第1章原子的核式结构

第一章原子的核式结构2、原子的核式结构3、卢瑟福散射理论4、原子的组成和大小5、卢瑟福核式结构的意义和困难重点：原子的核式结构、卢瑟福散射理论1、汤姆孙原子结构模型原子壳层结构§1.1汤姆孙原子结构模型一　电子的发现1897年，汤姆逊通过阴极射线管的实验发现了电子，并进一步测出了电子的荷质比:e/m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.”1906J.J汤姆孙英国通过气体电传导性的研究，测出电子的电荷与质量的比值获诺贝物理奖图2阴极射线实验装置示意图　微粒的荷质比为氢离子荷质比的千倍以上阴极射线质量只有氢原子质量的千分之一还不到电子电子电荷的精确测定是在1910年由R.A.密立根（Millikan）作出的，即著名的“油滴实验”。e=1.60217733×10-19C，m=9.1093897×10-31kg。电荷是量子化的，任何带电体的电量是e的整数倍。二、汤姆逊原子模型－布丁模型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－原子中正电荷和质量均匀分布在原子大小的弹性实心球内，电子就象西瓜里的瓜子那样嵌在这个球内。　该模型对原子发光现象的解释－电子在其平衡位置作简谐振动的结果，原子所发出的光的频率就相当于这些振动的频率。三、原子的质量和大小1、阿伏伽德罗常数NA1mol(摩尔)分子或原子所含有的分子数或原子数为NA2、原子质量1mol(摩尔)质量的12c原子的质量12(g克）定义为12个碳单位u1个12c原子的质量=12/NA(g克)=12个碳单位u1u=1/NA(g克）=1.6605402×10-27（kg千克）质量最轻的氢原子：m=1.673×10-27kg质子的质量m=1.6726231×10-27kg原子质量的数量级：10-27kg——10-25kg假设一个原子的体积为原子核半径－10-14m~10-15m(fm)原子的半径－10-10m=0.1nm=A0（埃）电子半径－10-18m1摩尔体积V为原子的半径为3、原子的大小AX原子的质量为A克（即：原子量或摩尔质量）,含有NA个X原子,设质量密度为ρ，1摩尔体积为VV=A/ρ§1.2原子的核式结构(卢瑟福模型)一α粒子散射盖革－马斯顿实验实验结果：大多数散射角很小，约1/8000散射大于90°；极个别的散射角等于180°。(a)侧视图(b)俯视图。R:放射源；F:散射箔； S:闪烁屏；B:金属匣α粒子（氦核）：放射性元素发射出的高速带电粒子，其速度约为光速的十分之一，带+2e的电荷，质量约为4MH。散射：一个运动粒子受到另一个粒子的作用而改变原来的运动方向的现象。粒子受到散射时，它的出射方向与原入射方向之间的夹角叫做散射角。α粒子散射实验的装置及现象原子内部十分空虚α粒子十分接近核的机会很少二　汤姆逊模型的困难近似1：粒子散射受电子的影响忽略不计，只须考虑原子中带正电而质量大的部分对粒子的影响。当r>R时，原子受的库仑斥力为：当r<R时，原子受的库仑斥力为：当r=R时，原子受的库仑斥力最大：近似2：只受库仑力的作用。粒子受原子作用后动量发生变化：最大散射角：大角散射不可能在汤姆逊模型中发生,散射角大于3°的比1%少得多；散射角大于90°的约为10-3500.必须重新寻找原子的结构模型。解决：减少带正电部分的半径R，使作用力增大。困难：作用力F太小，不能发生大角散射。电子 α粒子 正电荷 质量小 质量大(7000倍) 均匀分布 像尘埃 像子弹 作用力小 汤姆生原子模型败北汤模型不可能出现大角散射！　原子序数为Z的原子的中心,有一个带正电荷的核(原子核),它所带的正电量Ze,它的体积极小但质量很大,几乎等于整个原子的质量,正常情况下核外有Z个电子围绕它运动。定性地解释：由于原子核很小，绝大部分粒子并不能瞄准原子核入射，而只是从原子核周围穿过，所以原子核的作用力仍然不大，因此偏转也很小，也有少数粒子有可能从原子核附近通过，这时，r较小，受的作用力较大，就会有较大的偏转，而极少数正对原子核入射的粒子，由于r很小，受的作用力很大，就有可能反弹回来。所以卢瑟福的核式结构模型能定性地解释α粒子散射实验。三　卢瑟福的核式模型1．库仑散射公式四、卢瑟福散射理论上式反应出b和的对应关系。b小，大；b大，小假设：忽略电子的作用、粒子和原子核看成点电荷、原子核不动、大角散射是一次散射结果要得到大角散射，正电荷必须集中在很小的范围内，粒子必须在离正电荷很近处通过。问：b是微观量，至今还不可控制，在实验中也无法测量，所以这个公式还不可能和实验值直接比较。b小，大；b大，小打到面积πb2的粒子，散射角>，打在bb-db之间的这个环形带2πbdb面元上的粒子，必然散射到+d之间的空心立体角d内库仑散射公式参考理论力学教材，有心力章节；用比来公式解粒子散射方程理论力学：周衍柏理论力学：肖士珣粒子在平方反比中心力场中的运动斥力引力圆锥曲线散射态具有确定能量的粒子束均匀入射，研究散射粒子的角分布粒子反射2．卢瑟福散射公式→→问题：环形面积和空心圆锥体的立体角之间有何关系呢?卢瑟福散射公式d与d的对应关系：d称为有效散射截面又称为微分截面。d的单位具有面积的量纲。(金属膜中单个原子对单个粒子的散射)tdnd(2Zdnd(卢瑟福散射公式意义：打到面积πb2的粒子，散射角>,被每个原子散射到+d之间的空心立体角d内的粒子，必定打在bb-db之间的d这个环形带上。微分截面d杨福家教材定义微分截面：单位立体角内每个原子有效散射截面近似3：设薄膜很薄，薄膜内的原子核对射来的粒子前后不互相覆盖，假想为单层原子薄膜。设有一薄膜（靶），面积为A，厚度为ｔ，单位体积内的原子数为N，则薄膜中的总原子数是：则N’个原子把粒子散射到d中的总有效散射截面为：d示粒子散射到　　　　之间的几率的大小，故微分截面也称做散射几率,。这就是d的物理意义n个粒子射向靶A，dn个粒子射向靶d∑d的物理意义单位时间内单位立体角接收到的粒子数将卢瑟福散射公式代入并整理得表示粒子散射到方向单位立体角内每个原子有效散射截面五、卢瑟福理论的实验验证dn`是d`测量光屏所张的立体角测到的散射粒子数１９１３年盖革－马斯顿实验，１９20查德维克卢瑟福散射公式如果考虑原子核的运动，采用质心系，卢瑟福散射公式中粒子的质量M用折合质量μ代替。E用Ec角动量守恒定律由上两式及库仑散射公式可得六、原子核半径的估算能量守恒定律10-14m10-15ma为估算原子核的半径七、粒子散射实验的意义及卢瑟福模型的困难a）意义：1、最重要意义是提出了原子的核式结构，即提出了以核为中心的概念2、粒子散射实验为人类开辟了一条研究微观粒子结构的新途径。黑箱方法b）不足：1、原子稳定性问题2、原子线状光谱问题例题17.7MeV的α粒子于金核对心碰撞时，金原子半径为多大？解：金原子常用的常量：例题2:能量为3MeV的质子受银原子核的作用而散射.试求向后()的散射截面和()附近的微分散射截面解:(1)散射截面(2)微分散射截面例题3:褚圣麟21页7题3.5MeV粒子细束射到质量厚度为0.01kg/m2的银箔上。粒子与银箔表面成60角。在离入射线成20的方向上，离银箔散射区距离L=0.12m处放一窗口面积为6.010-5m2的计数器。测得散射进此计数器窗口的粒子是全部入射粒子的百万分之29。已知银的原子量为107.9。求银的原子序数Z。解：银原子质量：MAg=107.91.6610-27kg=1.7910-25kg银箔有效质量厚度：=0.01kg/m2cos30=0.0115kg/m2有效单位面积上的银原子数：Nt=/MAg=6.451022个/m2计数器立体角：d=S/r2=6.010-5m2/(0.12m)2=4.1710-3d与d之间的关系：d=S/r2=(2rsin)(rd)/r2=2sind百分比dn/n=NtAd/A=Ntd=29/106所以d=4.49610-28a=3.9610-14m即ZZAge2/(40E)=a=3.9610-14m计算得ZAg=…..=48约等于实际值47微分散射截面问题：(l)d的物理意义？(2)库仑散射公式为什么不能直接检验?(3)如果粒子以一定的瞄准距离接近原子核时，以90o角散射，当粒子以更小的瞄准距离接近原子核时，散射角的范围是什么?(4)卢瑟福依据什么提出他的原子模型?(5)卢瑟福模型与汤姆逊模型的主要区别是什么?精品课件！精品课件！纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子.纳米金属铜的超延展性碳纳米管.它的密度是钢的1/6，而强度却是钢的100倍它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应