原子物理学第一章.ppt
,绪 论,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,1研究对象 原子是物质结构的微小单元，原子物理学研究的是原子的结构和性质及其有关内容，是关于物质微观结构的一门学科。2发展简史（1）原始的原子学说（2）科学原子学说的发展a.是近二三百年内才发展起来的，对其发展作出贡献的内容是：(a)：气体分子运动论，如1827年，布朗运动；(b)：化学，如道耳顿阐明的定比定律和倍比定律，开辟了原子学说的门径；,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,(c)：光谱的发现与大量的观察为原子物理学的建立提供了强有力的依据。（光谱是牛顿在1666年发现的）b.原子物理学的阔步发展是在十九世纪末二十世纪初十九世纪八十年代，物理学建立了完整的三大理论体系，是力学，热力学，电动力学当时认为物理学的发展已到了尽头，已经非常完备，以后的进展只是次要问题的补充，但是随着社会生产的发展，如：冶金，内燃机，蒸汽机等的采用，促进了科学的迅速发展，一方面提出了新的科学问题，另一方面也为科学工作提供了更好的条件因此，物理学在这个时期以后得到了迅速发展光谱资料的大量积累许多重大发现产生1885年巴耳末发现光谱线规律。1887年赫兹发现光电效应,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,1895年伦琴发现X射线1896年贝克勒尔发现放射性1897年汤姆逊证明电子的存在.1911年卢瑟福由粒子散射实验提出了原子的核式结构模型.许多理论被提出1900年普朗克从研究黑体辐射出发提出了量子论1913年玻尔的氢原子理论被提出来。1925年 由海森堡、薛定谔等人提出了关于描述微观体系的新理论量子力学建立，为物理学的发展起了巨大推进作用。,3.原子物理学的地位和作用（1）地位：a是关于物质结构的科学，是深入认识物质结构的中继站。b它是一门基础学科 本身能解释许多物理问题，发展新知识 它的发展影响到物理学的全部领域 它与其它科学有相当大的联系：如，化学、天文物理（用光谱知识）、矿物学、冶金学、生物科学。（2）应用：a既广且深，有许多方面的应用基本的应用是材料科学研究方面，如，电子发射材料，金属，磁性材料，半导体，导体，绝缘体，发光体等都需要原子物理方面的知识总之，原子物理学与现代生产有广泛而密切的联系 b对原子物理学的一些基本研究方法也可以用在其它生产和科学研究中,4学习上应注意的几点 总之，一定要用辩证唯物主义的观点来看问题，具体来说是：（1）实践理论再实践再理论，或者说：实践是检验真理的标准实践：自然界中，生产过程中，科学实验中观察到的一些事实，事实“加工”,分析，归纳，推理，从已有知识提出假设。如果假设与事实或过一步实验符合，再推测其它实践情形下的结果，于是再进行实践检验理论的下确性（）原子物理是逐步发展起来的 研究对象是原子、分子等微观物体，不能直接观察，原子的结构和运动的研究要从反映这些情景的宏观现象中去推究，这样需要反复地进行实验和理论验证因此，在原子物理的逐步发展过种中，认识往往不完备，只是近似的，但是逐步深入的进而完善的不能期望原子物理学在发展过程中提出的理论一定十分完整周密,（3）原子是微观体系，不能要求都按宏观规律来描述a微观体系无直观性，不能想象出一幅清楚的图象b要冲破经典物理的束缚.c.微观体系要用量子力学规律来描述d原子物理学中并没有完全否定经典规律，不少经典规律在微观物理中用五几点要求：按时上课，认真听讲；多看书，并提出问题；独立做作业，敢于质疑。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,第一章 原子的基本状况 本章主要讲原子的一般情况，如原子的质量，大小，核式结构其中核式结构是本章的重点内容希望同学们认真体会其中的内涵1.1原子的质量和大小原子质量1.相对质量原子量 把碳在自然界中最丰富的一种同位素12 C的质量定为12.0个单位作为原子质量的标准，其它原子的质量同其相比较，定出质量值，这个数值称为原子量例，：1.0079 O：15.999 Cu：63.54原子量可以用化学方法测得,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,2.原子质量的绝对值阿伏伽得罗定律：mol 原子的物质中，不论哪种元素，含有相同数量的原子个数，又若原子的原子量为，则mol该原子的绝对质量为克，一个原子的绝对质量可以表示为,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,可以利用法拉第电解常数F=96486.70库仑/摩尔求得:=一摩尔的原子数分解一摩尔原子的物质所需的电量除以一个离子所带的电量nF/ne=F/e按照上述方法，可以求得原子的质量为:1.67367 10-24g,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,二、原子的大小原子的大小：大概的量级在10-10m范围内。估算方法如下：1设原子的半径为r，在晶体中按一定的规律排列，晶体的密度为,原子量为A，1mol原子的体积为：,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,2从气体分子运动论可以估计原子的大小气体的平均自由程：测出，N，求出r，其中n是单位体积中的分子数。3从范德瓦尔斯方程测定原子的大小其中，定出，可算出，是气体体积，V0为分子所占体积。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,1.原子的核式结构一.汤姆逊原子结构模型（.J.Thomsonmodel）1电子的发现法拉第电解定律：任何一摩尔单价离子，永远带有相同的电量F，F称为法拉第常数，。b.阿伏伽德罗定律：一摩尔任何原子的数目都是，称为阿伏伽德罗常数，。每个单价离子所带的电荷为 都是相同的，这应当是电的最小单位“电的原子”电子。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,1897年，由英国著名物理学家J.J.汤姆逊（Thomson，1856-1940）真正从实验上确认电子的存在。加电场E后，射线偏转，阴极射线带负电。再加磁场B后，射线不偏转，。去掉电场E后，射线成一圆形轨迹，求出荷质比。微粒的荷质比是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,汤姆逊模型：认为原子的 带正电部分是一个原子那么大的,具有弹性的,冻胶状的实体球,正电荷均匀分布着,在球内或球上有电子嵌着,认为电子可以在平衡位置震动,成功之处：汤姆逊模型能解释当时有关的原子所发的各种频率的光谱 困难之处：a1903年后，勒纳特在做电子在金属膜上的散射实验时发现，速度较高的电子很容易穿透原子，从实验上很难说明原子是在10-10m 的量级那样的实球体 b也不能解释粒子的散射实验结果,二、粒子散射实验粒子：放射性元素发射出的高速带电粒子，其速度约为光速的千分之几，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。(a)侧视图(b)俯视图。R:放射源；F:散射箔；S:闪烁屏；B:金属匣,1实验结果1909年，在卢瑟福的指导下，盖革和马斯登第一次观测到粒子束透过金属薄膜后在各方向上散射分布的情况。实验结果：大多数散射角很小，约1/8000散射角大于90；极个别的散射角等于180。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卢瑟福。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,2汤姆逊模型的困难假设有一个符合汤姆逊的带电球体，即均匀带电。那么当粒子射向它时，其所受作用力 F(r)=对于汤姆逊模型而言，只有掠射(r=R)时,入射粒子受力最大，设为Fmax，我们来看看此条件下粒子的最大偏转角多大？,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,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；如果考虑多次小角散射合成，散射角大于90的概率约为10-3500.必须重新寻找原子的结构模型。困难：作用力F太小，不能发生大角散射。解决方法：减少带正电部分的半径R，使作用力增大。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,3卢瑟福的核式模型*1911年，卢瑟福受“大宇宙与小宇宙相似”的启发，把太阳系和原子结构进行类比，提出了著名的原子有核模型的假设：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,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,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，但有少数粒子有可能从原子核附近通过，这时，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 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粒子散射实验。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,二、卢瑟福散射公式1库仑散射公式 粒子与原子核之间是平方反比的斥力，根据理论力学，其运动轨迹是双曲线的一支，Ze为其一焦点。瞄准距离b：粒子开始时的运动路径的延长线离原子核的垂直距离，它反应了 粒子对核的瞄准程度。可以想象，和 之间的对应关系应该是 越小，瞄得越准，越大，偏转就越大；反之，越大，瞄得越不准，就越小，偏转就越小。和 之间的依赖关系，可以经过严密的推导求出来：库仑散射公式一目了然的反应出 和 的对应关系。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,P.8例l：，Z=79 10-1010-1110-1210-1310-1410-15 0.0190.191.716.9112172.3可见，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。问题：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。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,2卢瑟福散射公式 通过 圆环形面积的 粒子，必定散射到 之间的一个空心圆锥体中。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,问题：环形面积和空心圆锥体的立体角之间有何关系呢?环形面积：空心锥体的立体角：与 的对应关系：卢瑟福散射公式,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,公式的物理意义：被每个原子散射到 之间的空心立体角 内的 粒子，必定打在 之间的 这个环形带上。亦即，只有打在 之间的 这个环形带上的 粒子，才能被薄膜中的原子散射在 之间的空心立体角 内，所以 称为有效散射截面(膜中每个原子的)。又因为它以微分形式表示，故又称为微分截面。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,问题：卢瑟福公式的上述表达形式仍不能和可以观测的值联系起来，还须进一步向下推导：设有一薄膜，单位体积内的原子数为N，则薄膜中的总原子数是：A是薄膜表面积,t是薄膜厚度。近似：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。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,每个原子把 粒子散射到 中的有效散射截面为，则 个原子把 粒子散射到 中的总有效散射截面为：一个原子来说，散射到 之间的 粒子必定打在面积；而对N个原子来说，散射到 之间的 粒子必定打在面积上。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,设有 个 粒子打在薄膜的全部面积A上，其中 个散射到 之间的立体角 中，那么这 个 粒子必定打在面积 上，则：所以 也代表了 粒子散射到 之间的几率的大小，故微分截面也称做几率，这就是 的物理意义。将卢瑟福散射公式代入并整理得：这就是卢瑟福散射公式的另一种表达形式。式中：,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,(1)：荧光屏单位立体角内所记录的粒子数，可以测量。(2)与粒子源有关的量：、M、，三个量均可测或可知。(3)与散射物有关的量：N、t、Z，三个量均可测或可知。所以，这个公式就是我们要寻找的可以与实验结果相比较的公式，它是否正确，就看其与实验结果的符合情况。问题：(l)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b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?,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,三、卢瑟福散射公式的实验验证从卢瑟福公式，可以看到以下四种关系（是确定的）：1同一 粒子源（一定），同一散射物（一定）的情况下：2同一 粒子源（一定），同一种材料的散射物（一定），同一散射角（一定）的情况下：3同一散射物（一定），同一散射角（一定）的情况下：4同 一粒子源（一定），同一散射角（一定），同一 的情况下：,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,结论1的实验验证：实验结果P.13表所示1）角在 的范围内，实验与理论基本相符。2）时，实验与理论有明显偏差,为什么？（多次散射）表中显示，小时，粒子数多；大时，粒子数少。不同的，粒子数相差很多，但 却基本上是常数。结论2的实验验证：实验结果表明：对于任一元素来说，单位时间内在一定角度散射的粒子数与箔片的厚度成正比。结论3的实验验证：,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,实验结果下表所示。表：粒子散射与其初速度的关系,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,结论4的实验验证：用卢瑟福公式测出的原子的核电荷数Z，与从其它角度对原子结构所做的考虑相比较，来决定它的合理性，若相符合，那么也应验证了卢瑟福公式所表达的散射与Z2的关系了。1920年，查德威克设计了一个很准确地测定Z的实验装置，他分别用铜、铝、铂等进行了验，结果如P.13页表所示。这个结果不仅测出了原子的核电荷数，还指明某元素的核电荷数Z刚好等于该元素的原子序数。这些结果与其他完全不同的方法所得的结果完全相符合，因此也就验证了卢瑟福公式的正确性。总而言之，卢瑟福的散射公式是经得起实验验证的。至此我们也完成了一个循环中的所有步骤。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,（以下部分讨论）实验事实和现象：粒子散射实验的结果，特别是其中的大角散射。假设：卢瑟福的原子核式模型，它能简单地解释 粒子散射实验。理论：从假设出发推出了较为深入的卢瑟福散射理论。实验验证：实验的结果证实了理论的正确性，也就证实了假设的正确性。因此理论和假设就可以被肯定下，作为下一步工作的基础和依据，科学就是这样一步一步向前发展的。,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,四、原子核大小的估计在 粒子散射实验中，具有一定能量的 粒子，接近原子核，我们可以进一步计算 粒子可能达到的离原子中心的最小距离，由此可以估计原子核的大小。设 粒子在离原子核很远时的速度为，达到离原子核最小距离 处的速度为，则有：能量守恒：角动量守恒：,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,由能量守恒和动量守恒的表达式消去，并代入库仑散射公式中的b得：这就是散射角为时，粒子距原子核的最小距离。小 大 小 粒子距原子核越近；0 180o,高等学校试用教材,高等学校试用教材,高等学校试用教材,这就是 粒子所能达到的最小距离，由此我们就可以估计原子核的大小，其数量级就为 的数量级。经实验测定，这个数量级为10-15-10-14m，和后来从其它实验测出的原子核的数量级相符。利用卢瑟福公式来推测原子核的大小，也是卢瑟福理论的贡献之一，它更进一步完善了原子核式结构的假设。最后我们再对整个研究过程做一点讨论。在推导卢瑟福公式的过程中，曾做过一些假设：1薄膜中的原子核前后不互相覆盖。2只发生一次散射。3核外电子的作用可以忽略。4靶核不动。5只有库仑斥力作用。这些假设体现在何处？讨论这些假设的合理性和可行性。,
