原子物理学 第一章.ppt
第一章 原子的位型:卢瑟福原子模型,1-1 背景知识1-2 卢瑟福模型的提出1-3 卢瑟福散射公式 1-4 卢瑟福公式的实验验证1-5 行星模型的意义及困难,1-1 背景知识,电子的发现电子的电荷和质量原子的大小,法拉第电解定律：第一定律：在电极上析出（或溶解）的物质的质量 m 同通过电解液的总电量 Q（即电流强度 I与通电时间 t的乘积）成正比，即 m=K Q=K It,其中比例系数 K的值同所析出（或溶解）的物质有关,叫做该物质的电化学当量（简称电化当量）。电化当量等于通过1库仑电量时析出（或溶解）物质的质量。第二定律：当通过各电解液的总电量 Q相同时，在电极上析出（或溶解）的物质的质量 m同各物质的化学当量 C（即原子量 A与原子价 Z之比值）成正比。以此定律可知1mol任何原子的单价离子有相同电量，即法拉第常量F。斯通尼1874年推论由此可知存在电荷最小单元，并于1881年提出“电子”概念作为这一单元名字、,1-1 电子的发现,汤姆逊阴极射线实验阴极射线(C)狭缝(A,B)金属板(D,E)荧光屏D,E加电场 射线P1 P2 阴极射线带负电磁场 射线P2 P1 Hev=Ee v=E/H去掉电场 射线半径r mv2/r=Hev e/m=v/Hr 得到电子荷质比，远大于氢离子荷质比。,汤姆逊被誉为“以为最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”，敢于做出结论“”有比原子小得多的微粒存在“1890年休斯脱计算出阴极射线荷质比，不自信和固步自封阻碍了他。1897年，德国考夫曼测得荷质比远比汤姆逊精确，但缺乏自信和挑战的勇气。大胆假设，小心求证 相信自己，敢于挑战！,1-1-2 电子的电荷和质量(1),密立根油滴实验,1-1-2 电子的电荷和质量(1),密立根油滴实验(1)测得电子电量为：e=1.610-19 C(库仑)电子质量 me=9.110-31 kg 密立根首次发现了电荷的量子化 电荷只能是 e 的整数倍若知H+(质子）的荷质比(法拉第电解定律),1-1-2 电子的电荷和质量(2),密立根油滴实验(2)原子呈中性，原子中具有带负电的电子，必定有带正电的物质(对于氢原子，这 种带正电荷的物质称为质子)原子=正电物质+负电物质+不带电物质,1-1-2 电子的电荷和质量(3),原子质量单位 u 1u 1个12C 原子质量/12原子质量 MA u=原子量 u=A u,1-1-3 原子的大小,原子半径 一个原子体积=一个原子的质量/原子质量密度=原子半径 r=数量级：r 10-10 m=1,1-2 卢瑟福模型的提出,原子正负电荷如何分布?粒子散射实验解释 粒子散射实验,1903年英国科学家汤姆逊提出“葡萄干蛋糕”式原子模型或称为“西瓜”模型。,一、汤姆逊原子模型,汤姆逊原子模型的成功之处,1、提出了电子分布的同心圆模型2、提出了同心圆上电子有限分布思想,另外的观点:,1903年，林纳阴极射线被物质吸收实验1904年，长冈半太郎提出原子土星模型,诺贝尔奖得主的幼儿园,卢瑟福一生至少培养了10位诺贝尔奖得主,尼尔斯.玻尔，1922年诺贝尔物理奖保罗.狄拉克，1933年诺贝尔物理奖詹姆斯.查德威克,1935年诺贝尔物理奖布莱克特,1948年的诺贝尔物理奖 沃尔顿和考克劳夫特,1951诺贝尔物理奖索迪，1921年诺贝尔化学奖。赫维西，1943年诺贝尔化学奖。哈恩，1944年诺贝尔化学奖。鲍威尔，1950年诺贝尔物理奖。贝特，1967年诺贝尔物理奖。卡皮查，1978年诺贝尔化学奖。,Ernest Rutherford 1908年诺贝尔化学奖,二、粒子散射实验,检验汤姆逊模型的正确性,目的,原理,带电粒子射向原子,探测出射粒子的角分布。,(a)侧视图,(b)俯视图,R:放射源 F:散射箔S:闪烁屏 B:圆形金属匣A:带刻度圆盘 C:光滑套轴T:抽空B的管 M:显微镜,实验装置和模拟实验,1-2-2 粒子散射实验(2),实验结果：绝大多数 粒子散射角：2-31/8000的 粒子散射角：90 奇怪相当于炮弹被一张纸反弹回来一样！,用卢瑟福自己的话说:,“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，而当我做出计算时看到，除非采取一个原子的大部分质量集中在一个微小的核内的系统，是无法得到这种数量级的任何结果的，这就是我后来提出的原子具有体积很小而质量很大的核心的想法。”,1-2-3 解释 粒子散射实验(1),带正电物质散射（汤氏模型）(1)原子的正电荷Ze对入射的 粒子(2e)产生的力,R,r,原子半径,两种模型的实验结果的定性比较,结论：接近原子边缘入射粒子方向改变明显,带正电物质散射（汤氏模型）(2)正电荷Ze对粒子(2e)的最大力散射角动量的变化力乘以粒子在原子度过的时间2R/v,1-2-3 解释 粒子散射实验(2),1-2-3 解释 粒子散射实验(3),带正电物质散射（汤氏模型）(3)相对动量的变化,R,1-2-3 解释 粒子散射实验(4),带正电物质散射（汤氏模型）(4)电子对粒子的偏转的贡献（对头撞）(1)动量、动能守恒,入射的粒子,散射后的粒子,散射后的电子,1-2-3 解释 粒子散射实验(5),带正电物质散射（汤氏模型）(5)电子对粒子的偏转的贡献（对头撞）(2),电子引起粒子的偏转角非常小可以说几乎没有什么贡献,1-2-3 解释 粒子散射实验(6),带正电物质散射（汤氏模型）(6)粒子对金的散射角一次散射的散射角重复散射也不会产生大角度 重复散射为随机,平均之后不会朝一个方向特别不会稳定地朝某一方向散射 汤姆逊原子模型与实验不符!,Z=79,T模型与R模型的粒子散射结果,1-3 卢瑟福散射公式,库仑散射公式的推导 2.卢瑟福公式的推导,1-3-1 库仑散射公式的推导(1),远离靶核的入射能量E,电荷Z1e的带电粒子与电荷Z2e的靶核散射,瞄准距离碰撞参数,散射角,1-3-1 库仑散射公式的推导(2),库仑散射公式,库仑散射因子,1-3-1 库仑散射公式的推导(3),假定：单次散射点电荷，库仑相互作用核外电子的作用可略靶原子核静止（靶核重，晶体结构牢固）,1-3-1 库仑散射公式的推导(4),推导库仑散射公式,中心力角动量守恒,1-3-1 库仑散射公式的推导(5),1-3-1 库仑散射公式的推导(6),1-3-1 库仑散射公式的推导(7),b;b;b,注意:上式成立假设是核静止,（靶核质量远大于入射粒子质量）,可见：同样的入射粒子，碰撞参数越小，散射角越大同样的入射碰撞参数，入射粒子能量越大（动 能），散射角越小。,为什么？,若考虑核的反冲运动（靶核质量和入射粒子质量相差不大）,则,折合质量,质心系能量,实验室系能量,1-3-2 卢瑟福公式的推导(1),粒子:b b+db-d 粒子:bb+db 圆环面积-d空心圆锥体,粒子打在环上的几率?,1-3-2 卢瑟福公式的推导(2),靶(薄箔)厚t,面积A，数密度n，质量密度，靶核间不互相遮蔽环面积粒子打在环上的几率,1-3-2 卢瑟福公式的推导(3),空心圆锥体的立体角 d,1-3-2 卢瑟福公式的推导(4),薄箔内有许多环:核 环;薄箔体积:At;薄箔环数:Atn,粒子打在Atn环上,散射角 相同一个粒子打在薄箔 上被散射到-d 的几率,1-3-2 卢瑟福公式的推导(5),N个粒子打在薄箔上测量到-d 的粒子数微分截面(卢瑟福公式),微分截面,若原子核不是静止的,则将上式中 换为质心系量,1-3-2 卢瑟福公式的推导(6),微分截面的物理意义(又称为散射几率。)代表 粒子被单位面积内每个原子核散射到+d之间那么一个立体角d内的几率的大小，称为原子核的有效散射截面，又称为散射几率。对于单位面积内每个靶原子核,单位入射粒子散射到某方向单位立体角内的散射粒子数（几率）微分截面有面积的量纲,表示粒子散射到 方向单位立体角内每个原子的有效散射截面微分截面的单位:(m2/sr)(米2/球面度)截面的单位:靶恩(靶,b):微分散射截面的单位:b/sr,单位面积内每一靶核对单位入射粒子、散射到某方向单位立体角内的散射离子数（概率）,入射到某一薄箔上入射粒子被散射到某一方向范围内（即某立体角范围内）的概率,L系（实验室坐标系）,对实际转换到实验室系,则公式为,1-4 卢瑟福公式的实验验证,盖革 马斯顿实验 原子核大小的估计,1-4-1 盖革 马斯顿实验(1),同一(粒子源,散射体)同一(粒子源,材料的散射体,散射角)同一(散射体,散射角)同一(粒子源,散射角,nt),(a)侧视图,(b)俯视图,实验装置和模拟实验,1-4-1 盖革 马斯顿实验(2),盖革 马斯顿实验证实了上述规律,1-4-2 原子核大小的估计(1),碰撞时原子核也要运动，当相对质心系动能全部转化为库伦势能时距离即为核半径。,1-5 行星模型的意义及困难,意义：确定了原子的核式结构，原子内部十分稀疏 提出了一种研究方法 黑箱方法不足:原子稳定性(加速运动辐射)原子同一性(原子与太阳系,初始条件)原子再生性(原子与太阳系，相互作用后复原),
