绪论第一章原子的核式结构-PPT.pptx

绪论第一章原子的核式结构 该课程分为三个层次该课程分为三个层次:第一就是成熟、已有定论得基本内第一就是成熟、已有定论得基本内容容,要求学生掌握并能运用要求学生掌握并能运用;第二就是目前已取得最新研究成果第二就是目前已取得最新研究成果,要求学生掌握其物理概念和物理图象要求学生掌握其物理概念和物理图象;第三对于前沿研究课题第三对于前沿研究课题内容内容,要求学生了解其研究方向。在内容上要求学生了解其研究方向。在内容上,她由原子物理和原她由原子物理和原子核两部分组成。子核两部分组成。主要讲授主要讲授:绪论绪论、原子得基本状况原子得基本状况、原子得能级和辐射原子得能级和辐射、量子力学初步量子力学初步、碱金属原子碱金属原子、多电子原子多电子原子、磁场中得原子磁场中得原子、原原子得壳层结构子得壳层结构、X射线射线等八章内容。等八章内容。教学时数为教学时数为64学时。学时。2 通过原子物理学课得学习通过原子物理学课得学习,不仅要掌握原子世界得基不仅要掌握原子世界得基本规律本规律,培养良好得自学能力和科研素质培养良好得自学能力和科研素质,还要学习物理学还要学习物理学家们那种创造性研究问题得思想和方法家们那种创造性研究问题得思想和方法,借以培养自己得借以培养自己得创新能力。创新能力。原子物理学得研究对象就是电子、原子核、基本粒子。原子物理学得研究对象就是电子、原子核、基本粒子。课程内容抽象枯燥。为了帮助学生建立清晰得物理图像课程内容抽象枯燥。为了帮助学生建立清晰得物理图像,树立鲜明得物理思想树立鲜明得物理思想,在讲授中我们充分发挥多媒体技术在讲授中我们充分发挥多媒体技术得优势得优势,再现原子物理学重大发现得物理过程再现原子物理学重大发现得物理过程,避开量子力避开量子力学复杂得数学计算学复杂得数学计算,着重阐述基本概念和基本规律着重阐述基本概念和基本规律,建立具建立具体得物理模型体得物理模型,引导学生主动把握所研究得对象引导学生主动把握所研究得对象,学会物理学会物理学得研究方法和研究思想学得研究方法和研究思想,养成良好得自学习惯。养成良好得自学习惯。3目目 录录绪论绪论第一章第一章 原子得基本状况原子得基本状况第二章第二章 原子得能级和辐射原子得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 磁场中得原子磁场中得原子第七章第七章 原子得壳层结构原子得壳层结构第八章第八章 X射线射线4绪绪 论论(讲授讲授2学时、自学学时、自学2学时学时)5教学内容教学内容一、原子物理学得研究对象、内容和研究方法一、原子物理学得研究对象、内容和研究方法二、二、原子物理学得发展历史原子物理学得发展历史三三、原子物理学得地位、作用和研究前景、原子物理学得地位、作用和研究前景6教学要求教学要求(1)掌掌握握原原子子物物理理得得研研究究对对象象、内内容容、特特点点和和研研究究方法。方法。(2)了了解解原原子子物物理理得得发发展展历历史史及及在在材材料料科科学学、激激光光物理、生物物理等学科得应用物理、生物物理等学科得应用(3)了解原子物理正在发展得学科前沿。了解原子物理正在发展得学科前沿。7一、原子物理得研究对象、内容、研究方法一、原子物理得研究对象、内容、研究方法研究对象研究对象 原子物理学属近代物理学课程原子物理学属近代物理学课程,她就是研究物质在原她就是研究物质在原子层次内由什么组成子层次内由什么组成,她们如何作用她们如何作用,发生什么样得运动发生什么样得运动形态得理论。即主要研究原子结构与性质及有关问题。形态得理论。即主要研究原子结构与性质及有关问题。她就是关于物质微观结构得一门科学。她就是关于物质微观结构得一门科学。研究内容研究内容 由原子物理和原子核两部分组成。原子物理部分从原由原子物理和原子核两部分组成。原子物理部分从原子光谱入手子光谱入手,研究价电子得运动规律研究价电子得运动规律;从元素周期律和从元素周期律和X射射线入手研究内层电子得运动规律和排布。原子核部分主线入手研究内层电子得运动规律和排布。原子核部分主要研究核得整体性质、核力、核模型、核衰变、核反应、要研究核得整体性质、核力、核模型、核衰变、核反应、核能得开发和利用、以及基本粒子得一些知识。核能得开发和利用、以及基本粒子得一些知识。8研究方法研究方法:从光谱及实验资料入手从光谱及实验资料入手,提出假设提出假设,建立模型建立模型,然后再进行实验验然后再进行实验验证证,最后形成理论。正如恩格斯所说最后形成理论。正如恩格斯所说:“只要自然科学在思维着只要自然科学在思维着,她她得发展形式就就是假说。得发展形式就就是假说。”二、二、原子物理学得发展历史原子物理学得发展历史 1、古代得原子论、古代得原子论:中国古代得原子论中国古代得原子论 古希腊得原子论古希腊得原子论 2、近代原子说近代原子说 3、19世纪末世纪末20世纪初得原子说世纪初得原子说 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、原子物理学得地位、作用和研究前景、原子物理学得地位、作用和研究前景 1、原子物理学在材料科学中得应用、原子物理学在材料科学中得应用 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得应用、原子物理学在激光技术及光电子研究领域得应用 4、原子物理学在生命科学领域中得应用、原子物理学在生命科学领域中得应用 5、原子物理学化学研究领域得应用、原子物理学化学研究领域得应用 四、学习原子物理学应注意得问题四、学习原子物理学应注意得问题 1、实践就是检验真理得标准、实践就是检验真理得标准 2、科学就是逐步地不断地发展得、科学就是逐步地不断地发展得 3、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 4、要善于观察、善于学习、善于动脑、开拓进取、要善于观察、善于学习、善于动脑、开拓进取,不断创新不断创新10思考题思考题(1)简述原子物理学得研究对象、内容、特点和研究方法。简述原子物理学得研究对象、内容、特点和研究方法。(2)简述原子物理学得发展历史。简述原子物理学得发展历史。(3)简述原子物理学在近代物理中作用和发展方向。简述原子物理学在近代物理中作用和发展方向。(4)简简述述原原子子物物理理学学在在材材料料科科学学、激激光光物物理理、生生物物物物理理等等学科得作用和应用。学科得作用和应用。(5)举例说明原子物理在科技中得作用。举例说明原子物理在科技中得作用。11自学指导自学指导 认认真真阅阅读读褚褚书书绪绪论论部部分分,掌掌握握原原子子物物理理得得研研究究对对象象、内内容容、特特点点和和研研究究方方法法,了了解解原原子子物物理理得得发发展展历历史史、在在科科学学研研究究中得地位和作用和学科前沿。中得地位和作用和学科前沿。12大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点阅读参考文献阅读参考文献(1)潘潘永永祥祥编编自自然然科科学学概概述述(北北京京大大学学出出版版社社)第第九九章章:19世世纪末纪末20书记初得物理学革命。书记初得物理学革命。(2)方方俊俊鑫鑫,陆陆栋栋编编固固体体物物理理学学(上上册册)(上上海海科科学学技技术术出出版版社社)绪论部分。绪论部分。(3)赵赵凯凯华华编编定定性性与与半半定定量量物物理理学学(高高等等教教育育出出版版社社)第第三三章章数数量量级级估估计计:物物理理世世界界得得层层次次和和基基本本物物理理常常数数;原原子子;原原子子核核;分子和晶体部分。分子和晶体部分。(4)W、C、丹丹皮皮尔尔著著科科学学史史(及及其其与与科科学学和和宗宗教教得得关关系系)(商商务出版社务出版社)绪论、第十章物理学得革命部分绪论、第十章物理学得革命部分(5)苟清泉编原子物理学苟清泉编原子物理学(高等教育出版社高等教育出版社)绪论部分。绪论部分。14第一章第一章 原子得基本状况原子得基本状况(讲授讲授6学时、自学学时、自学6学时学时)15教学内容教学内容 1、1原子得质量和大小原子得质量和大小 1、2原子得核式结构模型原子得核式结构模型16教学要求教学要求(1)掌掌握握原原子子得得静静态态性性质质;理理解解阿阿伏伏加加德德罗罗常数得物理意义。常数得物理意义。(2)掌掌握握电电子子得得发发现现、粒粒子子散散射射实实验验等等实实验事实。验事实。(3)掌掌握握库库仑仑散散射射公公式式和和卢卢瑟瑟福福散散射射公公式式得得推导。推导。(4)掌掌握握卢卢瑟瑟福福公公式式得得实实验验验验证证、原原子子核核大大小得估计和原子得核式结构。小得估计和原子得核式结构。17重重 点点粒子散射实验粒子散射实验 卢瑟福散射公式卢瑟福散射公式库仑散射公式库仑散射公式原子得核式模型原子得核式模型。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 18 1、1 原子得和大小原子得和大小 一、一、原子得质量原子得质量 二、二、原子得大小原子得大小 三、三、原子得组成原子得组成 19一、一、原子得质量原子得质量 一百多种元素得原子一百多种元素得原子,其质量各不相同。将自然界最其质量各不相同。将自然界最丰富得丰富得12C C得原子质量定为得原子质量定为12个单位个单位,记为记为12u,uu,u为原子质为原子质量单位量单位 元素元素 X X 得原子质量为得原子质量为 A A就是原子量就是原子量,代表一摩尔原子以克为单位得质量数。代表一摩尔原子以克为单位得质量数。20 二、二、原子得大小原子得大小 将原子看作就是球体将原子看作就是球体,其体积为其体积为 ,一摩尔原子占体积一摩尔原子占体积为为原子得半径为原子得半径为例如例如 Li原子原子 A=7，=0.7，rLi=0.16nm；Pb原子原子 A=207，=11.34，rPb=0.19nm；就是原子质量密度。就是原子质量密度。21三、三、原子得组成原子得组成 1897 1897年汤姆逊从如年汤姆逊从如右图放电管中得阴极射右图放电管中得阴极射线发现了带负电得电子线发现了带负电得电子,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得电量值为现了电子得电量值为 e =1=1、60210602101919(c)(c)从而电子质量就是从而电子质量就是 me=9=9、10910109103131kg=0kg=0、511MeV/c511MeV/c2=2=5 5、48710487104 4u u原子就是由电子和原子核组成得原子就是由电子和原子核组成得,这就是卢瑟福在这就是卢瑟福在19111911年提出得原子模年提出得原子模型。型。B_+E22 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、粒子散射实验得意义及卢瑟福模型得困难粒子散射实验得意义及卢瑟福模型得困难23一、一、汤姆逊原子模型汤姆逊原子模型 汤姆逊汤姆逊提出原子得布丁提出原子得布丁(pudding)(pudding)模型模型,认为正电荷均匀分布认为正电荷均匀分布 在半径为在半径为R R 得原子球体内得原子球体内,电子像布丁镶嵌在其中电子像布丁镶嵌在其中,如下图如下图 2419031903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25二、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得正确性型得正确性目目得得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得角分布。得角分布。26(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 C:光滑套轴光滑套轴T:抽空抽空B得管得管 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27 大多数散射角很小大多数散射角很小,约约1/80001/8000散射大散射大于于90;90;极个别得散射角等于极个别得散射角等于180180。结结果果28Fv vmP+Ze 卢瑟福卢瑟福等人用质量为等人用质量为4、0034 u u得高速得高速粒子粒子(带带+2+2e e电量电量)撞撞击原子击原子,探测原子结构。按照布丁模型探测原子结构。按照布丁模型,原子只对掠过边界原子只对掠过边界(R R)得得粒子有较大得偏转。粒子有较大得偏转。29例如,EK=5、0 MeV,Z(金)=79,maxm(粒子质量粒子质量)时时,可视为核不动可视为核不动,于于就是问题化为单质点就是问题化为单质点m在有心反平方库仑斥力作用下得运动在有心反平方库仑斥力作用下得运动问题。问题。38 我们关心从无限远来得我们关心从无限远来得 粒子粒子(初态初态)经库仑力作用后又飞向无穷远得经库仑力作用后又飞向无穷远得运动状态运动状态(末态末态)。由机械能守恒因而动量守恒有。由机械能守恒因而动量守恒有 Pf=Pi=mv 在作用区动量得变化在作用区动量得变化PP 可由库仑力得冲量定理给出可由库仑力得冲量定理给出 在有心力场中角动量守恒在有心力场中角动量守恒 ,将将 代入上式积代入上式积分分称库仑散射公式。其中称库仑散射公式。其中3940为了简化,设想 粒子和原子核做对心碰撞。那么在最近距离a处,动能为零。41例题例题422、核大小得估算、核大小得估算取轨道近日点距作为核大小得量度取轨道近日点距作为核大小得量度,在近日点有在近日点有 vmz1ez2erm 特别就是当特别就是当=,rm=a,a就是就是 粒子将全部动能转化为势能时得粒子将全部动能转化为势能时得距离距离,即即43rm=310-14m (金金)rm=1、2 10-14 m (铜铜)rm=2 10-14m (银银)放出得放出得 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:44原子半径数量级为原子半径数量级为10-10米米,原子核半径数量级为原子核半径数量级为10-15-10-14米米,相差相差4-5个数量级个数量级,面积相差面积相差8-10个个数量级数量级,体积相差体积相差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到足球场地那么大,则原子核相当于场地中心得一则原子核相当于场地中心得一个黄豆粒。可见原子中就是非常空旷得。个黄豆粒。可见原子中就是非常空旷得。45库仑散射公式只在库仑力作用下才成立库仑散射公式只在库仑力作用下才成立,在小角度散射下在小角度散射下,当当粒子粒子进入原子中时进入原子中时,由于内层电子对核得屏蔽作用由于内层电子对核得屏蔽作用,这时这时粒子感受到非粒子感受到非库仑力得作用库仑力得作用,上公式不再成立上公式不再成立;当当rm R核核r r时时,核力作用将影核力作用将影响散射响散射,公式也不成立。公式也不成立。考虑核得反冲运动时考虑核得反冲运动时,必须作两体问题处理必须作两体问题处理,引入折合质量引入折合质量 可化为可化为在固定力心库仑场中得运动在固定力心库仑场中得运动,故散射公式不变故散射公式不变,但公式中但公式中 3 3、一些讨论、一些讨论)(2214,2cos2ckcccEeZZaabo opepeq q=散射公式为散射公式为cKLKEE)()(的关系为的关系为和和cLc46例题例题4748 1、卢瑟福散射公式得推导卢瑟福散射公式得推导 2、卢瑟福散射公式得实验验证卢瑟福散射公式得实验验证 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491、卢瑟福散射公式得推导、卢瑟福散射公式得推导 实验并不能观测单个实验并不能观测单个 粒子得散射过程。卢瑟福散粒子得散射过程。卢瑟福散射实验就是将放射源射实验就是将放射源(如如214Po)在单位时间内放出在单位时间内放出得得N个个 粒子均匀射向面积粒子均匀射向面积为为A得靶面上得靶面上,经核库仑力经核库仑力一次散射在一次散射在方向上方向上,其中有其中有dN个个粒子散射在粒子散射在 +d圆锥壳内圆锥壳内,并被接并被接收探测收探测,所以可测量就是所以可测量就是dN/N百分比或几率百分比或几率(见图见图)50从理论上如何给出从理论上如何给出dN/N呢呢?从图示并借助从图示并借助 对应关系对应关系,不难不难给出给出:为微分截面为微分截面,单位为单位为b/sr,其中其中b=10-28 m251 实验情况就是实验情况就是N个个粒子打在厚度为粒子打在厚度为t得薄箔上得薄箔上,若单位体积内有若单位体积内有n个个原子核原子核,那么体积那么体积At内共有内共有nAt个核对入射个核对入射粒子粒子散射。假定各个核对散射。假定各个核对 粒子得散射就是独立事件粒子得散射就是独立事件,总散射在总散射在+d内得粒子数内得粒子数dN应为应为该式称卢瑟福散射公式。微分散射截面该式称卢瑟福散射公式。微分散射截面 c c(),代表单位靶面内代表单位靶面内每个靶核将入射粒子散射在每个靶核将入射粒子散射在方向方向单位立体角内得几率。单位立体角内得几率。52 散射在散射在12 得得粒子数为粒子数为 说明说明:实际测量往往不就是在实际测量往往不就是在+d张开张开得全部立体角得全部立体角 d=2sinsind d内测量被散射得内测量被散射得粒子数粒子数dN,而就是在一个有限小窗口而就是在一个有限小窗口(ds )张得立体角张得立体角d=ds/r2内测量散射得粒子数内测量散射得粒子数dN 。由于散射公式由于散射公式只与只与有关有关,在同一个在同一个位置上有位置上有 dN/d=dN/d,所以上公式可运于所以上公式可运于小窗口探测。小窗口探测。射在厚度为射在厚度为t、核密度为核密度为n得薄箔得得薄箔得粒子散射在粒子散射在 空间内得粒子数空间内得粒子数为为就是散射在就是散射在o得总截面得总截面53 2、卢瑟福散射公式得实验验卢瑟福散射公式得实验验证证对同一对同一放射源放射源(EK同同),同一靶体同一靶体(Z,t同同)对同一对同一放射源放射源,同一靶材同一靶材,但厚度但厚度t不同不同,在在方向接收得方向接收得不同不同放射源放射源(EK不同不同),同一靶体同一靶体,在在方向测得方向测得对同一对同一放射源放射源;不同靶材不同靶材(Z不同不同),但但nt同同,在方向测得在方向测得 盖革和马斯顿按上述作了一系列实验盖革和马斯顿按上述作了一系列实验,结果与理论符合很好结果与理论符合很好,从而确立从而确立了原子有核模型。了原子有核模型。54 a、卢瑟福散射公式就是库仑作用力得结果、卢瑟福散射公式就是库仑作用力得结果,任何非库仑任何非库仑作用都将失效。作用都将失效。b、核密度为、核密度为n、厚度为、厚度为t得靶得总散射截面就是单个核散得靶得总散射截面就是单个核散射截面得射截面得nt倍倍,这意味着每个核发生一次大角度散射就这意味着每个核发生一次大角度散射就是独立事件是独立事件,这要求靶箔足够薄才能得到保证。这要求靶箔足够薄才能得到保证。c、散射公式就是在靶核不动前提下给出得、散射公式就是在靶核不动前提下给出得,若考虑靶核若考虑靶核得反冲运动得反冲运动,需作相应得修正需作相应得修正,(EK EK(c),c)。几点说明几点说明:d、仅对薄靶才有效。仅对薄靶才有效。f、大角散射就是一次散射得结果。仅对大角散射就是一次散射得结果。仅对 大角大角(45)有效。当有效。当45 时时,理论与实验偏离很理论与实验偏离很大。大。55例题例题56六、六、粒子散射实验得意义及卢瑟福模粒子散射实验得意义及卢瑟福模型得困难型得困难1、通过实验解决了原子中正、负电荷得排布问题、通过实验解决了原子中正、负电荷得排布问题,建立了一建立了一个与个与 实验相符得原子结构模型实验相符得原子结构模型,使人们认识到原子中得正电荷使人们认识到原子中得正电荷集中集中 在核上在核上,提出了以核为中心得概念提出了以核为中心得概念,从而将原子分为核外从而将原子分为核外与核与核 内两部分内两部分,并且认识到高密度得原子核得存在并且认识到高密度得原子核得存在,在原子物在原子物理学理学 中起了重要作用。中起了重要作用。(一一)意义意义:2 2、粒子散射实验为人类开辟了一条研究微观粒子结构得新途粒子散射实验为人类开辟了一条研究微观粒子结构得新途径径,以散射为手段来探测以散射为手段来探测,获得微观粒子内部信息得方法获得微观粒子内部信息得方法,为近代为近代物理实验奠定了基础物理实验奠定了基础,对近代物理有着巨大得影响。对近代物理有着巨大得影响。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了一种手段。57(二二)困难困难1、原子稳定性问题、原子稳定性问题2、原子得同一性问题、原子得同一性问题3、原子得再生性问题、原子得再生性问题4、原子线状光谱问题、原子线状光谱问题58一、汤姆逊原子模型一、汤姆逊原子模型二、卢瑟福原子模型二、卢瑟福原子模型三、三、粒子散射实验粒子散射实验四、四、粒子散射理论粒子散射理论五、卢瑟福理论得实验验证五、卢瑟福理论得实验验证六、原子核半径得估算六、原子核半径得估算七、对七、对 粒子散射实验得说明粒子散射实验得说明八、八、粒子散射实验得意义及卢瑟福模型得困难粒子散射实验得意义及卢瑟福模型得困难小小 结结59