1、原 子 物 理 学,第一章 原子的位型: 卢瑟福原子模型 第二章 原子的量子态: 玻尔模型 第三章 原子的精细结构: 电子自旋 第四章 多电子原子:泡利原理 第五章 X射线 第六章 原子核物理概论,第一章 原子的位型: 卢瑟福原子模型,1-1 背景知识 1-2 卢瑟福模型的提出 1-3 卢瑟福散射公式 1-4 卢瑟福公式的实验验证 1-5 行星模型的意义及困难,1-1 背景知识,电子的发现 电子的电荷和质量 原子的大小,汤姆逊阴极射线实验 实验装置阴极射线(C)狭缝(A,B)金属板(D,E)荧光屏 D,E加电场 射线P1 P2 阴极射线带负电 再加磁场 射线P2 P1 Hev=Ee v=E/H
2、 去掉电场 射线半径r mv2/r= Hev e/m=v/Hr,1-1-1 电子的发现,1-1-2 电子的电荷和质量(1),密立根油滴实验 (1) 测得电子电量为：e = 1.610-19 C (库仑)电子质量 me = 9.110-31 kg 密立根首次发现了电荷的量子化 电荷只能是 e 的整数倍 若知H+(质子）的荷质比,1-1-2 电子的电荷和质量(2),密立根油滴实验 (2) 原子呈中性，原子中具有带负电的电子，必定有带正电的物质(对于氢原子，这种带正电荷的物质称为质子) 原子 = 正电物质 + 负电物质 + 不带电物质,1-1-2 电子的电荷和质量(3),原子质量单位 u 1u 1个
3、12C 原子质量/12原子质量 MA u = 原子量 u = A u,1-1-3 原子的大小,原子半径 一个原子体积 = 一个原子的质量 / 原子质量密度 = 原子半径 r = 数量级：r 10-10 m = 1 ,1-2 卢瑟福模型的提出,原子正负电荷如何分布? 粒子散射实验 解释 粒子散射实验,1-2-1 原子正负电荷如何分布? (1),汤姆逊原子模型 正电荷均匀分布在整个原子球体内，电子镶嵌在其中（同心球壳上）。 卢瑟福的核型结构模型 原子是由带正电的原子核和核外 作轨道运动的电子组成,1-2-2 粒子散射实验(1),实验装置,1-2-2 粒子散射实验(2),实验结果： 绝大多数 粒子散
4、射角： 2 - 3 1/8000的 粒子散射角： 90奇怪 相当于炮弹被一张纸反弹回来一样！,1-2-3 解释 粒子散射实验(1),带正电物质散射（汤氏模型）(1) 原子的正电荷Ze对入射的粒子(2e)产生的力,R,r,原子半径,带正电物质散射（汤氏模型）(2) 正电荷Ze对粒子(2e)的最大力散射角动量的变化力乘以粒子在原子度过的时间2R/v,1-2-3 解释 粒子散射实验(2),1-2-3 解释 粒子散射实验(3),带正电物质散射（汤氏模型）(3) 相对动量的变化,R,1-2-3 解释 粒子散射实验(4),带正电物质散射（汤氏模型）(4) 粒子对金的散射角一次散射的散射角 重复散射也不会产
5、生大角度 重复散射为随机, 平均之后不会朝一个方向特别不会稳定地朝某一方向散射 汤姆逊原子模型与实验不符!,Z=79,1-3 卢瑟福散射公式,库仑散射公式的推导 卢瑟福公式的推导,1-3-1 库仑散射公式的推导(1),远离靶核的入射能量E,电荷Z1e的带电粒子与电荷Z2e的靶核散射,瞄准距离 碰撞参数,散射角,1-3-1 库仑散射公式的推导(2),库仑散射公式,库仑散射因子,1-3-1 库仑散射公式的推导(3),假定： 单次散射 点电荷，库仑相互作用 核外电子的作用可略 靶原子核静止（靶核重，晶体结构牢固）,1-3-1 库仑散射公式的推导(4),推导库仑散射公式,中心力角动量守恒,1-3-1
6、库仑散射公式的推导(5),1-3-1 库仑散射公式的推导(6),1-3-1 库仑散射公式的推导(7),b ; b ; b ,1-3-2 卢瑟福公式的推导 (1),粒子: b b + db - d 粒子:bb+db 圆环面积 -d空心圆锥体, 粒子打 在环上的 几率?,1-3-2 卢瑟福公式的推导 (2),靶(薄箔)厚t, 面积A，数密度n，质量密度 环面积 粒子打在环上的几率,1-3-2 卢瑟福公式的推导 (3),空心圆锥体的立体角 d,1-3-2 卢瑟福公式的推导 (4),薄箔内有许多环: 核 环; 薄箔体积: At; 薄箔环数: Atn粒子打在Atn环上,散射角 相同 一个粒子打在薄箔上被
7、散射到 -d 的几率,1-3-2 卢瑟福公式的推导 (5),N个粒子打在薄箔上测量到 -d 的粒子数微分截面(卢瑟福公式),1-3-2 卢瑟福公式的推导 (6),微分截面的物理意义对于单位面积内每个靶原子核,单位入射粒子,单位立体角内的散射粒子数 微分截面有面积的量纲,表示粒子散射到 方向单位立体角内每个原子的有效散射截面 微分截面的单位: (m2/sr)(米2/球面度) 截面的单位: 靶恩(靶, b):微分截面的单位: b/sr,1-4 卢瑟福公式的实验验证,盖革 马斯顿实验 原子核大小的估计,1-4-1 盖革 马斯顿实验(1), 同一(粒子源, 散射体)同一(粒子源,材料的散射体,散射角)同一(散射体,散射角)同一(粒子源,散射角, nt),1-4-1 盖革 马斯顿实验(2),盖革 马斯顿实验证实了上述规律,1-4-2 原子核大小的估计(1),1-4-2 原子核大小的估计(2),求解,1-5 行星模型的意义及困难,意义： 确定了原子的核式结构，原子内部十分稀疏 提出了一种研究方法 黑箱方法 不足: 原子稳定性(加速运动辐射) 原子同一性(原子与太阳系,初始条件) 原子再生性(原子与太阳系，相互作用后复原),
