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1、原原 子子 物物 理理 學(xué)學(xué) u第一章第一章 原子的位型原子的位型:盧瑟福原子模型盧瑟福原子模型 u第二章第二章 原子的量子態(tài)原子的量子態(tài):玻爾模型玻爾模型 u第三章第三章 原子的精細結(jié)構(gòu)原子的精細結(jié)構(gòu):電子自旋電子自旋 u第四章第四章 多電子原子多電子原子:泡利原理泡利原理u第五章第五章 X X射線射線u第六章第六章 原子核物理概論原子核物理概論第一章第一章 原子的位型原子的位型:盧瑟福原子模型盧瑟福原子模型 1-1 1-1 背景知識背景知識1-2 1-2 盧瑟福模型的提出盧瑟福模型的提出1-3 1-3 盧瑟福散射盧瑟福散射公式公式 1-4 1-4 盧盧瑟福公式瑟福公式的實驗驗證的實驗驗證1

2、-5 1-5 行星模型的意義及困難行星模型的意義及困難 1-1 1-1 背景知識背景知識1.1.電子的發(fā)現(xiàn)電子的發(fā)現(xiàn)2.2.電子的電荷和質(zhì)量電子的電荷和質(zhì)量3.3.原子的大小原子的大小u湯姆遜陰極射線實驗湯姆遜陰極射線實驗 實驗裝置實驗裝置 陰極射線陰極射線(C)C)狹縫狹縫(A,B)A,B)金屬板金屬板(D,E)D,E)熒光屏熒光屏 D,ED,E加電場加電場 射線射線P P1 1 P P2 2 陰極射線帶負電陰極射線帶負電 再再加磁場加磁場 射線射線P P2 2 P P1 1 HevHev=EeEe v v=E/H=E/H 去掉去掉電場電場 射線半徑射線半徑r r mvmv2 2/r/r=H

3、ev Hev e/me/m=v/Hr=v/Hr 1-1-1 1-1-1 電子電子的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)1-1-2 1-1-2 電子的電荷和質(zhì)量電子的電荷和質(zhì)量(1)(1)u密立根油滴實驗密立根油滴實驗(1)(1)測得電子電量為：測得電子電量為：e e=1.6=1.61010-19-19 C(C(庫侖庫侖)電子質(zhì)量電子質(zhì)量 m me e =9.1=9.11010-31-31 kgkg 密立根首次發(fā)現(xiàn)了密立根首次發(fā)現(xiàn)了電荷的量子化電荷的量子化 電荷只能是電荷只能是 e 的整數(shù)倍的整數(shù)倍 若知若知H H+(質(zhì)子）的荷質(zhì)比質(zhì)子）的荷質(zhì)比 1-1-2 1-1-2 電子的電荷和質(zhì)量電子的電荷和質(zhì)量(2)(2)u密立

4、根油滴實驗密立根油滴實驗(2)(2)原子呈中性，原子中具有帶負電的電子，原子呈中性，原子中具有帶負電的電子，必定有帶正電的物質(zhì)必定有帶正電的物質(zhì)(對于氫原子，這對于氫原子，這 種帶正電荷的物質(zhì)稱為種帶正電荷的物質(zhì)稱為質(zhì)子質(zhì)子)原子原子=正電物質(zhì)正電物質(zhì)+負電物質(zhì)負電物質(zhì)+不帶電物質(zhì)不帶電物質(zhì)1-1-2 1-1-2 電子的電荷和質(zhì)量電子的電荷和質(zhì)量(3)(3)u原子質(zhì)量單位原子質(zhì)量單位 uu 1 1 uu 1 1個個1212C C 原子質(zhì)量原子質(zhì)量/12/12 原子質(zhì)量原子質(zhì)量 M MA A uu=原子量原子量 uu=A uA u 1-1-3 1-1-3 原子的大小原子的大小u原子半徑原子半徑

5、一個原子體積一個原子體積=一一個個原子的原子的質(zhì)質(zhì)量量/原子原子質(zhì)質(zhì)量密度量密度=原子半徑原子半徑 r r=數(shù)量級：數(shù)量級：r r 10 10-10-10 m=1 m=1 1-2 1-2 盧瑟福模型的提出盧瑟福模型的提出1.1.原子正負電荷如何分布原子正負電荷如何分布?2.2.粒子散射實驗粒子散射實驗3.3.解釋解釋 粒子散射實驗粒子散射實驗1-2-1 1-2-1 原子正負電荷如何分布原子正負電荷如何分布?(1)?(1)u湯湯姆姆遜遜原子模型原子模型 正電荷均勻分布在整個原子球體內(nèi)，正電荷均勻分布在整個原子球體內(nèi)，電電子子鑲鑲嵌在其中（同心球殼上）。嵌在其中（同心球殼上）。u盧瑟福的核型瑟福的

6、核型結(jié)構(gòu)模型構(gòu)模型原子是由帶正電的原子核和核外原子是由帶正電的原子核和核外原子是由帶正電的原子核和核外原子是由帶正電的原子核和核外作軌道運動的電子組成作軌道運動的電子組成作軌道運動的電子組成作軌道運動的電子組成1-2-2 1-2-2 粒子散射實驗(1)(1)實驗裝置1-2-2 1-2-2 粒子散射實驗粒子散射實驗(2)(2)u實驗結(jié)果：實驗結(jié)果：絕大多數(shù)絕大多數(shù) 粒粒子子散射角散射角：2 2 -3-3 1/80001/8000的的 粒子散射角：粒子散射角：90 90u 奇怪奇怪 相當于炮彈被一張紙反彈回來一樣！相當于炮彈被一張紙反彈回來一樣！1-2-3 1-2-3 解釋解釋 粒子散射實驗粒子散

7、射實驗(1)(1)u帶正電物質(zhì)散射（湯氏模型）帶正電物質(zhì)散射（湯氏模型）(1)(1)原子的正電荷原子的正電荷ZeZe對入射的對入射的 粒子粒子(2(2e)e)產(chǎn)生的力產(chǎn)生的力Rr原子半徑帶正電物質(zhì)散射（湯氏模型）帶正電物質(zhì)散射（湯氏模型）(2)(2)正電荷正電荷Ze對對 粒子粒子(2(2e)e)的最大力的最大力散射角散射角動量的變化動量的變化力乘以粒子在力乘以粒子在原子度過的時間原子度過的時間2R/v1-2-3 1-2-3 解釋解釋 粒子散射實驗粒子散射實驗(2)(2)pp1-2-3 1-2-3 解釋解釋 粒子散射實驗粒子散射實驗(3)(3)u帶正電物質(zhì)散射（湯氏模型）帶正電物質(zhì)散射（湯氏模型

8、）(3)(3)相對動量的變化相對動量的變化R1-2-3 1-2-3 解釋解釋 粒子散射實驗粒子散射實驗(4)(4)帶正電物質(zhì)散射（湯氏模型）帶正電物質(zhì)散射（湯氏模型）(4)(4)電子對電子對粒子的偏轉(zhuǎn)的貢獻（粒子的偏轉(zhuǎn)的貢獻（對頭撞對頭撞）(1)(1)動量、動能守恒動量、動能守恒 入射的 粒子散射后的 粒子散射后的電子1-2-3 1-2-3 解釋解釋 粒子散射實驗粒子散射實驗(5)(5)帶正電物質(zhì)散射（湯氏模型）帶正電物質(zhì)散射（湯氏模型）(5)(5)電子對電子對粒子的偏轉(zhuǎn)的貢獻（粒子的偏轉(zhuǎn)的貢獻（對頭撞對頭撞）(2)(2)電子引起粒子的偏轉(zhuǎn)角非常小可以說幾乎沒有什么貢獻1-2-3 1-2-3

9、解釋解釋 粒子散射實驗粒子散射實驗(6)(6)u帶正電物質(zhì)散射（湯氏模型）帶正電物質(zhì)散射（湯氏模型）(6)(6)粒子對金的散射角粒子對金的散射角 一次散射的散射角一次散射的散射角 重復(fù)散射也不會重復(fù)散射也不會產(chǎn)產(chǎn)生大角度生大角度 重重復(fù)復(fù)散散射射為為隨隨機機,平平均均之之后后不不會會朝朝一一個個方方向向特特別別不不會會穩(wěn)穩(wěn)定定地地朝朝某一方向散射某一方向散射 湯湯姆姆遜遜原子模型與原子模型與實驗實驗不符不符!Z=791-3 1-3 盧瑟福散射盧瑟福散射公式公式1.1.庫侖散射公式的推導(dǎo)庫侖散射公式的推導(dǎo) 2.2.盧瑟福公式的推導(dǎo)盧瑟福公式的推導(dǎo) 1-3-1 1-3-1 庫侖散射公式的推導(dǎo)庫侖散

10、射公式的推導(dǎo)(1)(1)u遠離靶核的入射能量遠離靶核的入射能量E E,電荷電荷Z Z1 1e e的帶電粒子與電荷的帶電粒子與電荷Z Z2 2e e的靶核散射的靶核散射瞄準距離碰撞參數(shù)散射角1-3-1 1-3-1 庫侖散射公式的推導(dǎo)庫侖散射公式的推導(dǎo)(2)(2)u庫侖散射公式庫侖散射公式庫侖散射因子1-3-1 1-3-1 庫侖散射公式的推導(dǎo)庫侖散射公式的推導(dǎo)(3)(3)u假定：假定：1.1.單次散射單次散射2.2.點電荷，庫侖相互作用點電荷，庫侖相互作用3.3.核外電子的作用可略核外電子的作用可略4.4.靶原子核靜止（靶核重，晶體結(jié)構(gòu)牢固）靶原子核靜止（靶核重，晶體結(jié)構(gòu)牢固）1-3-1 1-3-

11、1 庫侖散射公式的推導(dǎo)庫侖散射公式的推導(dǎo)(4)(4)u推導(dǎo)庫侖散射公式推導(dǎo)庫侖散射公式中心力角動量守恒1-3-1 1-3-1 庫侖散射公式的推導(dǎo)庫侖散射公式的推導(dǎo)(5)(5)1-3-1 1-3-1 庫侖散射公式的推導(dǎo)庫侖散射公式的推導(dǎo)(6)(6)1-3-1 1-3-1 庫侖散射公式的推導(dǎo)庫侖散射公式的推導(dǎo)(7)(7)b ;b;b 1-3-2 1-3-2 盧瑟福公式的推導(dǎo)盧瑟福公式的推導(dǎo)(1)(1)a粒子粒子:b b+db -d 粒子粒子:bb+db 圓環(huán)圓環(huán)面積面積 -d空心空心圓錐體圓錐體 粒子打在環(huán)上的幾率?1-3-2 1-3-2 盧瑟福公式的推導(dǎo)盧瑟福公式的推導(dǎo)(2)(2)u靶靶(薄箔薄

12、箔)厚厚t t,面積面積A A，數(shù)密度數(shù)密度n n，質(zhì)質(zhì)量密度量密度 u環(huán)環(huán)面積面積u 粒子打在環(huán)上的幾率粒子打在環(huán)上的幾率1-3-2 1-3-2 盧瑟福公式的推導(dǎo)盧瑟福公式的推導(dǎo)(3)(3)u空心圓錐體的立體角空心圓錐體的立體角 d 1-3-2 1-3-2 盧瑟福公式的推導(dǎo)盧瑟福公式的推導(dǎo)(4)(4)u薄箔內(nèi)有許多薄箔內(nèi)有許多環(huán)環(huán):核核 環(huán)環(huán);u薄箔體積薄箔體積:AtAt;薄箔薄箔環(huán)數(shù)環(huán)數(shù):AtnAtnu 粒子打在粒子打在AtnAtn環(huán)上環(huán)上,散射角散射角 相同相同u一個一個 粒子打在粒子打在薄箔薄箔 上被散射到上被散射到 -d-d 的幾率的幾率1-3-2 1-3-2 盧瑟福公式的推導(dǎo)盧瑟福

13、公式的推導(dǎo)(5)(5)uN個個 粒子打在粒子打在薄箔薄箔上測量到上測量到 -d 的粒子數(shù)粒子數(shù)u微分截面微分截面(盧瑟福公式盧瑟福公式)1-3-2 1-3-2 盧瑟福公式的推導(dǎo)盧瑟福公式的推導(dǎo)(6)(6)u微分截面的物理意義微分截面的物理意義 對于單位面積內(nèi)每個靶原子核對于單位面積內(nèi)每個靶原子核,單位入射粒子單位入射粒子,單位立體角內(nèi)的散射粒子數(shù)單位立體角內(nèi)的散射粒子數(shù) 微分截面有面積的量綱微分截面有面積的量綱,表示表示 粒子粒子散射到散射到 方向方向單位立體角內(nèi)每個原子的單位立體角內(nèi)每個原子的有效散射有效散射截面截面 微分截面的單位微分截面的單位:(:(m m2 2/sr)(/sr)(米米2

14、 2/球面度球面度)截面的單位截面的單位:靶恩靶恩(靶靶,b b):):微分截面的單位微分截面的單位:b/srb/sr1-4 1-4 盧盧瑟福公式瑟福公式的實驗驗證的實驗驗證1.1.蓋革蓋革 馬斯頓實驗馬斯頓實驗 2.2.原子核大小的估計原子核大小的估計 1-4-1 1-4-1 蓋革蓋革 馬斯頓實驗馬斯頓實驗(1)(1)u同一同一(粒子源粒子源,散射體散射體)u同一同一(粒子源粒子源,材料的散射體材料的散射體,散射角散射角)u同一同一(散射體散射體,散射角散射角)u同一同一(粒子源粒子源,散射角散射角,ntnt)1-4-1 1-4-1 蓋革蓋革 馬斯頓實驗馬斯頓實驗(2)(2)u蓋革蓋革 馬斯

15、頓實驗馬斯頓實驗證實了上述規(guī)律證實了上述規(guī)律1-4-2 1-4-2 原子核大小的估計原子核大小的估計(1)(1)1-4-2 1-4-2 原子核大小的估計原子核大小的估計(2)(2)u求解求解 1-5 1-5 行星模型的意義及困難行星模型的意義及困難u意義：意義：確定了原子的確定了原子的核式結(jié)構(gòu)核式結(jié)構(gòu)，原子內(nèi)部十分稀疏，原子內(nèi)部十分稀疏 提出了一種研究方法提出了一種研究方法 黑箱方法黑箱方法u不足不足:原子原子穩(wěn)定性穩(wěn)定性(加速運動加速運動輻射輻射)原子原子同一性同一性(原子與太陽系原子與太陽系,初始條件初始條件)原子原子再生性再生性(原子與太陽系，相互作用后復(fù)原原子與太陽系，相互作用后復(fù)原)