1+原子物理+原子的位形+卢瑟福模型

null第一章：原子的位形：卢瑟福模型第一章：原子的位形：卢瑟福模型第一节 背景知识第二节 卢瑟福模型的提出第三节 卢瑟福散射公式第四节 卢瑟福公式的实验验证第五节 行星模型的意义及困难原子物理学null第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢瑟福模型“原子”一词来自希腊文，意思是“不可分割的”。在公元前4世纪，古希腊哲学家德漠克利特(Democritus)提出这一概念，并把它看作物质的最小单元。定比定律：倍比定律：元素按一定的物质比相互化合。若两种元素能生成几种化合物，则在这些化合物中，与一定质量的甲元素化合的乙元素的质量，互成简单整数比。 在十九世纪，人们在大量的实验中认识了一些定律，如：null 在此基础上，1893年道尔顿提出了他的原子学说，他认为:1.一定质量的某种元素，由极大数目的该元 素的原子所构成；2.每种元素的原子，都具有相同的质量，不 同元素的原子，质量也不相同； 3.两种可以化合的元素，它们的原子可能按 几种不同的比率化合成几种化合物的分子。 第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢瑟福模型null第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢瑟福模型 根据道尔顿的原子学说，我们可以对简单的无机化学中的化合物的生成给予定量的解释，反过来，许多实验也证实了原子学说；并且人们发现气态物质参与的化学反应时的元素的重量与体积也遵循上述规律。 盖·吕萨克定律告诉我们，在每一种生成或分解的气体中，组分和化合物气体的体积彼此之间具有简单的整数比，与前述规律进行对比，我们可以得到这样的结论： 气体的体积与其中所含的粒子数目有关。阿伏伽德罗定律告诉我们，温同压下，相同体积的不同气体含有相等数目的分子。null第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢瑟福模型 当原子学说逐渐被人们接受以后，人们又面临着新的问题：原子有多大？原子的内部有什么？原子是最小的粒子吗？.... 在学习这门课的时候；一部分问题的谜底会逐渐揭开，现在我们来粗略地估计一下原子的大小。null第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢瑟福模型假设某固体元素的原子是球状的，半径为r米，原子之间是紧密地堆积在一起的。若该元素的原子量为A，那么1mol该原子的质量为A，若这种原子的质量密度为 ,那么A克原子的总体积为 ，一个原子占的有体积为 ，即 所以原子的半径 ，依此可以算出不同原子的半径，如下 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 所示： null第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢瑟福模型Li 7 0.7 1.6Al 27 2.7 1.6Cu 63 8.9 1.4S 32 2.07 1.8Pb 207 11.34 1.9不同原子的半径null第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢瑟福模型 电子的发现并不是偶然的，在此之前已有丰富的积累。 1811年，阿伏伽德罗（A.Avogadno）定律问世，提出1mol任何原子的数目都是个定值。 1833年，法拉第（M.Faraday）提出电解定律，1mol任何原子的单价离子永远带有相同的电量-即法拉第常数。NA=6.0221367×1023 mol-1null第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢瑟福模型 1874年，斯迪尼（G.T.Stoney）综合上述两个定律，指出原子所带电荷为一个电荷的整数倍，这个电荷是斯迪尼提出，用“电子”来命名这个电荷的最小单位。但实际上确认电子的存在，却是20多年后汤姆逊的工作. 1897年，汤姆逊（J.J.Thomson）发现电子：通过阴极射线管中电子荷质比的测量，汤姆逊（J.J.Thomson）预言了电子的存在。null阴极射线管null 1897年汤姆逊从如 右图放电管中的阴极射 线发现了带负电的电子, 并测得了e/m比。1910年 密立根用油滴做实验发 现了电子的电量值为 e =1.602×10－19（c） 从而电子质量是 me=9.109×10－31kg=0.511MeV/c2 =5.487×10－4u 原子是由电子和原子核组成的,这是卢瑟福在1911年提出的原子模型。 第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢瑟福模型null由束点从P2回到P1，得到Bev=Ee 则 v=E/B 再去掉电场，由于磁场的作用，使射线构成圆形轨迹，得到 mv2/r=Bev 则 e/m=v/Br=E/B2r汤姆逊被誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人” 他勇敢地作出了“有比原子小得多的微粒存在”的正确结论。 赫兹没发现偏转，认为阴极射线是不带电的。 休斯脱认为阴极射线粒子的大小与原子一样， 而电荷却较氢离子大。 1897年德国考夫曼也测量了e/m的值和进行了 相同的实验，但是没有勇气发表这些结果，其于 1901年才发表这些结果。null第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢瑟福模型 卢瑟福1871年8月30日生于新西兰的纳尔逊，毕业于新西兰大学和剑桥大学。 null第二节：卢瑟福模型的提出第一章：原子的位形：卢瑟福模型 在汤姆逊(Thomson)发现电子之后,对于原子中正负电荷的分布他提出了一个在当时看来较为合理的模型. 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，人们称之为"葡萄干面包模型".null第二节：卢瑟福福模型的提出第一章：原子的位形：卢瑟福模型 汤姆逊(Thomson)模型认为,原子中正电荷均匀分布在原子球体内，电子镶嵌在其中。原子如同西瓜，瓜瓤好比正电荷，电子如同瓜籽分布在其中。 同时该模型还进一步假定，电子分布在分离的同心环上，每个环上的电子容量都不相同，电子在各自的平衡位置附近做微振动。因而可以发出不同频率的光，而且各层电子绕球心转动时也会发光。这对于解释当时已有的实验结果、元素的周期性以及原子的线光谱，似乎是成功的。null第二节：卢瑟福模型的提出第一章：原子的位形：卢瑟福模型 为了检验汤姆逊模型是否正确,卢瑟福于1911年 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了α粒子散射实验,实验中观察到大多数粒子穿过金箔后发生约一度的偏转.但有少数α粒子偏转角度很大,超过90度以上,甚至达到180度. 对于α粒子发生大角度散射的事实,无法用汤姆逊(Thomoson)模型加以解释.除非原子中正电荷集中在很小的体积内时，排斥力才会大到使α粒子发生大角度散射,在此基础上,卢瑟福(Rutherford)提出了原子的核式模型.null第二节：卢瑟福模型的提出第一章：原子的位形：卢瑟福模型α粒子散射实验是卢瑟福于1911年设计的，后来根据实验的结果，卢瑟福否定了汤姆逊模型并提出了原子的核式模型null第二节：卢瑟福模型的提出第一章：原子的位形：卢瑟福模型null第二节：卢瑟福模型的提出第一章：原子的位形：卢瑟福模型null第二节：卢瑟福模型的提出第一章：原子的位形：卢瑟福模型 实验装置如上图所示。放射源 R 中发出一细束α粒子，直射到金属箔上以后，由于各α粒子所受金属箔中原子的作用不同，所以沿着不同的方向散射。荧光屏S及放大镜M可以沿着以F为中心的圆弧移动。当S和M对准某一方向上,通过F而在这个方向散射的α粒子就射到S上而产生闪光，用放大镜M观察闪光，就能记录下单位时间内在这个方向散射的α粒子数。从而可以研究α粒子通过金属箔后按不同的散射角θ的分布情况。null第二节：卢瑟福模型的提出第一章：原子的位形：卢瑟福模型null 汤姆逊提出原子的布丁(pudding)模型,认为正电荷均匀分布 在半径为R 的原子球体内,电子像布丁镶嵌在其中,如下图 null第二节：卢瑟福模型的提出第一章：原子的位形：卢瑟福模型α粒子散射实验观察到： 被散射的粒子大部分分布在小角度区域，但是大约有1/8000的粒子散射角 θ>90度，甚至达到180度,发生背反射。α粒子发生这么大角度的散射，说明它受到的力很大。 汤姆逊模型是否可以提供如此大的力？我们来看一看这两个模型对应的力场模型null第二节：卢瑟福模型的提出第一章：原子的位形：卢瑟福模型 由于核式模型正电荷集中在原子中心很小的区域，所以无限接近核时，作用力会变得的很大，而汤姆逊模型在原子中心附近则不能提供很强的作用力。 下面我们通过计算来看一看，按照汤姆逊模型，α粒子的最大偏转角可能是多少。null第二节：卢瑟福模型的提出第一章：原子的位形：卢瑟福模型假设有一个符合汤姆逊的带电球体，即均匀带电。那么当α粒子射向它时，其所受作用力:F(r)=null第二节：卢瑟福模型的提出第一章：原子的位形：卢瑟福模型 对于汤姆逊模型而言，只有掠入射(r=R)时,入射α 粒子受力最大，设为 Fmax ，我们来看看此条件下α 粒子的最大偏转角是多少？ 如上图,我们假设α 粒子以速度 V 射来, 那么会产生多大角度的散射呢?null第一章：原子的位形：卢瑟福模型第二节：卢瑟福模型的提出当α粒子与电子发生正碰时,可以近似看作弹性碰撞,动量与动能均守恒与正电荷作用（最大的作用力发生在掠射）得对头撞null第二节：卢瑟福模型的提出第一章：原子的位形：卢瑟福模型如果以能量为5MeV的α粒子轰击金箔,最大偏转角为即在上述两种情形下,α粒子散射角都很小,故Tomson模型不成立综合两式保守估计null第二节：卢瑟福模型的提出第一章：原子的位形：卢瑟福模型 α粒子散射实验否定了汤姆逊的原子模型，根据实验结果，卢瑟福于1911年提出了原子的核式模型。 原子中心有一个极小的原子核，它集中了全部的正电荷和几乎所有的质量，所有电子都分布在它的周围. 卢瑟福根据设想的模型，从理论上推导出散射公式，并被盖革-马斯顿实验所验证，核式模型从而被普遍接受。null第一章：原子的位形：卢瑟福模型第二节：卢瑟福模型的提出null第三节：卢瑟福散射公式第一章：原子的位形：卢瑟福模型null第三节：卢瑟福散射公式第一章：原子的位形：卢瑟福模型 上一页的图描述了入射速度为 V ，电荷为 Z1e 的带电粒子，与电荷为 Z2e 的靶核发生散射的情形。当粒子从远离靶核处射过来以后，在为库仑力的作用下，粒子的运动偏转了θ 角。可以证明，散射过程有下列关系:其中b是瞄准距离，表示入射粒子的最小垂直距离。 为库仑散射因子。null第三节：卢瑟福散射公式第一章：原子的位形：卢瑟福模型散射公式推导: 设入射粒子为α粒子，在推导库仑散射公式之前，我们对散射过程作如下假设：1.假定只发生单次散射，散射现象只有当α粒子与原子核距离相近时，才会有明显的作用，所以发生散射的机会很少；2.假定粒子与原子核之间只有库仑力相互作用；null第三节：卢瑟福散射公式第一章：原子的位形：卢瑟福模型3.忽略核外电子的作用，这是由于核外电子的质量不到原子的千分之一，同时粒子运动的速度比较高，估算结果表明核外电子对散射的影响极小，所以可以忽略不计；4.假定原子核静止。这是为了简化计算。null第三节：卢瑟福散射公式第一章：原子的位形：卢瑟福模型如上图所示,α粒子在原子核Ze的库仑场中运动,任一时刻t 时的位失为 ,作用前后α粒子的速度分别为 和 ,任一时刻的速度为 ,α粒子的入射能量为E,α粒子受到原子核的斥力作用null第三节：卢瑟福散射公式第一章：原子的位形：卢瑟福模型(1)(2)(3)即null第三节：卢瑟福散射公式第一章：原子的位形：卢瑟福模型 因为 F 为有心力,对离心O 的力矩为 0 ,所以α粒子对原子的角动量守恒,即(4)故(3)式可改写为(5)null两边同时积分有第三节：卢瑟福散射公式第一章：原子的位形：卢瑟福模型对左式(6)(7)null 因为库仑力是保守力,系统机械能守恒,取距原子核无限远处势能为0,则有第三节：卢瑟福散射公式第一章：原子的位形：卢瑟福模型设 方向上单位矢量为 ,则有(8)null第三节：卢瑟福散射公式第一章：原子的位形：卢瑟福模型其中 另一方面可得(9)null第三节：卢瑟福散射公式第一章：原子的位形：卢瑟福模型把(7),(8),(9)三式代入(6)式得系统角动量守恒，所以代入(10)并整理可得其中(11)式就是α粒子散射偏转角公式null第三节：卢瑟福散射公式第一章：原子的位形：卢瑟福模型从式我们可以看出，b 与 θ之间有着对应关系，瞄准距离 b 减小，则散射角θ增大，但要想通过实验验证，却存在困难，因为瞄准距离 b 仍然无法准确测量，所以对式还需要进一步推导，以使微观量与宏观量联系起来。null第三节：卢瑟福散射公式第一章：原子的位形：卢瑟福模型 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，但目前瞄准距离 b 仍然无法测量。因此必须设法用可观察的量来代替 b ，才能进行相关实验。null第三节：卢瑟福散射公式第一章：原子的位形：卢瑟福模型 卢瑟福完成了这项工作，并推导出了著名的卢瑟福公式Rutherford公式推倒: 首先,我们来看看只有一个靶原子核时的情形由库仑散射公式,我们知道,随着瞄准距离b的减小,散射角θ增大,参考下一页图,可见瞄准距离在b→b=db之间的粒子,必然被散射到θ→θ-dθ之间的空心圆锥体之中.null第三节：卢瑟福散射公式第一章：原子的位形：卢瑟福模型上图所示环的面积为nullnulldθ对应的空心圆锥体的立体角为dN 是散射到dΩ内的α粒子数微分截面的定义靶的单位面积内的每个靶原子核，将α粒子散射到θ方向单位立体角的几率。null微分截面表示为 、著名的卢瑟福公式，只是表达形式不同。null第四节：卢瑟福公式的实验验证第一章：原子的位形：卢瑟福模型由卢瑟福公式，我们可以作出如下预言:null3.偏转角φ和金属箔厚度固定时，散射的粒子数与α粒子能量的平方成反比；4.散射粒子数与Z2成正比,Ze是原子核的正电荷，从而可以测定Z。第四节：卢瑟福公式的实验验证第一章：原子的位形：卢瑟福模型1913年，盖革与马斯顿利用下一页图的仪器进行实验，结果表明上述四点都与实验吻合。null第四节：卢瑟福公式的实验验证第一章：原子的位形：卢瑟福模型null第一章：原子的位形：卢瑟福模型第五节 行星模型的意义及困难意义 1）行星模型提出以核为中心的概念，承认高密度核的存在。 2）卢瑟福散射这种研究物质结构的方法，对近代物理有这 重要的影响。 3）卢瑟福散射为物质分析提供了一种手段。 1967年，美将一源送上月球，对月球表面进行了卢瑟福散射 来分析其成分。其结果与1969年取回的月球样品分析结果 基本相符。 null第一章：原子的位形：卢瑟福模型第五节 行星模型的意义及困难2.困难 1）无法解释原子的稳定性（由经典理论知，电子绕核的 加速运动必有电磁辐射，电子的能量渐减而绕核做螺旋 运动并落入核内，导致原子崩溃。但实际并非如此）。 2）无法解释原子的同一性（宇宙中同种原子结构相同 称为同一性）。 3）无法解释原子的再生性（原子在外来影响撤出后， 立即恢复原来状态称为再生性）。 null下一章 原子的量子态：玻尔模型