第一章原子物理

实 验 装 置 和 模 拟 实 验
R:放射源 放射源 F:散射箔 散射箔 S:闪烁屏 闪烁屏 B:圆形金属匣 圆形金属匣 A:代刻度圆盘 代刻度圆盘 C光滑套轴 光滑套轴 T抽空 的管 抽空B的管 抽空 M显微镜 显微镜
模拟 实验
模拟 实验
( a) (b) (b)
“就像一枚15英寸的炮弹打在一 就像一枚15英寸的炮弹打在一 张纸上又被反射回来一样， 张纸上又被反射回来一样，”
2)原子的绝对质量 2)原子的绝对质量------- M （kg) 原子的绝对质量------- A 两者之联系
MA = A N0
N 0 阿佛加德罗常数
1.1.2原子的大小 ——估算 1.1.2原子的大小 ——估算 1）固体（晶体）原子视为紧密排列 固体（晶体） 设原子是球形的， 设原子是球形的，半径为 取1 mol物质 V = N 0 πr 3 mol物质 设原子的质量密度为
电子的发现表明: 电子的发现表明:电子是原子的组成成分 原子中存在一定数量的电子，带负电。 原子中存在一定数量的电子，带负电。 原子呈电中性，所以原子中必定存在带正电的部分。 原子呈电中性，所以原子中必定存在带正电的部分。 原子的组成: 原子的组成: 负电部分: 负电部分:电子 正电部分 正电部分和电子如何分布与相对运动？ 正电部分和电子如何分布与相对运动？ 质量 小 承担绝大部分质量
r≤R r>R
f = f max
θ = θ max < 3rad
估算
的散射几率极小 10 −3500 行星模型
正电荷集中于占原子线度1/10 的核内， 正电荷集中于占原子线度1/104的核内， 电子绕核运动。 电子绕核运动。
R模型
Ze E= 4πε 0 r 2
距核愈近力愈大，可能被大角度散射。 距核愈近力愈大，可能被大角度散射。
化学原子学说 化学反应中，原子不可分解，性质不变； 1808年 1808年 Dalton 化学反应中，原子不可分解，性质不变； 不同元素的原子不同，每种原子有确定原子量。 不同元素的原子不同，每种原子有确定原子量。 气体由分子组成，分子由原子组成。 1811年 1811年 Avogadro 气体由分子组成，分子由原子组成。 同温同压的同体积气体含相同数目的分子。 同温同压的同体积气体含相同数目的分子。 发现元素周期律， 1869年 1869年 Mendeleev 发现元素周期律，预言新元素 现代原子学说 19世纪末 19世纪末 三大发现—— 射线、 三大发现——X射线、放射性和电子 ——X
O
2
2
cos θ 2 sin 3 θ dθ 2
2
θ
2π (r sin θ )rdθ dΩ = = 4π sin θ cos θ dθ 2 2 r2
1 dσ = 4πε 0
2
Ze dΩ Mv 2 sin 4 θ 2
2
2
卢瑟福散射公式
二. 原子物理学的地位与作用
自学
三. 原子物理学的特点及学习中应注意的几点
1.特点: 1.特点 特点:
原子物理是唯象理论 原子物理是半经典、半量子化理论 原子物理是半经典、 2. 注意 坚持实践是检验真理的唯一标准的观点 科学是逐步地、不断发展起来的 科学是逐步地、 对微观体系不能要求都按宏观规律来描述
1.2.3 α 粒子散射实验 1）α 粒子散射 Geiger和 Geiger和Marsden
θ
O
散射角
2）实验结果 ：1）绝大多数粒子的散射角为2~3度（小角散射） 绝大多数粒子的散射角为2~3度 小角散射） 2）1/8000 的α粒子散射后散射角大于 90度， 90度 有的散射角接近180度 有的散射角接近180度。
1.2.2原子的核式模型 1.2.2原子的核式模型
西瓜模型 葡萄干布丁模型
Thomson模型 1898年 Thomson模型（1898年） 模型（
正电荷均匀分布于原子球体内，电子嵌 正电荷均匀分布于原子球体内， 于其中。 于其中。
模型的困难： 模型的困难：所预言的原子光谱与实验不符 不能说明阿尔发粒子的散射 实验
核外两模型同
1.2.4． 1.2.4．卢瑟福散射公式 散射角与瞄准距离之关系
b
r v
O
θ
Mv 2 ctg = 4πε 0 b 2 2 2 Ze
θ
v
一定， 一定，
b
小，
θ
大
r v
入射粒子原有速度
足够小， b 足够小，产生大角散射
b 描准距离
3．卢瑟福散射公式 瞄准距离在 b → b − db
dθ
db bΒιβλιοθήκη 1897年 Thomson证实阴极射线由负电微粒组成 1897年 Thomson证实阴极射线由负电微粒组成 通过磁场中的偏转测 e me 电子的发现 1899年 Thomson测量 1899年 Thomson测量 e 和 me 1909年 Millikan油滴实验精确测定 1909年 Millikan油滴实验精确测定 e
原子是物质结构的一个层次，介于分子和原子核之间。 原子是物质结构的一个层次，介于分子和原子核之间。 1911年 1911年 1913年 1913年 Rutherford Bohr 原子核式结构模型
原子量子理论 解释氢光谱 成功解释原子现象
19231923-1927
量子力学诞生
问题： 组分? 问题： 组分? 结构和相互作用? 结构和相互作用? 内部运动? 内部运动?
J. J. Thomson (1856(1856-1940)
The Nobel Prize in Physics 1923 for his work on the elementary charge of electricity and on the photoelectric effect
R. Millikan (1868(1868-1953)
(自学) 自学)
第一章 原子的基本状况
1.1原子的质量和大小 1.1原子的质量和大小 1.1.1原子的质量 1.1.1原子的质量 对原子所含物质多少的量度 1)原子的相对质量 1)原子的相对质量-------原子量A 原子的相对质量-------原子量 原子量A 1mol元素的 1mol元素的 质量（ 质量（A克 /mol)
原子物理 Physics） （Atomic Physics）
绪
原子物理学: 原子物理学: 研究原子报内部结构与性质及其有 关问题的学科 研究对象: 研究对象:
介于分子和原子核之间这一层次的物质
一.原子物理学的发展
古代原子学说 B. C. 4世纪 4世纪 Democritus 原子（Atom） 组成物质的最小单元， 原子（Atom） 组成物质的最小单元，永恒不变 机械原子学说 17世纪 17世纪 有质量的球形微粒 通过吸引力机械地结合成宏观物体 原子的运动是机械位移，遵守力学定律 原子的运动是机械位移， 困难：不能解释光、 困难：不能解释光、电、热等物理现象和燃烧等化学过程 Newton
原因是汤姆孙模型不能解释大 角散射
E. Rutherford (1871(1871-1937)
原子
电子 正电部分
+ α 粒子
mα >> me
mα << m A
α粒子进入原子内部时，电子的影响可忽略,不改变粒子的运动 粒子进入原子内部时，电子的影响可忽略, 重元素原子正电部分近似固定不动, 重元素原子正电部分近似固定不动,改变粒子的运动 Zer 4πε R 3 0 E= Ze 4πε 0 r 2 r≤R r>R
卢瑟福散 射公式
θ dn 1 2 Ze 2 2 sin 4 = ( ) Nnt ( 2 ) dΩ 2 4πε 0 Mv
实验时不取
θ → θ + dθ
之间的全部立体角， 之间的全部立体角，
而取荧光屏张的一个小立体角
dΩ ' 屏上所测粒子数为 dn '
M F S
dn dn = ' dΩ dΩ
dn ' 1 2 Ze 2 2 θ sin 4 = ( ) Nnt ( 2 ) ' dΩ 2 4πε 0 Mv
dσ 与易测量相联系
设一薄膜，面积为A 厚度为t,单位体积内原子数为 单位体积内原子数为N 设一薄膜，面积为A，厚度为t,单位体积内原子数为N
则膜内原子总数为
N ' = ANt
t
A
N ' 原子的总有效散射截面
dΣ = N ' dσ = ANtdσ
1 dσ = 4πε 0
4 3
r
3
ρ ( g / cm )
~ 10
−10
则V =
A
ρ
3 A 1 r=( ⋅ )3 4π ρN 0
m
2）从气体分子运动论估算
λ=
1 4 2 Nπr 2
3）由范德瓦耳斯方程估算
(P + a )(V − b) = RT 2 V
4 d b = 4 N 0 π ( )3 3 2
~ 10 −10 m
1.2原子的核式结构 1.2原子的核式结构 1.2.1电子 electron） 1.2.1电子（electron）的发现 电子（ 电解定律： 1833年 Faraday电解定律 1833年 Faraday电解定律：析出物质量正比于电解液电量 1mol一价离子所带电量为常数（法拉第常数） 1mol一价离子所带电量为常数（法拉第常数） F 一价离子所带电量为常数 1874年 Stoney提出电荷的最小单位 1874年 Stoney提出电荷的最小单位 1881年 Stoney命名电量子为电子 1881年 Stoney命名电量子为电子 e = F NA
The Nobel Prize in Physics 1906 in recognition of the great merits of his theoretical and experimental investigations on the conduction of electricity by gases