《原子的核式结构》PPT课件.ppt

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1、 1、 汤 姆 孙 原 子 结 构 模 型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 难原 子 的 核 式 结 构 、 卢 瑟 福 散 射 理 论 汤 姆 孙 原 子 结 构 模 型 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 .” 图 汤 姆 逊 正 在 进 行 实 验 电 子 的

2、 发 现 并 不 是 偶 然 的 ， 在 此 之 前 已 有 丰 富 的 积 累 。 1811年 ， 阿 伏 伽 德 罗 （ A.Avogadno） 定 律 问 世 ， 提 出 1mol任 何原 子 的 数 目 都 是 NA 个 。1833年 ， 法 拉 第 （ M.Faraday） 提 出 电 解 定 律 ， 1mol任 何 原子 的 单 价 离 子 永 远 带 有 相 同 的 电 量 -即 法 拉 第 常 数 ，1874年 ， 斯 迪 尼 （ G.T.Stoney） 综 合 上 述 两 个 定 律 ， 指 出 原子 所 带 电 荷 为 一 个 电 荷 的 整 数 倍 ， 这 个 电 荷 是

3、 斯 迪 尼 提 出 ，用 “ 电 子 ” 来 命 名 这 个 电 荷 的 最 小 单 位 。 但 实 际 上 确 认 电 子的 存 在 ， 却 是 20多 年 后 汤 姆 逊 （ J.J.Thomson） 的 工 作 ； 1897年 ， 汤 姆 逊 （ J.J.Thomson） 发 现 电 子 ： 通 过 阴 极 射 线管 中 电 子 荷 质 比 的 测 量 ， 汤 姆 逊 （ J.J.Thomson） 预 言 了 电子 的 存 在 。1897年 德 国 (w.kaufman)做 了 类 似 实 验 ,测 定 的 e/m远 比 汤 姆 逊要 精 确 ,与 现 代 值 相 差 1 ,同 时 还

4、 观 察 到 e/m随 电 子 的 速 度 的改 变 而 改 变 .但 他 没 有 勇 气 发 表 这 些 结 果 ,直 到 1901年 才 将 结果 公 布 . 图 2 阴 极 射 线 实 验 装 置 示 意 图加 电 场 E后 ， 射 线 偏 转 ， 阴 极 射 线 带 负 电 。再 加 磁 场 H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 。 qEBq BE / rmBq /2 2/ rBEmq 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

5、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。质 量 最 轻 的 氢 原 子 ： 1.673 10 -27kg原 子 质 量 的 数 量 级 ： 10-27kg10-25kg0NAM A 310 )4 3( NAr A： 以 克 为 单 位 时 ,一 摩 尔 原 子 的 质 量 . 。 N0: 阿 伏 加 德 罗 常数 。 (6.0221023/mol)原 子

6、的 半 径 10-1 m（ 0.1nm） 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 。 卢 瑟 福 1871年 8月 30日 生 于

7、 新 西 兰 的纳 尔 逊 ， 毕 业 于 新 西 兰 大 学 和 剑 桥 大 学 。1898年 到 加 拿 大 任 马 克 歧 尔 大 学 物 理学 教 授 ， 达 9年 之 久 ， 这 期 间 他 在 放 射性 方 面 的 研 究 ， 贡 献 极 多 。 1907年 ， 任曼 彻 斯 特 大 学 物 理 学 教 授 。 1908年 因 对放 射 化 学 的 研 究 荣 获 诺 贝 尔 化 学 奖 。1919年 任 剑 桥 大 学 教 授 ， 并 任 卡 文 迪 许实 验 室 主 任 。 1931年 英 王 授 予 他 勋 爵 的桂 冠 。 1937年 10月 19日 逝 世 。 一 盖 革

8、 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 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 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

9、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 。 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 的 话 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 rR时 ， 原 子 受 的 库 仑 斥 力 为 ：当 rR时 ， 原 子

10、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 。 2 20 24 1 rZeF rRZeF 320 24 1 220max 24 1 RZeF 粒 子 受 原 子 作 用 后 动 量 发 生 变 化 ：最 大 散 射 角 ： RVZetFp 0 2max 44 20 20 2 4 44 4 VRMZeVRVMZepptg 410 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

11、重 新 寻 找 原 子 的 结 构 模 型 。解 决 方 法 ： 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 。 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

12、 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 粒 子 散 射 实 验 。三 卢 瑟 福 的 核 式 模 型 1

13、 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 bZeEbZeMctg k20220 4242 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 ： b是 微 观 量 ， 至 今 还 不 可 控 制 ， 在 实 验 中 也 无法 测 量 ， 所

14、以 这 个 公 式 还 不 可 能 和 实 验 值 直 接 比 较 。 库 仑 散 射 公 式 对 核 式 模 型 的 散 射 情 形 作 了 理 论 预 言 ，它 是 否 正 确 只 有 实 验 能 给 出 答 案 ， 但 目 前 瞄 准 距 离 b仍 然 无 法 测 量 。 因 此 必 须 设 法 用 可 观 察 的 量 来 代 替 b，才 能 进 行 相 关 实 验 。卢 瑟 福 完 成 了 这 项 工 作 ， 并 推 导 出 了 著 名 的 卢 瑟 福 公 式 2 卢 瑟 福 散 射 公 式环 形 面 积 ：b dbb d问 题 ： 环 形 面 积 和 空 心 圆 锥 体的 立 体 角

15、 之 间 有 何 关 系 呢 ?bdbd 2 dMvZe 23222220 sincos)2()4 1(空 心 锥 体 的 立 体 角 ： ddd 22cossin4sin2 d与 d的 对 应 关 系 ： 2422220 sin)()4 1( dMVZed公 式 的 物 理 意 义 ： 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 bb-db之 间 的 d这 个 环 形 带 上 。d称 为 有 效 散 射 截 面 (膜 中 每 个 原 子 的 )， 又 称 为 微 分 截 面 。bZeEbZeMctg k20220 4242 近 似

16、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 。 设 有 一 薄 膜 ， 面 积 为 A， 厚 度 为 ， 单 位 体 积 内 的 原子 数 为 N， 则 薄 膜 中 的 总 原 子 数 是 ： NAtN 则 N个 原 子 把 粒 子 散 射 到 d中 的 总 有 效 散 射 截 面 为 ： NAtddNd An ddn NtdAdndn nNtdnd 所 以 d也 代 表 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 d的 物 理 意 义 。 将 卢 瑟 福 散 射

17、公 式 代 入 并 整理 得 ： d nNtMVZeddn 2222024 )()4 1(sin 五 、 卢 瑟 福 理 论 的 实 验 验 证 从 上 式 可 以 预 言 下 列 四 种 关 系 ：（ 1） 在 同 一 粒 子 源 和 同 一 散 射 物 的 情 况 下(2) 用 同 一 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 粒 子 源 ， 在 同 一 个 散 射 角 ， 对 同 一 Nt值 ， ddndnd nNtMVZeddn 2222024 )()

18、4 1(sin 常 数 24 Sindnd t d n d 常 数 4vdnd 2 Z d n d 年 盖 革 马 斯 顿 实 验 ， 查 德 维 克 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 mrZeMVMV 0222 422121 mrMVMVb )2/sin(11(24 1 22 0 MvzermR =3 10-14 m （ 金 ） R =1.2 10-14 m （ 铜 ） 10-14 m 10-15 m 1、 最 重 要 意 义 是 提 出 了 原 子 的 核 式 结 构 ，即 提 出 了

19、 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 。3、 粒 子 散 射 实 验 还 为 材 料 分 析 提 供 了 一 种 手 段 。 卢 瑟 福 模 型 提 出 了 原 子 的 核 式 结 构 ， 在 人 们 探 索 原 子 结 构的 历 程 中 踏 出 了 第 一 步 ， 可 是 当 我 们 进 入 原 子 内 部 准 备 考 察 电子 的 运 动 规 律 时 ， 却 发 现 了 与 已 建 立 的 物 理 规 律 不 一 致 的 现 象 。1.原 子 的 稳 定 性 经 典 物 理 学 告 诉

20、我 们 ， 任 何 带 电 粒 子 在 作 加 速 运 动 的 过 程 中 都要 以 发 射 电 磁 波 的 方 式 放 出 能 量 ， 那 么 电 子 在 绕 核 作 加 速 运 动的 过 程 就 会 不 断 地 向 外 发 射 电 磁 波 而 不 断 失 去 能 量 ， 以 致 轨 道半 径 越 来 越 小 ， 最 后 湮 没 在 原 子 核 中 ， 并 导 致 原 子 坍 缩 。 然 而实 验 表 明 原 子 是 相 当 稳 定 的 。 （ 二 ） 困 难1、 原 子 稳 定 性 问 题2、 原 子 线 状 光 谱 问 题 八 、 原 子 的 大 小核 式 结 构 原 子 由 原 子 核

21、 及 核 外 电 子 组 成1、 原 子 核 半 径 10-14 m (fm)原 子 的 半 径 10-1 m（ 0.1nm） 2、 电 子 半 径 10-1 m2.原 子 的 同 一 性 任 何 元 素 的 原 子 都 是 确 定 的 ， 某 一 元 素 的 所 有 原 子 之 间 是 无 差别 的 ， 这 种 原 子 的 同 一 性 是 经 典 的 行 星 模 型 无 法 理 解 的 。 3.原 子 的 再 生 性 一 个 原 子 在 同 外 来 粒 子 相 互 作 用 以 后 ， 这 个 原 子 可 以 恢 复 到 原来 的 状 态 ， 就 象 未 曾 发 生 过 任 何 事 情 一 样

22、 。 原 子 的 这 种 再 生 性 ，是 卢 瑟 福 模 型 所 无 法 说 明 的 . 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 ? 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