原子的核式结构

第一章 原子的核式结构

•§1.1原子和电子

•§1.2 原子的核式结构

§1.1 原子和电子

一、原子

科学的发展不仅证实了原子的存在，也使人类获得丰富的关于原子的知识，原子并不是像某些古代人想象的那样是简单而又不可分割的，它有着复杂的内部结构和运动形式。

1、原子的概念

（1）远在两千多年前，古希腊哲学家德膜克利特

        （Democritus)提出“原子”这 个概念，意思是

        “不可分割的”，并 把它作为物质的最小单元

（2）19世纪初期，道尔顿(J.Dalton)提出原子学说：

（ 3）现在原子的概念，基本沿用道耳顿的学说，

               它 是化学反应中不可分割的微粒。

道尔顿(J.Dalton)提出的原子学说：

•          （i) 一定质量的某种元素，由极大数目的该元素
        的原子构成。

•          （ii) 每种元素的原子，都具有相同的质量，不同
         元素的原子，质量各不相同。

•          （iii) 两种可以化合的元素，它们的原子可能按几
         种比率化合成几种化合物的分子。

2、原子的质量

•          （1）  不同的原子有不同的质量

•          （2） 原子质量单位：碳单位

         （3） 原子质量的相对值：

(4)  原子质量的绝对值

•         A：以克为单位时,一摩尔原子的质量 。
    N0: 阿伏加德罗常数。(6.022%1023/mol)

3、原子的大小

固体和液体：

气体：

N：单位体积的原子数目   
   ：平均自由程。

表1.1几种元素原子半径的大小

二、电子

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。”

*电子的发现 导致了原子物理这门学科的诞 生。

汤姆逊正在进行实验

P₂

A

P₁

S

O

P

阴极射线实验装置示意图

阴极射线管

1、电子的电荷和质量

电荷：e =（4.803242 ± 0.000014)´10-10esu   或    ：e =（1.6021892±0.0000040)´10-19c 质量：me= (9.109534 ±0.00049)´10-31kg  

               ( 电子的质量随速度变化，

         但电量不随速度变化。)

2、电子的大小

电子的经典半径的上限：

  re=(2.8179380 ±0.0000070)´10-15m

   （这是根据电子质量起源于电磁场的

        假设求得的电子半径）

*

电子是一切原子的组成部分之一。

§1.2 原子的核式结构   (卢瑟福模型)

原子决不能被看作简单的东西或已知的最小的实物粒子。
                                     - 恩格斯（1882）

•       一、汤姆逊原子模型

•         二、卢瑟福原子模型

•         三、a粒子散射实验

•         四、a粒子散射理论

•         五、卢瑟福理论的实验验证

•         六、原子核半径的估算

•         七、对a粒子散射实验的说明

•         八、a粒子散射实验的意义及卢瑟福模型的困难

一、   汤姆逊原子模型

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。

汤姆逊正在进行实验

该模型对原子发光现象的解释

二、   
卢瑟福原子模型

盖革（左）和卢瑟福在实验室

1909年汤姆逊的学生卢瑟福通过实验否定了汤姆逊模型,建立了卢瑟福原子模型。

三、a粒子散射实验

目的检验汤姆逊模型的正确性

原理检验汤姆逊模型的正确性

实验装置和模拟实验

•             R:放射源

•             F:散射箔

•             S:闪烁屏

•             
B:圆形金属匣

( a) 侧视图  (b) 俯视图

按汤姆逊模型从理论上预言:

散射角大于3°的比1%少得多；

散射角大于90°的约为10-3500。

10^{-3500   ----------   1/8000}

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°。

结论：正电荷集中在原子中心。

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。”

原子核式结构模型

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。

四、 粒子散射理 
论

建立在原子的核式结构模型基础之上，并且假设：

1、 忽略电子的作用，因为：

2、  粒子和原子核看成点电荷，两者之间的作用

3、大角散射是一次散射结果。

4、原子核不动，m_核>>m  （如不做这一假定，粒子的质量应采用折合质量)

库仑散射

卢瑟福散射公式

ds=2pb ½ db ½

散射截面和微分散射截面：

是入射粒子被一个靶原子散射到 之间的那么一个立体角内的散射截面，它表示每个靶原子对散射的贡献，称为一个原子的散射截面或有效截面。若散射方向限于极小的立体角范围内，则定义微分散射截面如下：

对薄箔，可通过实验验证的公式

五、卢瑟福理论的实验验证

从公式

可以预言下列四种关系：

（1）在同一a 粒子源和同一散射物的情况下

(2) 用同一a粒子源和同一种材料的散射物，在同一散射角，

(3) 用同一个散射物，在同一个散射角，

(4) 用同一个a粒子源，在同一个散射角，对同一Nt值，

六、原子核半径的估算

放出的a粒子，q~150°理论仍然有效，Va~0.064C 金薄箔 Z=79 ，计算出：               

rm=3×10-14m            （金）

rm=1.2 ×10-14 m         （铜）

 rm=2 ×10-14m          （银）

七、对a粒子散射实验的说明

（1）仅对薄靶才有效

（2）大角散射是一次散射的结果。仅对大角(θ>45°)有效。当θ<45°时,理论与实验偏离很大。

八、a粒子散射实验的意义  及卢瑟福模型的困难

（一）意义：

1、通过实验解决了原子中正、负电荷的排布问题，建立了一个与实验相符的原子结构模型，使人们认识到原子中的正电荷集中在核上，提出了以核为中心的概念，从而将原子分为核外与核内两部分，并且认识到高密度的原子核的存在，在原子物理学中起了重要作用。

2、 a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，以散射为手段来探测，获得微观粒子内部信息的方法，为近代物理实验奠定了基础，对近代物理有着巨大的影响。

3、a粒子散射实验还为材料分析提供了一种手段。

（二）困难

 1、原子稳定性问题
 2、原子线状光谱问题

小结

•         一、汤姆逊原子模型

•          二、卢瑟福原子模型

•          三、粒子散射实验

•          四、粒子散射理论

•          五、卢瑟福理论的实验验证

•          六、原子核半径的估算

•          七、对a粒子散射实验的说明

•          八、a粒子散射实验的意义及卢瑟福模型的困难