第一章 原子的核式結(jié)構(gòu)
?§1.1原子和電子
?§1.2 原子的核式結(jié)構(gòu)
§1.1 原子和電子
一、原子
科學(xué)的發(fā)展不僅證實(shí)了原子的存在，也使人類獲得豐富的關(guān)于原子的知識，原子并不是像某些古代人想象的那樣是簡單而又不可分割的，它有著復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動形式。
1、原子的概念
（1）遠(yuǎn)在兩千多年前，古希臘哲學(xué)家德膜克利特
（Democritus)提出“原子”這 個概念，意思是
“不可分割的”，并 把它作為物質(zhì)的最小單元
（2）19世紀(jì)初期，道爾頓(J.Dalton)提出原子學(xué)說：
（ 3）現(xiàn)在原子的概念，基本沿用道耳頓的學(xué)說，
它 是化學(xué)反應(yīng)中不可分割的微粒。
道爾頓(J.Dalton)提出的原子學(xué)說：
? （i) 一定質(zhì)量的某種元素，由極大數(shù)目的該元素
的原子構(gòu)成。
? （ii) 每種元素的原子，都具有相同的質(zhì)量，不同
元素的原子，質(zhì)量各不相同。
? （iii) 兩種可以化合的元素，它們的原子可能按幾
種比率化合成幾種化合物的分子。
2、原子的質(zhì)量
? （1） 不同的原子有不同的質(zhì)量
? （2） 原子質(zhì)量單位：碳單位
（3） 原子質(zhì)量的相對值：
(4) 原子質(zhì)量的絕對值
? A：以克為單位時,一摩爾原子的質(zhì)量 。
N0: 阿伏加德羅常數(shù)。(6.022%1023/mol)
3、原子的大小
固體和液體：
氣體：
N：單位體積的原子數(shù)目
：平均自由程。
表1.1幾種元素原子半徑的大小
二、電子
1897年，湯姆遜通過陰極射線管的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電子，并進(jìn)一步測出了電子的荷質(zhì)比:e/m
湯姆遜被譽(yù)為:
“一位最先打開通向基本粒子物理學(xué)大門的偉人?！?/strong>
*電子的發(fā)現(xiàn) 導(dǎo)致了原子物理這門學(xué)科的誕 生。
湯姆遜正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)
1、電子的電荷和質(zhì)量
電荷：e =（4.803242 ± 0.000014)′10-10esu 或 ：e =（1.6021892±0.0000040)′10-19c 質(zhì)量：me= (9.109534 ±0.00049)′10-31kg
( 電子的質(zhì)量隨速度變化，
但電量不隨速度變化。)
2、電子的大小
電子的經(jīng)典半徑的上限：
re=(2.8179380 ±0.0000070)′10-15m
（這是根據(jù)電子質(zhì)量起源于電磁場的
假設(shè)求得的電子半徑）
*
電子是一切原子的組成部分之一。§1.2 原子的核式結(jié)構(gòu) (盧瑟福模型)
原子決不能被看作簡單的東西或已知的最小的實(shí)物粒子。
- 恩格斯（1882）
? 一、湯姆遜原子模型
? 二、盧瑟福原子模型
? 三、a粒子散射實(shí)驗(yàn)
? 四、a粒子散射理論
? 五、盧瑟福理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
? 六、原子核半徑的估算
? 七、對a粒子散射實(shí)驗(yàn)的說明
? 八、a粒子散射實(shí)驗(yàn)的意義及盧瑟福模型的困難
一、 湯姆遜原子模型
1903年英國科學(xué)家湯姆遜提出 “葡萄干蛋糕”式原子模型或稱為“西瓜”模型。
湯姆遜正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)
該模型對原子發(fā)光現(xiàn)象的解釋
二、
盧瑟福原子模型
蓋革（左）和盧瑟福在實(shí)驗(yàn)室
1909年湯姆遜的學(xué)生盧瑟福通過實(shí)驗(yàn)否定了湯姆遜模型,建立了盧瑟福原子模型。
三、a粒子散射實(shí)驗(yàn)
目的檢驗(yàn)湯姆遜模型的正確性
原理檢驗(yàn)湯姆遜模型的正確性
實(shí)驗(yàn)裝置和模擬實(shí)驗(yàn)
? R:放射源
? F:散射箔
? S:閃爍屏
?
B:圓形金屬匣
( a) 側(cè)視圖 (b) 俯視圖
按湯姆遜模型從理論上預(yù)言:
散射角大于3°的比1%少得多；
散射角大于90°的約為10-3500。
10-3500 ---------- 1/8000
結(jié)果：大多數(shù)散射角很小，約1/8000散射大于90°；
? 極個別的散射角等于180°。
結(jié)論：正電荷集中在原子中心。
用盧瑟福自己的話說:
“這是我一生中從未有過的最難以置信的事件，它的難以置信好比你對一張白紙射出一發(fā)15英寸的炮彈，結(jié)果卻被頂了回來打在自己身上，而當(dāng)我做出計算時看到，除非采取一個原子的大部分質(zhì)量集中在一個微小的核內(nèi)的系統(tǒng)，是無法得到這種數(shù)量級的任何結(jié)果的，這就是我后來提出的原子具有體積很小而質(zhì)量很大的核心的想法。”
原子核式結(jié)構(gòu)模型
原子序數(shù)為Z的原子的中心,有一個帶正電荷的核(原子核),它所帶的正電量Ze ,它的體積極小但質(zhì)量很大,幾乎等于整個原子的質(zhì)量,正常情況下核外有Z個電子圍繞它運(yùn)動。
四、 粒子散射理
論
建立在原子的核式結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)之上，并且假設(shè)：
1、 忽略電子的作用，因?yàn)椋?/span>
2、 粒子和原子核看成點(diǎn)電荷，兩者之間的作用
3、大角散射是一次散射結(jié)果。
4、原子核不動，m核>>m （如不做這一假定，粒子的質(zhì)量應(yīng)采用折合質(zhì)量)
庫侖散射
盧瑟福散射公式
ds=2pb ? db ?
散射截面和微分散射截面：
是入射粒子被一個靶原子散射到 之間的那么一個立體角內(nèi)的散射截面，它表示每個靶原子對散射的貢獻(xiàn)，稱為一個原子的散射截面或有效截面。若散射方向限于極小的立體角范圍內(nèi)，則定義微分散射截面如下：
對薄箔，可通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的公式
五、盧瑟福理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
從公式
可以預(yù)言下列四種關(guān)系：
（1）在同一a 粒子源和同一散射物的情況下
(2) 用同一a粒子源和同一種材料的散射物，在同一散射角，
(3) 用同一個散射物，在同一個散射角，
(4) 用同一個a粒子源，在同一個散射角，對同一Nt值，
六、原子核半徑的估算
放出的a粒子，q~150°理論仍然有效，Va~0.064C 金薄箔 Z=79 ，計算出：
rm=3×10-14m （金）
rm=1.2 ×10-14 m （銅）
rm=2 ×10-14m （銀）
七、對a粒子散射實(shí)驗(yàn)的說明
（1）僅對薄靶才有效
（2）大角散射是一次散射的結(jié)果。僅對大角(θ>45°)有效。當(dāng)θ<45°時,理論與實(shí)驗(yàn)偏離很大。
八、a粒子散射實(shí)驗(yàn)的意義 及盧瑟福模型的困難
（一）意義：
1、通過實(shí)驗(yàn)解決了原子中正、負(fù)電荷的排布問題，建立了一個與實(shí)驗(yàn)相符的原子結(jié)構(gòu)模型，使人們認(rèn)識到原子中的正電荷集中在核上，提出了以核為中心的概念，從而將原子分為核外與核內(nèi)兩部分，并且認(rèn)識到高密度的原子核的存在，在原子物理學(xué)中起了重要作用。
2、 a粒子散射實(shí)驗(yàn)為人類開辟了一條研究微觀粒子結(jié)構(gòu)的新途徑，以散射為手段來探測，獲得微觀粒子內(nèi)部信息的方法，為近代物理實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)，對近代物理有著巨大的影響。
3、a粒子散射實(shí)驗(yàn)還為材料分析提供了一種手段。
（二）困難
1、原子穩(wěn)定性問題
2、原子線狀光譜問題
小結(jié)
? 一、湯姆遜原子模型
? 二、盧瑟福原子模型
? 三、粒子散射實(shí)驗(yàn)
? 四、粒子散射理論
? 五、盧瑟福理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
? 六、原子核半徑的估算
? 七、對a粒子散射實(shí)驗(yàn)的說明
? 八、a粒子散射實(shí)驗(yàn)的意義及盧瑟福模型的困難
