第一章:原子的位形:卢斯福模型.ppt
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1、第一章:原子的位形:卢斯福模型,第一节 背景知识,第二节 卢斯福模型的提出,第三节 卢斯福散射公式,第四节 卢斯福公式的实验验证,第五节 行星模型的意义及困难,Automic Physics 原子物理学,结束,第一节:背景知识,第一章:原子的位形:卢斯福模型,“原子(Atom)”一词来自希腊文,意思是“不可分割的”。在公元前4世纪,古希腊哲学家德漠克利特( Democritus)提出这一概念,并把它看作物质的最小单元。,定比定律:,倍比定律:,元素按一定的物质比相互化合。,若两种元素能生成几种化合物,则在这些化合物中,与一定质量的甲元素化合的乙元素的质量,互成简单整数比。,关于卢斯福,原子,电
2、子,在十九世纪,人们在大量的实验中认识了一些定律,如:,结束,目录,next,back,在此基础上,1893年道尔顿提出了他的原子学说,他认为:,1.一定质量的某种元素,由极大数目的该元 素的原子所构成;,2.每种元素的原子,都具有相同的质量,不 同元素的原子,具有不相同的质量;,3.两种可以化合的元素,它们的原子可以按 几种不同的比率化合成几种不同的分子。,第一节:背景知识,第一章:原子的位形:卢斯福模型,原子,电子,关于卢斯福,结束,目录,next,back,第一节:背景知识,第一章:原子的位形:卢斯福模型,根据道尔顿的原子学说,人们可以对简单的无机化学中的化合物的生成给予定量的解释,反过
3、来,许多实验也验证原子学说的正确性;并且后来人们发现气态物质参与的化学反应时的元素的重量与体积也遵循上述规律。,盖吕萨克定律:在每一种生成或分解的气体中,组分和化合物气体的体积彼此之间具有简单的整数比。,在此基础上,阿伏伽德罗提出: 阿伏伽德罗定律:同温同压下,相同体积的不同气体含有相等数目的分子。也可表述为:一摩尔体积大的气体中包含有NA=6.02213671023mol-1 个分子。,原子,电子,关于卢斯福,结束,目录,next,back,第一节:背景知识,第一章:原子的位形:卢斯福模型,当原子学说逐渐被人们接受以后,人们又面临着新的问题:,原子有多大?,原子的内部有什么?,原子是最小的粒
4、子吗?,在学习这门课的时候;一部分问题的谜底会逐渐揭开,现在我们来粗略地估计一下原子的大小。,原子,电子,关于卢斯福,结束,目录,next,back,第一节:背景知识,第一章:原子的位形:卢斯福模型,假设某固体元素的原子是球状的,半径为r米,原子之间是紧密地堆积在一起的。若该元素的原子量为A,那么1mol该原子的质量为A,若这种原子的质量密度为 ,那么A克原子的总体积为 ,一个原子占的有体积为 ,即 所以原子的半径 ,依此可以算出不同原子的半径,如下表所示:,原子,电子,关于卢斯福,结束,目录,next,back,第一节:背景知识,第一章:原子的位形:卢斯福模型,Li 7 0.7 0.16,A
5、l 27 2.7 0.16,Cu 63 8.9 0.14,S 32 2.07 0.18,Pb 207 11.34 0.19,不同原子的半径(nm),原子,电子,关于卢斯福,结束,目录,next,back,第一节:背景知识,第一章:原子的位形:卢斯福模型,电子的发现并不是偶然的,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一定的。,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。F = 9.65 x 104 C/mol,原子,电子,关于卢斯福,结束,目录,next
6、,back,原子的内部有什么?,第一节:背景知识,第一章:原子的位形:卢斯福模型,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,这个电荷是斯迪尼提出,用“电子”来命名这个电荷的最小单位。 e=F/NA 但实际上确认电子的存在,却是20多年后汤姆逊的工作.,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。,原子,电子,关于卢斯福,结束,目录,next,back,原子中存在电子,它的质量占整个原子质量的很小一部分;电子带负电,原子中性 原子中存在正电荷且质量很
7、大。但是正负电荷如何分布?,形形色色的原子模型,第一节:背景知识,第一章:原子的位形:卢斯福模型,第二节:卢斯福模型的提出,第一章:原子的位形:卢斯福模型,在众多模型中,1911年以前汤姆逊(Thomson)提出的模型是一个在当时看来较为合理的,被大家所认可的模型。,即原子中带正电部分均匀分布在原子体内,电子镶嵌在其中,人们称之为“葡萄干面包模型“.,Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射实验,Thomson模型的失败,结束,目录,next,back,第二节:卢斯福模型的提出,第一章:原子的位形:卢斯福模型,汤姆逊(Thomson)模型认为,原子中正电荷均匀分布在原子球体内,
8、电子镶嵌在其中。原子如同西瓜,瓜瓤好比正电荷,电子如同瓜籽分布在其中。,同时该模型还进一步假定,电子分布在分离的同心环上,每个环上的电子容量都不相同,电子在各自的平衡位置附近做微振动。因而可以发出不同频率的光,而且各层电子绕球心转动时也会发光。这能够解释当时已有的实验结果、元素的周期性以及原子的线型光谱。,Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射实验,Thomson模型的失败,结束,目录,next,back,第二节:卢斯福模型的提出,第一章:原子的位形:卢斯福模型,科学总是不断发展的 1909年,卢瑟福的学生盖革和马斯顿在用粒子轰击原子实验,发现粒子有1/8000的几率被反弹回
9、来。 卢瑟福于1911年设计了粒子散射实验,实验中观察到大多数粒子穿过金箔后发生约一度的偏转.但有少数粒子偏转角度很大,超过90度以上,甚至达到180度.,Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射实验,Thomson模型的失败,结束,目录,next,back,第二节:卢斯福模型的提出,第一章:原子的位形:卢斯福模型,对于粒子发生大角度散射的事实,无法用汤姆逊(Thomoson)模型加以解释.除非原子中正电荷集中在很小的体积内时,排斥力才会大到使粒子发生大角度散射,在此基础上,卢瑟福(Rutherford)提出了原子的核式模型.,Rutherford模型的提出,Thomson模型
10、,散射实验,Thomson模型的失败,结束,目录,next,back,18711939 1895年进卡文迪许实验室,成为J.J.Thomson的研究生 1919年接替退休的J.J.汤姆孙任卡文迪许实验室主任 1925年当选为英国皇家学会主席。 培养了11名诺贝尔奖获得者,是至今世界上培养诺贝尔奖获得者最多的导师。 卢瑟福对于放射性的研究,开拓了原子核物理学和原子物理学的新领域,被称为原子核之父。他逝世以后,每年人们都在10月19日为他进行悼念活动。,第二节:卢斯福模型的提出,第一章:原子的位形:卢斯福模型,Important achievements,1899年,28岁的卢瑟福发现了放射性元素
11、“钍 (thorium)”和新型放射线; 1902年他发现一种原子可以蜕变为另一种原子,否定了原子永远不变的旧观念,获1908年诺贝尔化学奖; 1911年提出原子有核模型; 1919年,发现了质子,还实现了人类历史上第一个核反应: 14N+4He 17O+1H ; 1920年,卢瑟福提出了中子假说;,第一章:原子的位形:卢斯福模型,第二节:卢斯福模型的提出,第二节:卢斯福模型的提出,第一章:原子的位形:卢斯福模型,实验装置如上图所示。放射源发出一细束粒子,直射到金属箔上以后,由于各粒子所受金属箔中原子的作用不同,所以沿着不同的方向散射。荧光屏S及显微镜M可以沿着以F为中心的圆弧移动。当S和M对
12、准某一方向上,通过F而在这个方向散射的粒子就射到S上而产生闪光,用显微镜M观察闪光,就能记录下单位时间内在这个方向散射的粒子数。从而可以研究粒子通过金属箔后按不同的散射角的分布情况。,Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射实验,Thomson模型的失败,结束,目录,next,back,F,第二节:卢斯福模型的提出,第一章:原子的位形:卢斯福模型,粒子散射实验观察到:,被散射的粒子大部分分布在小角度区域,但是大约有1/8000的粒子散射角 90度,甚至达到180度,发生背反射。粒子发生这么大角度的散射,说明它受到的力很大。,汤姆逊模型是否可以提供如此大的力?我们来看一看这两个模
13、型对应的力场模型,Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射实验,Thomson模型的失败,结束,目录,next,back,第二节:卢斯福模型的提出,第一章:原子的位形:卢斯福模型,Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射实验,Thomson模型的失败,结束,目录,next,back,第二节:卢斯福模型的提出,第一章:原子的位形:卢斯福模型,由于核式模型正电荷集中在原子中心很小的区域,所以无限接近核时,作用力会变得的很大,而汤姆逊模型在原子中心附近则不能提供很强的作用力。,下面我们通过计算来看一看,按照汤姆逊模型,粒子的最大偏转角可能是多少。,Rutherford
14、模型的提出,Thomson模型,散射实验,Thomson模型的失败,结束,目录,next,back,第二节:卢斯福模型的提出,第一章:原子的位形:卢斯福模型,假设有一个符合汤姆逊的带电球体,即均匀带电。那么当粒子射向它时,其所受作用力:,Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射实验,Thomson模型的失败,结束,目录,next,back,第二节:卢斯福模型的提出,第一章:原子的位形:卢斯福模型,对于汤姆逊模型而言,只有掠入射(r=R)时,入射 粒子受力最大,设为 Fmax ,我们来看看此条件下 粒子的最大偏转角是多少?,如上图,我们假设 粒子以速度 V 射来,且在原子附近度过
15、的整个时间内均受到 Fmax 的作用,那么会产生多大角度的散射呢?,Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射实验,Thomson模型的失败,结束,目录,next,back,第二节:卢斯福模型的提出,第一章:原子的位形:卢斯福模型,解:,由角动量定理得,其中 表示粒子在原子附近度过的时间.,代入Fmax值,解得:,所以,tg值很小,所以近似有,(1),Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射实验,Thomson模型的失败,结束,目录,next,back,第二节:卢斯福模型的提出,第一章:原子的位形:卢斯福模型,上面的计算我们没有考虑核外电子的影响,这是因为电子的质
16、量仅为粒子质量的1/8000,它的作用是可以忽略的,即使发生对头碰撞,影响也是微小的,当粒子与电子发生正碰时,可以近似看作弹性碰撞,动量与动能均守恒,Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射实验,Thomson模型的失败,结束,目录,next,back,第二节:卢斯福模型的提出,第一章:原子的位形:卢斯福模型,即,解得,所以上式化为,所以,(2),Rutherford模型的提出,Thomson模型,散射实验,Thomson模型的失败,结束,目录,next,back,第二节:卢斯福模型的提出,第一章:原子的位形:卢斯福模型,综合(1),(2)两式知,如果以能量为5MeV的粒子轰击
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