原子物理第一章.

第一章原子的基本状况内容：1、原子的质量和大小3、卢瑟福散射理论4、原子的组成和大小5、卢瑟福核式结构的意义和困难重点：原子的核式结构、卢瑟福散射理论2、汤姆逊原子结构模型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。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。4、原子的大小量级§1.2汤姆逊原子结构模型一电子的发现1897年，汤姆逊通过阴极射线管的实验发现了电子，并进一步测出了电子的荷质比:e/m汤姆逊被誉为:“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人.”图１汤姆逊正在进行实验图2阴极射线实验装置示意图加电场E后，射线偏转，阴极射线带负电。再加磁场H后，射线不偏转，。去掉电场E后，射线成一圆形轨迹，求出荷质比。qEBqBE/rmBq/22//rBEmq微粒的荷质比为氢离子荷质比的千倍以上阴极射线质量只有氢原子质量的千分之一还不到电子电子电荷的精确测定是在1910年由R.A.密立根（Millikan）作出的，即著名的“油滴实验”。e=1.60217733×10-19C，m=9.1093897×10-31kg。质量最轻的氢原子：1.673×10-27kg原子质量的数量级：10-27kg——10-25kg0NAMA310)43(NAr•A：以克为单位时,一摩尔原子的质量.。N0:阿伏加德罗常数。(6.0221023/mol)原子的半径－10-1０m（0.1nm）二、汤姆逊原子模型－布丁模型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“西瓜”模型－原子中正电荷和质量均匀分布在原子大小的弹性实心球内，电子就象西瓜里的瓜子那样嵌在这个球内。该模型对原子发光现象的解释－电子在其平衡位置作简谐振动的结果，原子所发出的光的频率就相当于这些振动的频率。§1.3原子的核式结构(卢瑟福模型)一盖革－马斯顿实验实验结果：大多数散射角很小，约1/8000散射大于90°；极个别的散射角等于180°。(a)侧视图(b)俯视图。R:放射源；F:散射箔；S:闪烁屏；B:金属匣α粒子：放射性元素发射出的高速带电粒子，其速度约为光速的十分之一，带+2e的电荷，质量约为4MH。散射：一个运动粒子受到另一个粒子的作用而改变原来的运动方向的现象。粒子受到散射时，它的出射方向与原入射方向之间的夹角叫做散射角。这是我一生中从未有过的最难以置信的事件，它的难以置信好比你对一张白纸射出一发15英寸的炮弹，结果却被顶了回来打在自己身上－卢瑟福的话二汤姆逊模型的困难近似1：粒子散射受电子的影响忽略不计，只须考虑原子中带正电而质量大的部分对粒子的影响。当rR时，原子受的库仑斥力为：当rR时，原子受的库仑斥力为：当r=R时，原子受的库仑斥力最大：近似2：只受库仑力的作用。220241rZeFrRZeF320241220max241RZeF粒子受原子作用后动量发生变化：最大散射角：RVZetFp02max44202024444VRMZeVRVMZepptg410~大角散射不可能在汤姆逊模型中发生,散射角大于3°的比1%少得多；散射角大于90°的约为10-3500.必须重新寻找原子的结构模型。解决方法：减少带正电部分的半径R，使作用力增大。困难：作用力F太小，不能发生大角散射。据美国物理学家组织网6日报道，维也纳大学和奥地利科学院的物理学家凭借143公里的成绩打破量子远距传输的最远距离纪录。这项成就是在朝着基于卫星的量子通讯道路上向前迈出的重要一步。研究成果刊登在《自然》杂志上。实验中，奥地利物理学家安东-泽林格领导的一支国际小组成功在加那利群岛的两个岛屿——拉帕尔玛岛和特纳利夫岛间实现量子态传输，距离达到143公里。此前的纪录由中国研究人员在几个月前创造，成绩为97公里。打破传输距离并不是科学家的首要目标。这项实验为一个全球性信息网络打下了基础，在这个网络，量子机械效应能够大幅提高信息交换的安全性，进行确定计算的效率也要远远超过传统技术。在这样一个未来的“量子互联网”，量子远距传输将成为量子计算机之间信息传送的一个关键协议。在量子远距传输实验中，两点之间的量子态交换理论上可以在相当远的距离内实现，即使接收者的位置未知也是如此。量子态交换可以用于信息传输或者作为未来量子计算机的一种操作。在这些应用中，量子态编码的光子必须能够传输相当长距离，同时不破坏脆弱的量子态。奥地利物理学家进行的实验让量子远距传输的距离超过100公里，开辟了一个新疆界。发表时间:2012-09-10原子序数为Z的原子的中心,有一个带正电荷的核(原子核),它所带的正电量Ze,它的体积极小但质量很大,几乎等于整个原子的质量,正常情况下核外有Z个电子围绕它运动。定性地解释：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。三卢瑟福的核式模型1．库仑散射公式四、卢瑟福散射理论上式反应出b和的对应关系。b小，大；b大，小假设：忽略电子的作用、粒子和原子核看成点电荷、原子核不动、大角散射是一次散射结果bZeEbZeMctgk202204242要得到大角散射，正电荷必须集中在很小的范围内，粒子必须在离正电荷很近处通过。问题：b是微观量，至今还不可控制，在实验中也无法测量，所以这个公式还不可能和实验值直接比较。2．卢瑟福散射公式环形面积：b→dbb→d问题：环形面积和空心圆锥体的立体角之间有何关系呢?bdbd2dMvZe23222220sincos)2()41(空心锥体的立体角：ddd22cossin4sin2d与d的对应关系：2422220sin)()41(dMVZed公式的物理意义：被每个原子散射到+d之间的空心立体角d内的粒子，必定打在bb-db之间的d这个环形带上。d称为有效散射截面(膜中每个原子的)，又称为微分截面。bZeEbZeMctgk202204242近似3：设薄膜很薄，薄膜内的原子核对射来的粒子前后不互相覆盖。设有一薄膜，面积为A，厚度为ｔ，单位体积内的原子数为N，则薄膜中的总原子数是：NAtN＇则N’个原子把粒子散射到d中的总有效散射截面为：NAtddNd`AnddnNtdAdndnnNtdnd所以d也代表粒子散射到之间的几率的大小，故微分截面也称做几率，这就是d的物理意义。将卢瑟福散射公式代入并整理得：d~nNtMVZeddn2222024)()41(sin五、卢瑟福理论的实验验证从上式可以预言下列四种关系：（1）在同一粒子源和同一散射物的情况下(2)用同一粒子源和同一种材料的散射物，在同一散射角，(3)用同一个散射物，在同一个散射角，(4)用同一个粒子源，在同一个散射角，对同一Nt值，ddndndnNtMVZeddn2222024)()41(sin常数24Sindndtdnd常数4vdnd2Zdnd１９１３年盖革－马斯顿实验，１９０２查德维克角动量守恒定律由上两式及库仑散射公式可得六、原子核半径的估算能量守恒定律mrZeMVMV022'2422121mrMVMVb'))2/sin(11(241220MvzermRｍ=3×10-14m（金）Rｍ=1.2×10-14m（铜）10-14m10-15m七、粒子散射实验的意义及卢瑟福模型的困难（一）意义：1、最重要意义是提出了原子的核式结构，即提出了以核为中心的概念2、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。3、粒子散射实验还为材料分析提供了一种手段。（二）困难1、原子稳定性问题2、原子线状光谱问题八、原子的大小核式结构－原子由原子核及核外电子组成1、原子核半径－10-14m(fm)原子的半径－10-1０m（0.1nm）2、电子半径－10-1８m问题讨论：(l)d的物理意义？(2)库仑散射公式为什么不能直接检验?(3)如果粒子以一定的瞄准距离接近原子核时，以90o角散射，当粒子以更小的瞄准距离接近原子核时，散射角的范围是什么?(4)卢瑟福依据什么提出他的原子模型?(5)卢瑟福模型与汤姆逊模型的主要区别是什么?作业：第一章课后习题1、3、4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