原子物理学(原子的位型卢瑟福原子模型).ppt

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1、原 子 物 理 学,第一章 原子的位型:卢瑟福原子模型 第二章 原子的量子态:玻尔模型 第三章 原子的精细结构:电子自旋 第四章 多电子原子:泡利原理第五章 X射线第六章 原子核物理概论,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,汤姆逊阴极射线实验实验装置阴极射线(C)狭缝(A,B)金属板(D,E)荧光屏D,E加电场 射线P1 P2 阴极射线带负电再加磁场 射线P2 P1 Hev=Ee v=E/H去掉电场 射线半径r mv2

2、/r=Hev e/m=v/Hr,1-1-1 电子的发现,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,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

3、-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,1-2-1 原子正负电荷如何分布?(1),汤姆逊原子模型 正电荷均匀分布在整个原子球体内，电子镶嵌在其中（同心球壳上）。卢瑟福的核型结构模型原子是由带正电的原子核和核外作轨道运动的电子组成,1-2-2 粒子散射实验(1),实验装置,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！,1-2-3 解释 粒子散

4、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,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

5、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=79,1-3 卢瑟福散射公式,库仑散射公式的推导 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

6、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,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

7、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),1-3-2 卢瑟福公式的推导(6),微分截面的物理意义对于单位面积内每个靶原子核,单位入射粒子,单位立体角内的散射粒子数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):微分截面的单位:b/sr,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),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),1-4-2 原子核大小的估计(2),求解,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),