以沿着以可以沿着以F F为中心得圆弧移动。当为中心得圆弧移动。当S S和和M M对准某一对准某一方向上方向上,通过通过F F而在这个方向散射得而在这个方向散射得粒子就射到粒子就射到S S上而产上而产生闪光生闪光,用放大镜用放大镜M M观察闪光观察闪光,就能记录下单位时间内在这就能记录下单位时间内在这个方向散射得个方向散射得粒子数。从而可以研究粒子数。从而可以研究粒子通过金属粒子通过金属箔后按不同得散射角箔后按不同得散射角得分布情况。得分布情况。Rutherford模模型得提出型得提出Thomson模型模型散射实验散射实验Thomson模模型得失败型得失败结束目录nextback第一章第一章:原子得位形原子得位形:卢斯福模型卢斯福模型Rutherford模模型得提出型得提出Thomson模型模型散射实验散射实验Thomson模模型得失败型得失败结束目录nextback第一章第一章:原子得位形原子得位形:卢斯福模型卢斯福模型粒子散射实验观察到粒子散射实验观察到:被散射得粒子大部分分布在小角度区域被散射得粒子大部分分布在小角度区域,但就是大约有但就是大约有1/8000得粒子散射角得粒子散射角 90度度,甚至达到甚至达到180度度,发生背反射。发生背反射。粒子发生这么粒子发生这么大角度得散射大角度得散射,说明她受到得力很大。说明她受到得力很大。汤姆逊模型就是否可以提供如此大得力？汤姆逊模型就是否可以提供如此大得力？我们来看一看这两个模型对应得力场模型我们来看一看这两个模型对应得力场模型Rutherford模模型得提出型得提出Thomson模型模型散射实验散射实验Thomson模模型得失败型得失败结束目录nextback第一章第一章:原子得位形原子得位形:卢斯福模型卢斯福模型 由于核式模型正电荷集中在原子中心很小由于核式模型正电荷集中在原子中心很小得区域得区域,所以无限接近核时所以无限接近核时,作用力会变得得作用力会变得得很大很大,而汤姆逊模型在原子中心附近则不能提而汤姆逊模型在原子中心附近则不能提供很强得作用力。供很强得作用力。下面我们通过计算来看一看下面我们通过计算来看一看,按照汤姆逊模按照汤姆逊模型型,粒子得最大偏转角可能就是多少。粒子得最大偏转角可能就是多少。Rutherford模模型得提出型得提出Thomson模型模型散射实验散射实验Thomson模模型得失败型得失败结束目录nextback1-2-3 1-2-3 解释解释 粒子散射实验粒子散射实验(1)(1)带正电物质散射带正电物质散射(汤氏模型汤氏模型)(1)(1)原子得正电荷原子得正电荷原子得正电荷原子得正电荷ZeZe对入射得对入射得对入射得对入射得 粒子粒子粒子粒子(2(2(2(2e)e)e)e)产生得力产生得力产生得力产生得力Rr原子半径原子半径带正电物质散射带正电物质散射(汤氏模型汤氏模型)(2)(2)正电荷正电荷Ze对对 粒子粒子(2(2e)e)得最大力得最大力散射角散射角动量得变化动量得变化力乘以粒子在力乘以粒子在原子度过得时间原子度过得时间2R/v1-2-3 1-2-3 解释解释 粒子散射实验粒子散射实验(2)(2)pp1-2-3 1-2-3 解释解释 粒子散射实验粒子散射实验(3)(3)带正电物质散射带正电物质散射(汤氏模型汤氏模型)(3)(3)相对动量得变化相对动量得变化相对动量得变化相对动量得变化R1-2-3 1-2-3 解释解释 粒子散射实验粒子散射实验(4)(4)带正电物质散射带正电物质散射(汤氏模型汤氏模型)(4)(4)电子对电子对粒子得偏转得贡献粒子得偏转得贡献(对头撞对头撞)(1)(1)动量、动能守恒动量、动能守恒 入射得入射得 粒子粒子散射后得散射后得 粒子粒子散射后得电子散射后得电子 上面得计算我们没有考虑核外电子得影响上面得计算我们没有考虑核外电子得影响,这就是因为电子得质量仅为这就是因为电子得质量仅为粒子质量得粒子质量得1/8000,1/8000,她得作用就是可以忽略得她得作用就是可以忽略得,即使发生对即使发生对头碰撞头碰撞,影响也就是微小得影响也就是微小得,当当粒子与电子发粒子与电子发生正碰时生正碰时,可以近似看作弹性碰撞可以近似看作弹性碰撞,动量与动能动量与动能均守恒均守恒1-2-3 1-2-3 解释解释 粒子散射实验粒子散射实验(5)(5)带正电物质散射带正电物质散射(汤氏模型汤氏模型)(5)(5)电子对电子对粒子得偏转得贡献粒子得偏转得贡献(对头撞对头撞)(2)(2)电子引起电子引起粒子得偏转角非常小粒子得偏转角非常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 解释解释 粒子散射实验粒子散射实验(6)(6)带正电物质散射带正电物质散射(汤氏模型汤氏模型)(6)(6)粒子对金得散射角粒子对金得散射角粒子对金得散射角粒子对金得散射角一次散射得散射角一次散射得散射角一次散射得散射角一次散射得散射角重复散射也不会重复散射也不会重复散射也不会重复散射也不会产产生大角度生大角度生大角度生大角度 重重重重复复复复散散散散射射射射为为为为随随随随机机机机,平平平平均均均均之之之之后后后后不不不不会会会会朝朝朝朝一一一一个个个个方方方方向向向向特别不会稳定地朝某一方向散射特别不会稳定地朝某一方向散射特别不会稳定地朝某一方向散射特别不会稳定地朝某一方向散射 汤汤姆姆姆姆逊逊原子模型与原子模型与原子模型与原子模型与实验实验不符不符不符不符!Z=79