原子的基本狀況第1頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月整個宇宙各層次的尺寸

1026│宇宙(單位m)1020│銀河系1012│日地距離106│地球半徑100│人10-3│塵埃10-6│可見光波長10-10│原子10-15│原子核10-18│電子第2頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二、原子物理學(xué)發(fā)展簡史1、19世紀，建立了原子學(xué)說物質(zhì)的原子學(xué)說：所有的化學(xué)元素都由原子組成熱的原子學(xué)說：利用原子的運動解釋熱力學(xué)定律電的原子學(xué)說：自然界存在帶電的原子

實驗總結(jié)，認識到原子是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個層次

重大發(fā)現(xiàn)有：

2、19世紀末—20世紀初，建立了嚴格的原子物理理論—量子力學(xué)。第3頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1869，周期表發(fā)現(xiàn)，門捷列夫1885，氫原子光譜規(guī)律發(fā)現(xiàn)，巴耳末1895，X射線發(fā)現(xiàn)，倫琴1896，放射線發(fā)現(xiàn)，貝克勒耳1897，電子發(fā)現(xiàn)，湯姆遜1900，能量子概念建立，普朗克1911，原子核式結(jié)構(gòu)建立，盧瑟福1913，玻爾量子理論建立，玻爾1925前后，量子力學(xué)建立，近代物理的序幕原子物理的新篇章對原子這一層次的認識，從實驗到理論獲得比較完全的認識。3、20世紀初至現(xiàn)在，對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認識不斷地深入，原子---原子核---基本粒子---夸克…,第4頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月三、原子物理學(xué)的重要性2、與原子碰撞的研究相應(yīng)，發(fā)展了電子束、離子束、粒子加速器、同步輻射加速器、各種能譜儀，以及電子、離子探測器、光電探測器和微弱信號檢測方法，還廣泛地應(yīng)用了核物理技術(shù)和光譜技術(shù)。1、原子物理學(xué)的發(fā)展對激光技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，作出過很大的貢獻。激光出現(xiàn)以后，用激光技術(shù)來研究原了物理學(xué)問題，實驗精度有了很大提高，因此又發(fā)現(xiàn)了很多新現(xiàn)象和新問題。射頻和微波波譜學(xué)新實驗方法的建立，也成為研究原子光譜線的精細結(jié)構(gòu)的有力工具。因此，在20世紀50年代末以后，原子物理學(xué)的研究又重新被重視起來，成為很活躍的領(lǐng)域。第5頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3、原子物理學(xué)是物理專業(yè)骨干課程之一。(11門骨干課程：力、熱、電、光、原、四大力學(xué)，固體物理、數(shù)理方法)，是學(xué)習(xí)近代物理的一門主要課程。（近代物理包括：原子物理、固體物理、量子力學(xué)與相對論等)。第6頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月參考書：《原子物理學(xué)》，褚圣麟編，《量子物理學(xué)》，史斌星編，《原子核物理學(xué)》，吳知非編?！对游锢韺W(xué)習(xí)題解答》，池賢興編作業(yè)要求第7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章原子的基本狀況1.1原子的質(zhì)量和大小一.原子的質(zhì)量1．原子質(zhì)量單位和原子量各種原子的質(zhì)量各不相同而且非常小10-26kg，常用它們的質(zhì)量同碳12原子質(zhì)量的1/12進行比較，所得的數(shù)值，就是該種原子的相對原子質(zhì)量。

原子質(zhì)量單位：原子量：原子包含1個原子質(zhì)量單位(1u)數(shù)

H：1.0079C：12.011O：15.999Cu：63.54第8頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2．原子質(zhì)量(絕對值)元素X

的原子質(zhì)量為：

A：一摩爾原子以克為單位的質(zhì)量數(shù)（原子量）。No：表示阿佛加德羅常數(shù)，No=6.022×1023/mol

對氫原子：MH=1.67367×10-27kg3、阿佛加德羅常數(shù)NoNo是聯(lián)系微觀物理量與宏觀物理量的紐帶。例：Nok=R普適氣體常數(shù)R，k：玻爾茲曼常數(shù)微觀物理量通過No這個大常數(shù)與宏觀物理量聯(lián)系，告訴我們原子和分子實際上是多么的小。1摩爾原子的物質(zhì)中，不論哪種元素，含有同一數(shù)量的原子，這個數(shù)稱為阿伏伽德羅常數(shù)。第9頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二.原子的大小量級（量級概念）1、將原子看作是球體,1摩爾原子占體積為如果物質(zhì)的密度為，A為原子量，則1摩爾原子占有體積例如Li原子A=7，=0.7，rLi=0.16nm；

Pb原子A=207，=11.34，rPb=0.19nm；原子的半徑都約為10-10m即?的量級。

第10頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2、氣體分子動理論估算原子大小平衡態(tài)理想氣體，分子看作半徑為r的剛球，“跟蹤”一個分子A，設(shè)A以平均相對速率相對其它分子運動，其它分子靜止。dnA碰撞截面平均碰撞頻率：一個分子單位時間內(nèi)所受碰撞的平均次數(shù)第11頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月平均相對速率和平均速率的關(guān)系為λ和N可由實驗求得，對單原子分子來說，r就是原子的半徑！氣體分子在連續(xù)兩次碰撞間所可能經(jīng)過的各段自由路程的平均值:原子的半徑都約為10-10m即?的量級。

第12頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月三.關(guān)于電子1．電子的發(fā)現(xiàn)1874年Stoney提出電荷的最小單位1881年Stoney命名電量子為電子1899年Thomson測量和1897年J.J.Thomson證實陰極射線由負電微粒組成通過磁場中的偏轉(zhuǎn)測電子的發(fā)現(xiàn)1833年1mol一價離子所帶電量為常數(shù)（法拉第常數(shù)）Faraday電解定律：析出物質(zhì)量正比于電解液電量Millikan油滴實驗精確測定1909年第13頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月J.J.Thomson(1856-1940)inrecognitionofthegreatmeritsofhistheoreticalandexperimentalinvestigationsontheconductionofelectricitybygases

TheNobelPrizeinPhysics1906TheNobelPrizeinPhysics1923forhisworkontheelementarychargeofelectricityandonthephotoelectriceffectR.Millikan(1868-1953)第14頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

1897年湯姆遜從如右圖放電管中的陰極射線發(fā)現(xiàn)了帶負電的電子,并測得了e/m比。

B_+E2．電子的電量和質(zhì)量（1）加電場：陰極射線帶負電（2）再加磁場：（3）去電場：射線成一圓形軌跡可求電子的荷質(zhì)比e/m第15頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月e=1.602×10－19（c）me=9.109×10－31kg3．電子的大小從電子的靜電固有能估計電子的經(jīng)典半徑：密立根(R.A.Millikan)在著名的“液滴實驗”中對氫原子：MH=1.67367×10-27kg第16頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月電子發(fā)現(xiàn)后，從很多實驗證明電子是原子的組成部分。

電子帶負電而原子又是中性的，很顯然，原子中一定有帶正電的部分，而且電荷和電子總電荷相等。而且電子質(zhì)量很小，原子質(zhì)量幾乎全由正電部分承擔.

那么原子中的正、負電荷的結(jié)構(gòu)是什么樣的呢?第17頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1903年英國科學(xué)家湯姆遜提出“葡萄干蛋糕”式原子模型或稱為“布丁”模型。1.2粒子的散射實驗和原子的核模型一.湯姆遜原子模型湯姆遜提出了一個原子模型，他認為原子中的正電荷分布在整個原子空間，電子則嵌在布滿正電荷的球內(nèi)，由于電子間的相互作用，電子均勻分布在正電荷球內(nèi)。電子能在它們的平衡位置上作簡諧振動。第18頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月為研究原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和電荷分布，人們很自然的想利用高速粒子去轟擊原子，根據(jù)入射粒子的散射情況來了解原子內(nèi)部的情形。二.粒子散射實驗1896年，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性現(xiàn)象，一種帶正電的射線叫射線。盧瑟福對射線作了系統(tǒng)的研究，確認射線實際上是高速運動的He++離子（1908，他還發(fā)現(xiàn)了用粒子打在熒光屏上，通過對發(fā)光次數(shù)的計數(shù)來確定粒子的數(shù)目。散射：粒子流射入物體，與物體中的粒子相互作用，沿各個方向射出的現(xiàn)象。第19頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

盧瑟福1871年8月30日生于新西蘭的納爾遜，畢業(yè)于新西蘭大學(xué)和劍橋大學(xué)。

1898年到加拿大任馬克歧爾大學(xué)物理學(xué)教授，達9年之久，這期間他在放射性方面的研究，貢獻極多。

1907年，任曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)教授。1908年因?qū)Ψ派浠瘜W(xué)的研究榮獲諾貝爾化學(xué)獎。

1919年任劍橋大學(xué)教授，并任卡文迪許實驗室主任。1931年英王授予他勛爵的桂冠。1937年10月19日逝世。第20頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(a)側(cè)視圖(b)俯視圖R:放射源F:散射箔S:閃爍屏B:圓形金屬匣A:帶刻度圓盤C:光滑套軸T:抽空B的管M:顯微鏡

實驗裝置和模擬實驗1、實驗裝置及結(jié)果第21頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)果：。絕大多數(shù)散射角小于2度；約1/8000散射角大于90度，有的幾乎達180度。

大角散射是值得注意的現(xiàn)象。第22頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月湯姆遜提出原子的布丁(pudding)模型,認為正電荷均勻分布在半徑為R的原子球體內(nèi),電子像布丁鑲嵌在其中。由于原子的正負電荷相等而且呈球?qū)ΨQ分布，原子對α粒子沒有作用力?？紤]到α粒子的質(zhì)量比電子大得多是電子的7300倍。電子的作用幾乎可以忽略。2、湯姆遜原子模型解釋大角散射的困難第23頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)在只考慮原子的正電部分對α粒子的作用。設(shè)原子半徑為R，正電荷Ze均勻地分布在球體中如圖所示：第24頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月因此最大的散射是發(fā)生在α從原子邊緣經(jīng)過時。也就是說α離球心越近，所受的力越小。根據(jù)電磁學(xué)知識我們知道：當α粒子處在原子外時，所受庫侖力為：當?shù)竭_球面時為：當α進入原子內(nèi)部時，所受的庫侖力為：第25頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月FvmP+Ze按照布丁模型，原子只對掠過邊界（R）的α粒子有較大的偏轉(zhuǎn)。EK=5.0MeV，Z(金)=79，θ

max<10-3弧度≈0.057o。布丁模型下，單次碰撞不可能引起大角散射！第26頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月多次散射呢？

多次散射引起的偏轉(zhuǎn)角仍很小，在1度左右。

要發(fā)生大于90o的散射，需要與原子核多次碰撞，其幾率為10-2000!遠小于實驗測得的大角度散射幾率1/8000?！岸斘易龀鲇嬎銜r看到，除非采取一個原子的大部分質(zhì)量集中在一個微小的核內(nèi)的系統(tǒng)，否則是無法得到這種數(shù)量級的任何結(jié)果的，這就是我后來提出的原子具有體積很小而質(zhì)量很大的核心的想法。”……盧瑟福第27頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月三、盧瑟福的原子模型及盧瑟福散射公式1、盧瑟福的原子核式模型1911年提出：原子由帶正電荷并幾乎占有全部質(zhì)量的微小中心核以及繞核運行的電子所組成。定性解釋：由于原子核很小，絕大部分粒子并不能瞄準原子核入射，而只是從原子核周圍穿過，所以原子核的作用力仍然不大，因此偏轉(zhuǎn)也很小，也有少數(shù)粒子有可能從原子核附近通過，這時，r較小，受的作用力較大，就會有較大的偏轉(zhuǎn)，而極少數(shù)正對原子核入射的粒子，由于r很小，受的作用力很大，就有可能反彈回來。所以盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型能定性地解釋α粒子散射實驗。第28頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月第29頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2、盧瑟福散射公式假定：單次散射；僅考慮粒子-核庫侖排斥；靶核不動（1）單個α粒子被單個核散射情形α粒子從無窮遠以瞄準距離b射向原子核;在核庫侖力作用下,偏離入射方向飛向無窮遠,出射與入射方向夾角θ稱散射角(注意斜射情況)

。這個過程稱庫侖散射。見周衍柏《理論力學(xué)教程》85頁……庫侖散射公式。散射角θ與瞄準距b有關(guān)。第30頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月問題：b不能直接測量，實驗可測散射到θ-θ+dθ的粒子數(shù)。那些瞄準距在b-b+db間，或者說，凡通過dσ環(huán)形面積的α粒子，散射后必定射向θ-θ+dθ對應(yīng)的空心錐殼。α粒子射到θ-θ+dθ角度的幾率正比于環(huán)形面積。dσ對于有限角度對應(yīng)的散射截面，就應(yīng)積分了！！第31頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月一個錐面所圍成的空間部分稱為“立體角”。

立體角是以錐的頂點為心，半徑為1的球面被錐面所截得的面積來度量的，度量單位稱為“立體弧度”。第32頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

…………盧瑟福散射公式

d：稱為原子核的有效散射截面。具有面積量綱。（2）1個α粒子被靶(多原子核)散射到θ-θ+dθ的總截面設(shè)N為靶的單位體積原子數(shù)，靶厚t，靶被打中的面積A。假設(shè)靶原子對射來的α粒子前后互不遮蔽（對薄的金屬箔成立）。則與一給定立體角dΩ相應(yīng)的總散射截面：第33頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）n個α粒子中被靶散射到θ-θ+dθ的粒子數(shù)dnd：代表了一個α粒子被一個核散射到θ-θ+dθ之間那么一個立體角dΩ內(nèi)的幾率，故有效散射截面也稱做幾率。

……d的物理意義.課后第4題第34頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3、盧瑟福散射公式的實驗驗證1）同一粒子源，同一個靶3）同一個靶，同一個散射角4）用同一個粒子源，在同一個散射角，對同一Nt值2）同一粒子源，同一種材料的靶，同一散射角第35頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1）--3）1913年蓋革－馬斯頓實驗；4）1920年查德維克實驗45o-150o大角散射適用第36頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4、受電子的影響可以忽略動量守恒：能量守恒：整理得：第37頁