Atomic Physics原子物理学 Textbook Series For 21st Century 第一章:原子的位形:卢斯福模型 §1背景知识 §2卢斯福模型的提出 §3卢斯福散射公式 §4卢斯福公式的实验验证 §5行星模型的意义及困难
第一章：原子的位形：卢斯福模型 §1 背景知识 §2 卢斯福模型的提出 §3 卢斯福散射公式 §4 卢斯福公式的实验验证 §5 行星模型的意义及困难
Atomic Physics物里学第一节:背景知识 “原子”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(Φ e mocritus提岀这一概念,并把它 看作物质的最小单元。在十九世纪,人们在大量的实验中认识了 些定律,如 定比定律:元素按一定的物质比相互化合 倍比定律: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。 在此基础上,1893年道尔顿( J. Dalton)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,质量 也不相同; 3两种可以化合的元素,它们的原子可能按几种不同的比率化合 成几种化合物的分子 原子 关于卢斯福 T。 K book sor。sFor21stc。 n tu ry
“原子”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。 在十九世纪，人们在大量的实验中认识了一 些定律，如： 定比定律：元素按一定的物质比相互化合。 倍比定律：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。 在此基础上，1893年道尔顿（J.Dalton）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，质量 也不相同； 3.两种可以化合的元素，它们的原子可能按几种不同的比率化合 成几种化合物的分子。 第一节：背景知识 Next 原子 电子 关于卢斯福
Atomic Physics理学第一节:背景知识 根据道尔顿的原子学说,我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,反过来,许多实验也证实了原子 学说;并且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·吕萨克定律告诉我们,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,与前述规律进行对比,我们可以得到这样的结论 气体的体积与其中所含的粒子数目有关。阿伏伽德罗定律告诉 我们,温同压下,相同体积的不同气体含有相等数目的分子。 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?原子是最小的粒子吗? 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 关于卢斯福 Back T。 K book sor。sFor21stc。 n tu ry
根据道尔顿的原子学说，我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，反过来，许多实验也证实了原子 学说；并且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·吕萨克定律告诉我们，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，与前述规律进行对比，我们可以得到这样的结论： 气体的体积与其中所含的粒子数目有关。阿伏伽德罗定律告诉 我们，温同压下，相同体积的不同气体含有相等数目的分子。 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。 第一节：背景知识 Back Next 原子 电子 关于卢斯福
Atomic Physics理学第一节:背景知识 假设某固体元素的原子是球状的,半径为米,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1mo该原子的 质量为A,若这种原子的质量密度为川(g/m那么A克原子的总 体积为Apcm),一个原子占的有体积为m3,即m3*N,=A/ 所以原子的半径r=y34/4N4,依此可以算出不同原子的半 径,如下表际示:元素原子量质量密度原子半径 0.7 Al 27 7 16 u 0.14 32 2.07 0.18 Pb 07 11.34 0.19 原子 关于卢斯福 Back T。 K book sor。sFor21stc。 n tu ry
第一节：背景知识 Back 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： ( / ) 3 g cm / ( ) 3 A cm / ( ) 3 A cm 3 3 4 r / 3 4 3 r NA = A 3 3 / 4 A NA r = 元素 原子量 质量密度 原子半径 Li 7 0.7 0.16 Al 27 2.7 0.16 Cu 63 8.9 0.14 S 32 2.07 0.18 Pb 207 11.34 0.19 原子 电子 关于卢斯福
Atomic Physics原子物理学第一节:背景知识 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. Avogadro)定律问世,提出1mo任何原子的数目都 是 1833年,法拉第( M. Faraday)提出电解定律,1mo任何原子的 单价离子永远带有相同的电量-即法拉第常数, 1874年,斯尼( 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。但实际上确 认电 子的存在,却是20多年后汤姆逊(小J. Thomson)的工作 1897年,汤姆逊(小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 T。 K book sor。sFor21stc。 n tu ry
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 个。 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， 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。但实际上确 认电 子的存在，却是20多年后汤姆逊（J.J.Thomson）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。 第一节：背景知识 NA 原子 电子 关于卢斯福
Atomic Physics理学第一节:背景知识 卢瑟福1871年8月30日生于新西兰的纳尔 逊,毕业于新西兰大学和剑桥大学。 1898年到加拿大任马克歧尔大学物理学教 授,达9年之久,这期间他在放射性方面的研 究,贡献极多。1907年,任曼彻斯特大学物 理学教授。1908年因对放射化学的研究荣获 Ernest Ruther ford 诺贝尔化学奖。1919年任剑桥大学教授,并 1871 1937 任卡文迪许实验室主任。1931年英王授予他 勋爵的桂冠。1937年10月19日逝世。 关于卢斯福 T。 K book sor。sFor21stc。 n tu ry
卢瑟福1871年8月30日生于新西兰的纳尔 逊，毕业于新西兰大学和剑桥大学。 1898年到加拿大任马克歧尔大学物理学教 授，达9年之久，这期间他在放射性方面的研 究，贡献极多。1907年，任曼彻斯特大学物 理学教授。1908年因对放射化学的研究荣获 诺贝尔化学奖。1919年任剑桥大学教授，并 任卡文迪许实验室主任。1931年英王授予他 勋爵的桂冠。1937年10月19日逝世。 第一节：背景知识 原子 电子 关于卢斯福
Atomic Physics攣第二节:卢斯福模型的提出 在汤姆逊 Thomson)发现电子之后,对于原子中正负电 荷的分布他提出了一个在当时看来较为合理的模型即原 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∵为了检验汤姆逊 Thomson)模型是否正确,卢瑟福( Rutherford)于1911年 设计了α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α粒子偏转角度很大超 过90度以上甚至达到180度对于α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 α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 Thomson型的失败 Hitherto型的提 T。 K book sor。sFor21stc。 n tu ry
第二节：卢斯福模型的提出 Thomson模型 α散射实验 Thomson模型的失败 在汤姆逊(Thomson)发现电子之后,对于原子中正负电 荷的分布他提出了一个在当时看来较为合理的模型.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".为了检验汤姆逊 (Thomson)模型是否正确,卢瑟福(Rutherford)于1911年 设计了α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α粒子偏转角度很大,超 过90度以上,甚至达到180度.对于α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 α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
Atomic Physics攣第二节:卢斯福模型的提出 汤姆逊( Thomson)模型认为原子 中正电荷均匀分布在原子球体内,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。这对于解释当时已 有的实验结果、元素的周期性以及原 子的线光谱,似乎是成功的 Thomson模型 Furtherto T。 K book sor。sFor21stc。 n tu ry
汤姆逊(Thomson)模型认为,原子 中正电荷均匀分布在原子球体内，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。这对于解释当时已 有的实验结果、元素的周期性以及原 子的线光谱，似乎是成功的。 Thomson模型 第二节：卢斯福模型的提出 α散射实验 Thomson模型的失败 Rutherford模型的提出
Atomic Physics理第二节:卢斯福模型的提出 α粒子散射实验是卢斯 福于1911年设计的,后 来根据实验的结果,卢 斯福否定了汤姆逊模型 并提出了原子的核式模 型 实验装置如上图所示。放射源R中发出—细束α粒子,直射到金属箔 上以后,由于各α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及放大镜M可以沿着以F为中心的圆弧移动 当S和M对准某一方向上通过F而在这个方向散射的粒子就射到S上 而产生闪光,用放大镜M观察闪光,就能记录下单位时间内在这个 方向散射的α粒子数。从而可以研究α粒子通过金属箔后按不同的散 射角θ的分布情况。 a散射实验 Furtherto ext T。 K book sor。sFor21stc。 n tu ry
α散射实验 第二节：卢斯福模型的提出 α粒子散射实验是卢斯 福于1911年设计的，后 来根据实验的结果，卢 斯福否定了汤姆逊模型 并提出了原子的核式模 型 Next 实验装置如上图所示。放射源R中发出一细束α粒子，直射到金属箔 上以后，由于各α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及放大镜M可以沿着以F为中心的圆弧移动。 当S和M对准某一方向上,通过F而在这个方向散射的α粒子就射到S上 而产生闪光，用放大镜M观察闪光，就能记录下单位时间内在这个 方向散射的α粒子数。从而可以研究α粒子通过金属箔后按不同的散 射角θ的分布情况。 Thomson模型 Thomson模型的失败 Rutherford模型的提出
Atomic Physies子是第二节:卢斯福模型的提出 Thomson模型 Rutherford模型 a散射实验 uthe roro型的 Back T。 K book sor。sFor21stc。 n tu ry
第二节：卢斯福模型的提出 α散射实验 Back Thomson模型 Thomson模型的失败 Rutherford模型的提出