1-原子的基本概况.

第一章原子的基本状况1.1原子的质量和大小一.原子的质量1．原子质量单位和原子量各种原子的质量各不相同，常用它们的相对值原子量。12-27C1u1.6605410kg12的质量原子质量单位：原子量：原子包含1个原子质量单位(1u)数H：1.0079C：12.011O：15.999Cu：63.542．原子质量元素X的原子质量为：()(X)AuAAgMNA：一摩尔原子以克为单位的质量数（原子量）。No表示阿佛加德罗常数，No=6.022×1023/mol对氢原子：MH=1.67367×10-27kg3、阿佛加德罗常数NoNo是联系微观物理量与宏观物理量的纽带。例：①Nok=R普适气体常数R，k：玻尔兹曼常数②Noe=F法拉第常数F=96486.7C/mol微观物理量通过No这个大常数与宏观物理量联系，告诉我们原子和分子实际上是多么的小。二.原子的大小量级将原子看作是球体,1摩尔原子占体积为343ArN如果物质的密度为，A为原子量，则1摩尔原子占有体积3A/cm34()3AAgrN1334ArNA例如Li原子A=7，=0.7，rLi=0.16nm；Pb原子A=207，=11.34，rPb=0.19nm；ρρ原子的半径都约为10-10m即Å的量级。三.关于电子1．电子的发现1874年Stoney提出电荷的最小单位AeFN1881年Stoney命名电量子为电子1899年Thomson测量和eem1897年J.J.Thomson证实阴极射线由负电微粒组成通过磁场中的偏转测eem电子的发现1833年1mol一价离子所带电量为常数（法拉第常数）FFaraday电解定律：析出物质量正比于电解液电量Millikan油滴实验精确测定e1909年J.J.Thomson(1856-1940)inrecognitionofthegreatmeritsofhistheoreticalandexperimentalinvestigationsontheconductionofelectricitybygasesTheNobelPrizeinPhysics1906TheNobelPrizeinPhysics1923forhisworkontheelementarychargeofelectricityandonthephotoelectriceffectR.Millikan(1868-1953)1897年汤姆逊从如右图放电管中的阴极射线发现了带负电的电子,并测得了e/m比。B_+E2．电子的电量和质量（1）加电场：P1-〉P2阴极射线带负电（2）再加磁场：P2-〉P1BeveE（3）去电场：射线成一圆形轨迹2mvBevr可求电子的荷质比e/m11e1.758810C/Kgme=1.602×10－19（c）me=9.109×10－31kg3．电子的大小质子质量：-27pm1.672610Kgpem1836.15m原子物理中重要的两个无量纲常数之一。从电子的静电固有能估计电子的经典半径：15er~2.8102.8mfm•1903年英国科学家汤姆逊提出“葡萄干蛋糕”式原子模型或称为“布丁”模型。汤姆逊正在进行实验1.2粒子的散射实验和原子的核模型一.汤姆逊原子模型为研究原子内部的结构和电荷分布，人们很自然的想利用高速粒子去轰击原子，根据入射粒子的散射情况来了解原子内部的情形。二.粒子散射实验1896年，贝克勒尔发现了放射性现象，一种带正电的射线叫射线。卢瑟福对射线作了系统的研究，确认射线实际上是高速运动的He++离子（1908，他还发现了用粒子打在荧光屏上，通过对发光次数的计数来确定粒子的数目。散射：粒子流射入物体，与物体中的粒子相互作用，沿各个方向射出的现象。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。1.设计思想粒子散射应当与原子内部正电荷分布情况相关！“在我年轻时，我观察过粒子的散射，并且盖革博士（助手）在我的实验室中仔细地研究了它。他发现在重金属薄片中粒子的散射一般是微小的，约一度左右。有一天盖革走过来对我说，‘你是否认为跟我搞放射性方法的年轻人马斯登应该开始作一点研究？’我说，为什么不让他查看一下是否粒子能有大角度的散射？’。。。”……卢瑟福(a)侧视图(b)俯视图•R:放射源F:散射箔•S:闪烁屏B:圆形金属匣•A:带刻度圆盘C:光滑套轴•T:抽空B的管M:显微镜实验装置和模拟实验2、实验装置及结果结果：。绝大多数散射角小于2度；约1/8000散射角大于90度，有的几乎达180度。大角散射是值得注意的现象。“……然后，我记得是在两三天以后，盖革十分兴奋地跑来告诉我，‘我们已经能够看到某些散射粒子向后方跑出来了……’那直是我一生中从未有过的最难以置信的事件，它几乎就象你用15吋的炮弹射击一张薄纸，结果炮弹返回来击中了你那样也令人难以置信！”……卢瑟福汤姆逊提出原子的布丁(pudding)模型,认为正电荷均匀分布在半径为R的原子球体内,电子像布丁镶嵌在其中,如下左图3、汤姆逊原子模型解释大角散射的困难布丁模型核心模型Fvm22022max0522v421/v4221.44fmMeV0.1nm(MeV)310(MeV)KKZeRpFtRpZempRZEZEP+Ze按照布丁模型，原子只对掠过边界（R）的α粒子有较大的偏转。pEK=5.0MeV，Z(金)=79，θmax10-3弧度≈0.057o。布丁模型下，单次碰撞不可能引起大角散射！多次散射呢？多次散射引起的偏转角仍很小，在1度左右。要发生大于90o的散射，需要与原子核多次碰撞，其几率为10-2000!远小于实验测得的大角度散射几率1/8000。“而当我做出计算时看到，除非采取一个原子的大部分质量集中在一个微小的核内的系统，否则是无法得到这种数量级的任何结果的，这就是我后来提出的原子具有体积很小而质量很大的核心的想法。”……卢瑟福三、卢瑟福的原子模型及卢瑟福散射公式1、卢瑟福的原子核式模型1911年提出：原子由带正电荷并几乎占有全部质量的微小中心核以及绕核运行的电子所组成。定性解释：由于原子核很小，绝大部分粒子并不能瞄准原子核入射，而只是从原子核周围穿过，所以原子核的作用力仍然不大，因此偏转也很小，也有少数粒子有可能从原子核附近通过，这时，r较小，受的作用力较大，就会有较大的偏转，而极少数正对原子核入射的粒子，由于r很小，受的作用力很大，就有可能反弹回来。所以卢瑟福的核式结构模型能定性地解释α粒子散射实验。2、卢瑟福散射公式假定：单次散射；仅考虑粒子-核库仑排斥；靶核不动（1）单个α粒子被单个核散射情形α粒子从无穷远以瞄准距离b射向原子核;在核库仑力作用下,偏离入射方向飞向无穷远,出射与入射方向夹角θ称散射角。这个过程称库仑散射。22012c42vZebtgM见周衍柏《理论力学教程》……库仑散射公式。散射角θ与瞄准距b有关。问题：b不能直接测量，实验可测散射到θ-θ+dθ的粒子数。bdbdb那些瞄准距在b-b+db间，或者说，凡通过dσ环形面积的α粒子，散射后必定射向θ-θ+dθ对应的空心锥壳。α粒子射到θ-θ+dθ角度的几率正比于环形面积。dσbdbd2dMvZe23222220sincos)2()41(22224021()()4sinZeddMV222sin4sincosddd…………卢瑟福散射公式d：称为原子核的有效散射截面。具有面积量纲。（2）α粒子被靶散射到θ-θ+dθ的总截面设N为靶的单位体积原子数，靶厚t，靶被打中的面积A。假设靶原子对射来的α粒子前后互不遮蔽（对薄的金属箔成立）。则与一给定立体角dΩ相应的总散射截面：dΣ=NtA*dσ（3）n个α粒子中被靶散射到θ-θ+dθ的粒子数dn242220n1ZesinnN()()24MvdtdAnddndndNtdnAnNtdndd：代表了一个α粒子被一个核散射到θ-θ+dθ之间那么一个立体角dΩ内的几率，故有效散射截面也称做几率。……d的物理意义.3、卢瑟福散射公式的实验验证242220n1ZesinnN()()24Mvdtdddndnd1）同一粒子源，同一个靶常数24Sindnd2）同一粒子源，同一种材料的靶，同一散射角tdnd3）同一个靶，同一个散射角常数4vdnd4）用同一个粒子源，在同一个散射角，对同一Nt值1）--3）1913年盖革－马斯顿实验；4）1920年查德维克实验四、原子核大小估计取α粒子达到离原子核最近的距离，作为原子核半径上限的估计值。能量守恒定律mrZeMVMV022'2422121角动量守恒定律mrMVMVb'此时径向速度为零！由上两式及库仑散射公式可得))2/sin(11(241220Mvzerm•对铜箔散射，θ=180°时，卢瑟福公式成立，α粒子能量5.3Mev，z=29，则rm=1.58×10-14m大，mr小，0180时，220124/2mzeraMv•对金箔散射，θ=150°时，卢瑟福公式成立，α粒子速度v=0.064c，z=79，则rm=3×10-14m。实际核的半径必小于这里的值，后来从其它实验测定量级在10-14m~10-15m范围。五、卢瑟福模型的意义与困难意义：•粒子散射实验为人类开辟了一条研究微观粒子结构的新途径，以散射为手段来探测，获得微观粒子内部信息的方法，为近代物理实验奠定了基础，对近代物理有着巨大的影响;•粒子散射实验还为材料分析提供了一种手段。•建立了一个与实验相符的原子结构模型;伟大的创造，经常在解决老问题的同时，又孕育着新的问题。困难:原子的再生性4、原子线状光谱问题1、原子稳定性问题2、原子的同一性问题3、原子的再生性问题纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，纳米金属铜的超延展性碳纳米管.它的密度是钢的1/6，而强度却是钢的100倍它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应