绪论-第一章-原子的核式结构课件

《绪论-第一章-原子的核式结构课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《绪论-第一章-原子的核式结构课件（60页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、1黄忠兵黄忠兵 教授教授办公室：物电学院十楼，办公室：物电学院十楼，1006 湖北大学计算材料研究中心湖北大学计算材料研究中心电话电话:88663797电邮电邮:2 参考书目：参考书目：1.原子物理学原子物理学 杨福家杨福家 编著编著 高等教育出版社高等教育出版社 2000.72.原子物理学原子物理学 陈宏芳编陈宏芳编 2006年年 科学出版社科学出版社3.量子物理量子物理赵凯华赵凯华 罗蔚茵罗蔚茵 2001年年 高等教育出版社高等教育出版社3学习要求学习要求:认真预习教材内容认真预习教材内容 上课认真听课上课认真听课,积极思考积极思考 复习所学内容复习所学内容,独立完成独立完成课外作业课外作

2、业 相互讨论相互讨论,勇于提出问题勇于提出问题4 课程说明课程说明 原子物理学是物理学专业的一门重要基础课程。它上承原子物理学是物理学专业的一门重要基础课程。它上承经典物理，下接量子力学，属于近代物理的范畴。在内容体经典物理，下接量子力学，属于近代物理的范畴。在内容体系的描述上，原子物理学采用了普通物理的描述风格，讲述系的描述上，原子物理学采用了普通物理的描述风格，讲述量子物理的基本概念和物理图象量子物理的基本概念和物理图象，并利用量子力学的思想和，并利用量子力学的思想和结论，讨论结论，讨论物质结构在物质结构在原子、原子核以及基本粒子原子、原子核以及基本粒子等结构层等结构层次的性质、特点和运动

3、规律次的性质、特点和运动规律。5目目 录录绪论绪论第一章第一章 原子的基本状况原子的基本状况第二章第二章 原子的能级和辐射原子的能级和辐射第三章第三章 量子力学初步量子力学初步第四章第四章 碱金属原子碱金属原子第五章第五章 多电子原子多电子原子第六章第六章 磁场中的原子磁场中的原子第七章第七章 原子的壳层结构原子的壳层结构第八章第八章 X射线射线第十章第十章 原子核原子核第十一章第十一章 基本粒子基本粒子6教学内容教学内容一、原子物理学的研究对象、内容一、原子物理学的研究对象、内容二、二、原子物理学的发展历史原子物理学的发展历史三三、原子物理学的地位、作用和研究前景、原子物理学的地位、作用和研

4、究前景绪绪 论论7一、原子物理的研究对象、内容一、原子物理的研究对象、内容研究对象研究对象 研究物质在原子层次内研究物质在原子层次内由什么组成由什么组成，它们，它们如何作用如何作用，发，发生什么样的生什么样的运动形态运动形态的理论。即主要研究的理论。即主要研究原子结构与性原子结构与性质质及有关问题。它是关于物质微观结构的一门科学。及有关问题。它是关于物质微观结构的一门科学。研究内容研究内容 由由原子物理和原子核原子物理和原子核两部分组成。原子物理部分从原子两部分组成。原子物理部分从原子光谱入手，研究价电子的运动规律；从元素周期律和光谱入手，研究价电子的运动规律；从元素周期律和X射射线入手研究内

5、层电子的运动规律和排布。原子核部分主线入手研究内层电子的运动规律和排布。原子核部分主要研究核的整体性质、核力、核模型、核衰变、核反应、要研究核的整体性质、核力、核模型、核衰变、核反应、核能的开发和利用、以及基本粒子的一些知识。核能的开发和利用、以及基本粒子的一些知识。8二、二、原子物理学的发展历史原子物理学的发展历史 1.古代的原子论：古代的原子论：中国古代的原子论中国古代的原子论 战国时期战国时期:墨家墨家 端端:体之无序最前者也体之无序最前者也 古希腊的原子论古希腊的原子论 公元前四世纪公元前四世纪:德谟克利特德谟克利特,提出原子的概念提出原子的概念 2.近代原子说近代原子说 1666 牛

6、顿牛顿,光谱的发现光谱的发现 1807 道尔顿道尔顿,化学上的定比定律和倍比定律化学上的定比定律和倍比定律 (1)每种元素的原子，都具有相同的质量，不同元素的原子，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。质量各不相同。(2)两种可以化合的元素，它们的原子可能按几种比率化合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。成几种化合物的分子。1826 布朗布朗,布朗运动布朗运动 1869 门捷列夫门捷列夫,元素周期律元素周期律 3.19世纪末世纪末20世纪初的原子说世纪初的原子说 1895 X-射线射线 1896 放射性放射性 1897 电子电子 19

7、11 卢瑟福卢瑟福,原子的核式模型原子的核式模型 1913 玻尔玻尔,原子的量子理论原子的量子理论 4.量子力学和现代原子物理学量子力学和现代原子物理学 9三三、原子物理学的地位、作用和研究前景、原子物理学的地位、作用和研究前景 1.原子物理学在材料科学中的应用原子物理学在材料科学中的应用 2.原子物理学在宇观研究领域中应用：原子物理学在宇观研究领域中应用：星际分子、宇宙起源等星际分子、宇宙起源等 3.原子物理学在激光技术及光电子研究领域的应用原子物理学在激光技术及光电子研究领域的应用 4.原子物理学在生命科学领域中的应用原子物理学在生命科学领域中的应用 5.原子物理学化学研究领域的应用原子物

8、理学化学研究领域的应用 四、学习原子物理学应注意的问题四、学习原子物理学应注意的问题 1.科学是逐步地不断地发展的科学是逐步地不断地发展的 2.对微观体系不能要求都按宏观规律来描述对微观体系不能要求都按宏观规律来描述10第一章第一章 原子的基本状况原子的基本状况11教学内容教学内容 1.1原子的质量和大小原子的质量和大小 1.2原子的核式结构模型原子的核式结构模型12 重重 点点 粒子散射实验粒子散射实验 库仑散射公式库仑散射公式 卢瑟福散射公式卢瑟福散射公式 原子的核式模型原子的核式模型。难难 点点库仑散射公式库仑散射公式卢瑟福散射公式推导卢瑟福散射公式推导 13 1.1 原子的质量和大小原

9、子的质量和大小 一、一、原子的质量原子的质量 二、二、原子的大小原子的大小 三、三、原子的组成原子的组成 14（1）不同的原子有不同的质量不同的原子有不同的质量（2）原子质量单位原子质量单位：碳单位碳单位,12u(u为原子质量单位为原子质量单位)uMA1原子量H：1.078252u He:4.0026036u一、原子的质量一、原子的质量0NAMA A A：以克为单位时以克为单位时,一摩尔原子的质量一摩尔原子的质量 。N N0 0:阿伏加德罗常数。阿伏加德罗常数。(6.022x(6.022x10102323/mol)/mol)(4)原子质量的绝对值原子质量的绝对值 kgkgMuc27261066

10、055.11210992.1121 （3）原子质量的相对值原子质量的相对值：153143ANAr 二、二、原子的大小原子的大小 将原子看作是球体将原子看作是球体,其体积为其体积为 ,一摩尔原子占体积为一摩尔原子占体积为334r)g/cm(3,)(343gANrA原子的半径为原子的半径为例如例如 Li原子原子 A=7，=0.7，rLi=0.11nm；Pb原子原子 A=207，=11.34，rPb=0.16nm；是原子质量密度是原子质量密度气体分子运动论气体分子运动论:范德瓦尔斯方程范德瓦尔斯方程:2241rNRTbVVaP)(2分子平均自由程分子平均自由程16表表1.1几种元素原子半径的大小几种

11、元素原子半径的大小 元 素 原 子 量(k g/m3)R(m)锂 70.7 1 03 1.1 1 0-1 0 铝 2 72.7 1 03 1.1 1 0-1 0 铜 6 38.9 1 03 1.1 4 1 0-1 0 硫 3 22.0 7 1 03 1.4 8 1 0-1 0 铅 2 0 711.3 4 1 03 1.5 5 1 0-1 017三、三、原子的组成原子的组成 18971897年汤姆逊从如年汤姆逊从如右图放电管中的阴极射右图放电管中的阴极射线发现了带负电的电子线发现了带负电的电子,并测得了并测得了e/m比。比。19101910年年密立根用油滴做实验发密立根用油滴做实验发现了电子的电

12、量值为现了电子的电量值为 e =1.602=1.60210101919（c c）从而电子质量是从而电子质量是 me=9.109=9.10910103131kg=0.511MeV/ckg=0.511MeV/c2=2=5.4875.48710104 4u u原子是由原子是由电子和原子核电子和原子核组成的组成的,这是卢瑟福在这是卢瑟福在19111911年提出的原子模型。年提出的原子模型。B_+E181、电子的电荷和质量、电子的电荷和质量电子的经典半径的上限：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）2、电

13、子的大小、电子的大小*电子是一切原子的组成部分之一。电子是一切原子的组成部分之一。电荷：e=（1.60218920.0000040)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。)19 1.2 原子核式结构模型原子核式结构模型一、一、汤姆逊原子模型汤姆逊原子模型二、二、粒子散射实验粒子散射实验三、原子核式结构模型三、原子核式结构模型卢瑟福模型卢瑟福模型四、四、库仑散射库仑散射五、卢瑟福散射公式及实验验证五、卢瑟福散射公式及实验验证六、六、粒子散射实验的意义及卢瑟福模型的困难粒子散射实验的意义及卢瑟福模型的困难20 19

14、031903年英国科年英国科学家学家汤姆逊汤姆逊提提出出“葡萄干蛋葡萄干蛋糕糕”式原子模式原子模型或称为型或称为“西西瓜瓜”模型模型。汤姆逊正在进行实验汤姆逊正在进行实验一、一、汤姆逊原子模型汤姆逊原子模型21该模型对原子发光现象的解释：该模型对原子发光现象的解释：汤姆孙模型22二、二、粒子散射实验粒子散射实验检验汤姆逊模检验汤姆逊模型的正确性型的正确性目目的的原原理理带电粒子射向原带电粒子射向原子子,探测出射粒子探测出射粒子的角分布。的角分布。23(a)侧视图侧视图 (b)俯视图俯视图 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

15、C:光滑套轴光滑套轴 T:抽空抽空B的管的管 M:显微镜显微镜 实验装置和模拟实验实验装置和模拟实验24 大多数散射角很小，约大多数散射角很小，约1/80001/8000散射大散射大于于9090；极个别的散射角等于极个别的散射角等于180180。结结果果25 由于由于Mme,粒子受电子的力而引起的速度或方粒子受电子的力而引起的速度或方向改变很小向改变很小,可以忽略不计可以忽略不计 粒子在汤姆逊模型中的受力情况粒子在汤姆逊模型中的受力情况:26Fv vm)MeV(103)MeV(nm1.0MeVfm44.12v21/42v2425202max202KKEZEZmRZeppRRZetFpP+Ze按

16、照布丁按照布丁(西瓜西瓜)模型，原子只对掠过边界（模型，原子只对掠过边界（R R）的）的粒子有较大粒子有较大的偏转。的偏转。p27例如,EK=5.0 MeV，Z(金)=79，maxm（粒子质量）时粒子质量）时,可视为核不动可视为核不动,于是于是问题化为单质点问题化为单质点m在有心反平方库仑斥力作用下的运动问在有心反平方库仑斥力作用下的运动问题。题。33 我们关心从无限远来的我们关心从无限远来的 粒子（初态）经库仑力作用后又飞向无穷远粒子（初态）经库仑力作用后又飞向无穷远的运动状态（末态）。由机械能守恒有的运动状态（末态）。由机械能守恒有 Pf=Pi=mv 在作用区动量的变化在作用区动量的变化P

17、 P 可由库仑力的冲量定理给出可由库仑力的冲量定理给出dddtFdtFmppficoscos2sinv22sin2在有心力场中角动量守恒在有心力场中角动量守恒 ，将，将 代入上式积分代入上式积分bmmrLv222ctgab 称称库仑散射公式库仑散射公式。其中。其中2cos2v4cosv42sinv202212)(2)(0221beZZdbeZZm22121,42kKz z eaEmvEv34bZev222M042ctg2241220ctgMvZeb 35例题例题362.核大小的估算核大小的估算取轨道近日点距作为核大小的量度取轨道近日点距作为核大小的量度,在近日点有在近日点有 222221212

18、222221124241411cot1csc22222KmmmmmmZ Z eZ Z ebaLmvErmrrrraaaabrvmz1ez2erm 特别是当特别是当=，rm=a37mrrm=310-14m （金）（金）rm=1.2 10-14 m （铜）（铜）rm=2 10-14m （银）（银）P Po oc cR Ra a2 21 14 48 84 4mr)2/sin(11(241220Mvzerm放出的放出的 粒子，粒子，150理论仍然有效，理论仍然有效，V 0.064C 金薄箔金薄箔 Z=79，计算出：，计算出：38原子半径数量级为原子半径数量级为10-10米，原子核半径数量级为米，原子核

19、半径数量级为10-15-10-14米，相差米，相差4-5个数量级，面积相差个数量级，面积相差8-10个个数量级，体积相差数量级，体积相差12-15个数量级。若把原子放大个数量级。若把原子放大到足球场地那么大，则原子核相当于场地中心的到足球场地那么大，则原子核相当于场地中心的一个黄豆粒。可见原子中是非常空旷的。一个黄豆粒。可见原子中是非常空旷的。39库仑散射公式只在库仑力作用下才成立，在小角度散射下库仑散射公式只在库仑力作用下才成立，在小角度散射下,当当粒粒子进入原子中时子进入原子中时,由于内层电子对核的屏蔽作用由于内层电子对核的屏蔽作用,这时这时粒子感受粒子感受到非库仑力的作用到非库仑力的作用

20、,上公式不再成立；上公式不再成立；当当rm R核核r r时，核力作时，核力作用将影响散射，公式也不成立。用将影响散射，公式也不成立。考虑核的反冲运动时考虑核的反冲运动时,必须作两体问题处理，引入折合质量必须作两体问题处理，引入折合质量 可化为可化为在固定力心库仑场中的运动，故散射公式不变，但公式中在固定力心库仑场中的运动，故散射公式不变，但公式中 3.3.一些讨论一些讨论,MmmM)(2214,2ctg2ckcccEeZZaab 散射公式为散射公式为cKLKEE)()(的关系为的关系为和和cLc)()()(质心系质心系动能ccKKEE)()(1cKLKEMmE40例题例题4142 1.卢瑟福散

21、射公式的推导卢瑟福散射公式的推导 2.卢瑟福散射公式的实验验证卢瑟福散射公式的实验验证 五、卢瑟福散射公式及实验验证五、卢瑟福散射公式及实验验证431.卢瑟福散射公式的推导卢瑟福散射公式的推导 实验并不能观测单个实验并不能观测单个 粒子的散射过程。卢瑟福散粒子的散射过程。卢瑟福散射实验是将放射源（如射实验是将放射源（如214Po）在单位时间内放出）在单位时间内放出的的n个个 粒子均匀射向面积粒子均匀射向面积为为A的靶面上，经核库仑力的靶面上，经核库仑力一次散射在一次散射在方向上，其中方向上，其中有有dn个个粒子散射在粒子散射在 +d圆锥壳内，并被接圆锥壳内，并被接收探测收探测，所以可测量是，所

22、以可测量是dn/n百分比或几率（见图）百分比或几率（见图）44卢卢瑟瑟福福散散射射公公式式d d=2=2 b b dbdb dMvZed2sin2cos241322220452sin41422220dMvZedrdrsinddrrdrd2cos2sin4sin2sin22卢瑟福的散射公式卢瑟福的散射公式46 是入射粒子被一个靶原子散射到是入射粒子被一个靶原子散射到 之间的那么一之间的那么一个立体角内的散射截面，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。若散射方向

23、限于极小的立体角 范围内，则定义范围内，则定义微分散射截面微分散射截面如下：如下：dd 2141422220SinMvZedd散射截面和微分散射截面：散射截面和微分散射截面：微分散射截面微分散射截面()，代表靶面内每个靶核将入射粒子代表靶面内每个靶核将入射粒子散射在散射在方向方向单位立体角内的几率单位立体角内的几率。47五、卢瑟福理论的实验验证五、卢瑟福理论的实验验证NAtddNtdAdndn设薄膜靶的面积为设薄膜靶的面积为A,厚度为厚度为t,原子密度为原子密度为N则薄膜中的原子数为则薄膜中的原子数为:N=NAt总散射截面是总散射截面是:48222240412MvZeNntSinddn2141

24、422220SinMvZeNntddn ddndnd49(2)用同一用同一 粒子源和同一种材粒子源和同一种材 料的散射物，在同一散射角料的散射物，在同一散射角，dndt(3)用同一个散射物，用同一个散射物，在同一个散射角，在同一个散射角，4vdnd常数常数(4)用同一个用同一个 粒子源，在同粒子源，在同 一个散射角，对同一一个散射角，对同一Nt值，值，Z2 dnd（1）在同一）在同一 粒子源和同粒子源和同一散射物的情况下一散射物的情况下24Sindnd常数常数222240412MvZeNntSinddn50（度）（度）dn 1/sin(/2)dn sin4(/2)150 33.1 1.15 2

25、8.833.1 1.15 28.8 135 43.0 1.38 31.2 135 43.0 1.38 31.2 120 51.9 1.79 29.0 120 51.9 1.79 29.0 105 69.5 2.53 27.5 105 69.5 2.53 27.5 75 211 7.25 29.1 75 211 7.25 29.1 60 477 16.0 29.8 45 1 435 46.6 30.8 31.5 3 300 93.7 35.3 30 7 800 223 35.0 22.5 27 300 690 39.6 15 132 000 3 445 38.4 v-4的相对值的相对值 闪烁数闪

26、烁数dn (dn)v4 1.0 24.7 25 1.21 29.0 24 1.50 33.4 22 1.91 44 23 2.84 81 28 4.32 101 23 9.22 255 28 铜铜 银银 铂铂 原子序数原子序数 29 47 78 原子正电核数测定原子正电核数测定 29.3 46.3 77.451 a.卢瑟福散射公式是库仑作用力的结果，任何非卢瑟福散射公式是库仑作用力的结果，任何非库仑作用都将失效。库仑作用都将失效。b.散射公式是在靶核不动前提下给出的，若考虑散射公式是在靶核不动前提下给出的，若考虑靶核的反冲运动，需作相应的修正靶核的反冲运动，需作相应的修正,(EK EK(c),

27、c)。几点说明：几点说明：NAtddc.仅对薄靶才有效仅对薄靶才有效。d.大角散射是一次散射的结果。仅对大角散射是一次散射的结果。仅对 大角大角(45)有有效。当效。当45 时时,理论与实验偏离很大。理论与实验偏离很大。52六、六、粒子散射实验的意义及卢瑟福模粒子散射实验的意义及卢瑟福模型的困难型的困难 1 1、通过实验解决了原子中正、负电荷的排布问题，建立了一、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荷集中 在核上，提出了以核为中心的概念，从而将原子分为在核上，提出了以核

28、为中心的概念，从而将原子分为核外与核核外与核 内两部分，并且认识到高密度的原子核的存在，在内两部分，并且认识到高密度的原子核的存在，在原子物理学原子物理学 中起了重要作用。中起了重要作用。（一）意义：（一）意义：2 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近代物理实验奠定了基础，对近代物理有着巨大的影响。3 3、粒子散射实验还为材料分析提供了一种手段粒子散射实验还为材料分析提供

29、了一种手段。53（二）困难（二）困难1、原子稳定性问题、原子稳定性问题2、原子的同一性问题、原子的同一性问题3、原子的再生性问题、原子的再生性问题4、原子线状光谱问题、原子线状光谱问题54 一、汤姆逊原子模型一、汤姆逊原子模型 二、二、粒子散射实验粒子散射实验 三、三、粒子散射理论粒子散射理论 四、卢瑟福原子模型四、卢瑟福原子模型 五、原子核半径的估算五、原子核半径的估算 六、对六、对 粒子散射实验的说明粒子散射实验的说明 七、七、粒子散射实验的意义及卢瑟福模型的粒子散射实验的意义及卢瑟福模型的困难困难小小 结结551.3 1.3 同位素同位素 同位素定义同位素定义:同位素是指原子序数相同，而

30、质同位素是指原子序数相同，而质量数不同的各种原子量数不同的各种原子.其他定义其他定义:质子数相同质子数相同,中子数不同的元素就中子数不同的元素就叫同位素叫同位素.特点特点:相同的化学性质，在周期表中处于同一相同的化学性质，在周期表中处于同一地位地位56 几种元素的同位素几种元素的同位素57 同位素的质量和相对含量可由光谱学的方法加以测量。另有一类利用磁场和电场对离子径迹的作用和方法，这样的装置的仪器称作质谱仪和质谱计。前者主要是测量各种同位素的质量的，也可以从而估计含量；后者主要是用来辨认同位素和测量含量的。58同位素应用同位素应用:PET（Positron Emission Tomograp

31、hy）正电子发射断层成像正电子发射断层成像 原理原理:利用加速器生产的超短半衰期同位素利用加速器生产的超短半衰期同位素标志化合物（小分子），作为示踪剂注入标志化合物（小分子），作为示踪剂注入人体人体,参与体内的生理生化代谢过程参与体内的生理生化代谢过程 光谱同位素效应光谱同位素效应:因同位素核质量的因同位素核质量的不同使原子或分子的能级发生变化，不同使原子或分子的能级发生变化，从而引起光谱谱线位移，这一效应从而引起光谱谱线位移，这一效应不仅用于分析同位素，更重要的是不仅用于分析同位素，更重要的是用于研究分子结构用于研究分子结构 动力学同位素效应动力学同位素效应:同位素的取代使同位素的取代使反应

32、物的能态发生变化，可引起化学反应物的能态发生变化，可引起化学反应速率的差异。此效应能用于分离反应速率的差异。此效应能用于分离同位素、研究化学反应机理和溶液理论同位素、研究化学反应机理和溶液理论 59思思 考考 题题（1）简述卢瑟福原子核模型的要点。）简述卢瑟福原子核模型的要点。（2）简述）简述粒子散射实验粒子散射实验.粒子大角散射的结果说粒子大角散射的结果说明了什么？明了什么？（3）什么是微分散射截面？简述其物理意义。）什么是微分散射截面？简述其物理意义。（4）简述卢瑟福对原子结构的贡献，说明原子有）简述卢瑟福对原子结构的贡献，说明原子有核模型的地位和困难。核模型的地位和困难。60作业作业（2）褚书第一章习题：）褚书第一章习题：1、2、3、4、7。