原子物理学(原子的位型卢瑟福原子模型 )
原子物理学第一、二章：卢瑟福模型、玻尔模型
第一章：原子的位形：卢斯福模型
第五节：行星模型的意义及困难 2.原子的同一性
任何元素的原子都是确定的，某一元素的所 有原子之间是无差别的，这种原子的同一性是 经典的行星模型无法理解的。
3.原子的再生性 一个原子在同外来粒子相互作用以后，这个 原子可以恢复到原来的状态，就象未曾发生过 任何事情一样。原子的这种再生性，是卢瑟福 模型所无法说明的.
Automic Physics 原子物理学
第二章：原子的量子态：玻尔模型
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 背景知识 玻尔模型 光 谱
夫兰克--赫兹实验 玻尔理论的推广
第二章：原子的量子态：玻尔模型
第一节：背景知识
卢瑟福模型把原子看成由带正电的原子核和围绕核运动的一 些电子组成，这个模型成功地解释了α粒子散射实验中粒子的 大角度散射现象
2
1
hv
e
c2
1
上式中的 h 就是著名的普朗克常量，其曲线与实验值 完全吻合，而这一公式是普朗克根据实验数据猜出来的。 由此公式当v->0和v->∞时分别都可得到与瑞利--金斯和 维恩公式相同的形式。
第二章：原子的量子态：玻尔模型
第一节：背景知识
此公式虽然符合实验事实但其在公布时仍没有理论根据,就在普朗克公式公 布当天，另一位物理学家鲁本斯将普朗克的结果与他的最新测量数据进行核对， 发现两者以惊人的精确性相符合。 第二天鲁本斯就把这一喜讯告诉了普朗克,从而使普朗克决心：“不惜一切 代价，找到一个理论解释。”
可是当我们准备进入原子内部作进一步的考察时，却发现已经 建立的物理规律无法解释原子的稳定性，同一性和再生性。 玻尔（N.Bohr）基于卢瑟福原子模型，原子光谱的实验规 律以及普朗克的量子化概念，于1913年提出了新的原子模型并 成功地建立了氢原子理论，解释了氢光谱的产生，玻尔理论还 可以准确地推出巴尔末公式，并能算出里德伯常数的理论值。 不过当玻尔理论应用于复杂一些的原子时，就与实验事实 产生了较大的出入。这说明玻尔理论还很粗略，直到1925年量 子力学建立以后，人们才建立了较为完善的原子结构理论。
原子物理学杨福家第一章答案
原子物理学课后答案（第四版）杨福家著(高等教育出版社)第一章：原子的位形：卢瑟福模型第二章：原子的量子态：波尔模型第三章：量子力学导论第四章：原子的精细结构：电子的自旋第五章：多电子原子：泡利原理第六章：X射线第七章：原子核物理概论第八章：超精细相互作用原子物理学——学习辅导书吕华平刘莉主编（7.3元定价）高等教育出版社第一章习题答案第一章 习题1、2解1.1 速度为v 的非相对论的α粒子与一静止的自由电子相碰撞，试证明：α粒子的最大偏离角约为10-4rad.要点分析: 碰撞应考虑入射粒子和电子方向改变.并不是像教材中的入射粒子与靶核的碰撞(靶核不动).注意这里电子要动.证明：设α粒子的质量为M α，碰撞前速度为V ，沿X 方向入射；碰撞后，速度为V'，沿θ方向散射。
电子质量用me 表示，碰撞前静止在坐标原点O 处，碰撞后以速度v 沿φ方向反冲。
α粒子-电子系统在此过程中能量与动量均应守恒，有：（1）ϕθααcos cos v m V M V M e +'= （2）ϕθαsin sin 0v m V M e -'= （3）作运算：（2）×sin θ±(3)×cos θ,（4）（5）再将（4）、（5）二式与（1）式联立，消去Ｖ’与v，化简上式，得（６）θϕμϕθμ222s i n s i n )(s i n +=+ （７）视θ为φ的函数θ（φ），对（7）式求θ的极值，有令sin2(θ+φ)-sin2φ=0 即 2cos(θ+2φ)sin θ=0若 sin θ=0, 则 θ=0（极小） （8）（2）若cos(θ+2φ)=0 ,则 θ=90º-2φ （9）将（9）式代入（7）式，有θϕμϕμ2202)(90si n si n si n +=-θ≈10-4弧度（极大）此题得证。
1.2（1）动能为5.00MeV 的α粒子被金核以90°散射时，它的瞄准距离（碰撞参数）为多大？ （2）如果金箔厚1.0 μm ，则入射α粒子束以大于90°散射（称为背散射）的粒子数是全部入射粒子的百分之几？要点分析:第二问是90°～180°范围的积分.关键要知道n, 注意推导出n 值.其他值从书中参考列表中找.解：（1）依金的原子序数Z2=79答：散射角为90º所对所对应的瞄准距离为22.8fm.(2)解: 第二问解的要点是注意将大于90°的散射全部积分出来. (问题不知道nA,但可从密度与原子量关系找出)从书后物质密度表和原子量表中查出ZAu=79,AAu=197, ρAu=1.888×104kg/m3依θa 2sin即单位体积内的粒子数为密度除以摩尔质量数乘以阿伏加德罗常数。
第1章 原子的位形：卢瑟福模型
内容：
1、汤姆孙原子结构模型 2、原子的核式结构 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
§1背景知识
一 电子的发现
图１汤姆逊正在进行实验
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
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
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：
dn sin4 d
2
1 (
4 0
)2
(
Ze2 MV 2
)2 nNt
五、卢瑟福理论的实验验证
dn sin4 d
2
1 (
4 0
)2
(
Ze2 MV 2
)2 nNt
dn dn d d
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
粒子受到散射时，它的出
( a) 侧视图 (b) 俯视图。R:放射源； 射方向与原入射方向之间的
F:散射箔； S:闪烁屏；B:金属匣
夹角叫做散射角。
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°。
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
困难：作用力F太小，不能发生大角散射。 解决方法：减少带正电部分的半径R，使作用力增大。
三 卢瑟福的核式模型
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。
原子物理学复习总结提纲
第一章 原子的位形：卢瑟福模型一、学习要点1、原子的质量和大小R ~10-10 m , N A =6.022⨯1023mol -1,1u=1.6605655⨯10-27kg2、原子核式结构模型(1)汤姆孙原子模型(2)α粒子散射实验：装置、结果、分析(3)原子的核式结构模型(4)α粒子散射理论： 库仑散射理论公式：221212200cot cot cot 12422242C Z Z e Z Z e a b E m v θθθπεπε===⋅'⋅ 卢瑟福散射公式：222124401()4416sin sin 22Z Z e a d d dN N nAt ntN E A θθπεΩΩ'== 2sin d d πθθΩ=实验验证:1422sin ,,Z , ,2A dN t E n N d θρμ--'⎛⎫∝= ⎪Ω⎝⎭，μ靶原子的摩尔质量 微分散射面的物理意义、总截面 24()216sin 2a d d b db σθπθΩ==()022212244()114416sin 22Z Z e d a d E Sin σθσθθθπε⎛⎫≡== ⎪Ω⎝⎭ (5)原子核大小的估计: α粒子正入射（0180θ=）：：2120Z Z 14m c e r a E πε=≡ ,m r ～10－15－10－14m第一章自测题1. 选择题(1)原子半径的数量级是：A ．10－10cm; B.10-8m C. 10-10m D.10-13m(2)原子核式结构模型的提出是根据α粒子散射实验中：A.绝大多数α粒子散射角接近180︒B.α粒子只偏2︒～3︒C.以小角散射为主也存在大角散射D.以大角散射为主也存在小角散射（3）进行卢瑟福理论实验验证时发现小角散射与实验不符这说明：A.原子不一定存在核式结构B.散射物太厚C.卢瑟福理论是错误的D.小角散射时一次散射理论不成立(4)用相同能量的α粒子束和质子束分别与金箔正碰，测量金原子核半径的上限. 问用质子束所得结果是用α粒子束所得结果的几倍？ A. 1/4 B . 1/2 C . 1 D. 2(5)动能E K =40keV 的α粒子对心接近Pb(z=82)核而产生散射,则最小距离为（m ）：A.5.91010-⨯B.3.01210-⨯C.5.9⨯10-12D.5.9⨯10-14 (6)如果用相同动能的质子和氘核同金箔产生散射,那么用质子作为入射粒子测得的金原子半径上限是用氘核子作为入射粒子测得的金原子半径上限的几倍？ A.2 B.1/2 C.1 D .4(7)在金箔引起的α粒子散射实验中,每10000个对准金箔的α粒子中发现有4个粒子被散射到角度大于5°的范围内.若金箔的厚度增加到4倍,那么被散射的α粒子会有多少？ A. 16 B.8 C.4 D.2(8）在同一α粒子源和散射靶的条件下观察到α粒子被散射在90°和60°角方向上单位立体角内的粒子数之比为：A ．4:1 B.2:2 C.1:4 D.1:8（9）在α粒子散射实验中,若把α粒子换成质子,要想得到α粒子相同的角分布,在散射物不变条件下则必须使：A ．质子的速度与α粒子的相同；B ．质子的能量与α粒子的相同；C ．质子的速度是α粒子的一半；D ．质子的能量是α粒子的一半2. 填空题（1）α粒子大角散射的结果证明原子结构为 核式结构 .（2）爱因斯坦质能关系为 2E mc = .（3）1原子质量单位（u ）= 931.5 MeV/c 2. (4) 24e πε= 1.44 fm.MeV. 3．计算题习题1-2、习题1-3、习题1-5、习题1-6.4．思考题1、什么叫α粒子散射？汤姆孙模型能否说明这种现象？小角度散射如何？大角度散射如何？2、什么是卢瑟福原子的核式模型？用原子的核式模型解释α粒子的大角散射现象。
原子物理第一章 原子的位形卢瑟福模型
§1.3 卢瑟福散射公式
一、库仑散射公式
推导库仑散射公式的基本假设: 1、只发生单次碰撞； 2、只有库仑相互作用； 3、核外电子的作用可以忽略； 4、靶核静止。
库仑散射公式的推导过程（参见书P15-17）。
库仑散射公式 b a cot
为方便起见，国际上规定 12C 的质量为12u（u为原子
质量单位），故
m p 1.007276470( 12 )u 三、阿伏伽德罗常数
1mol分子或原子的数目 N A 6.0221367( 36 )1023
阿付伽德罗常数由法国科学家让·贝汉（Jean Baptiste Perrin)提出，而在1865年，NA的值才首次通过科学的方法 测定出，测定者是德国人约翰·洛施米特（Johann Josef Loschmidt）。是联系宏观和微观之间的桥梁。阿氏常量如 此巨大，正说明微观世界之细小。
22
式中， a Z1Z 2 e 2
4 0 E
a为库仑散射因子，b为瞄准距离，也称碰撞参数即
入射粒子与固定散射体无相互作用情况下的最小直线
作用距离。θ为散射角。
该图描述了入射能量为E，电荷为Z1e的带电 粒子，与电荷为Z2e的靶核发生散射的情况。
库仑力是中心力满足角动量守恒方程
F ma Z1Z2e2 r m dv dv d
E
1 2
m
vi2
1 2
m
v
f
2
vi v f
v f vi 2v sin 2
r是变化的单位矢量, 积分需要变换成固定的单位矢量 , 再积分
d
r
0
i
cos
原子的位形：卢瑟福模型
Thomson模型 α散射实验 Thomson模 型的失败
Rutherford模 型的提出
目录
结束
第一章：原子的位形：卢瑟福模型
第二节：卢瑟福模型的提出 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。
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。
back
0.16
0.14 0.18 0.19
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第一章：原子的位形：卢瑟福模型第一节：背景知识Fra bibliotek电子的发现
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NA个。
原子
电子
关于卢 瑟福
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。(F=9.64846× 104 C/mol)
Thomson模型 α散射实验 Thomson模 型的失败
Rutherford模 型的提出
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目录
结束
第一章：原子的位形：卢瑟福模型
第二节：卢瑟福模型的提出 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。
第一章：原子的位形：卢瑟福模型
第一节 原子的质量和大小
第二节 卢斯福模型的提出 第三节 卢斯福散射公式
小结
第四节 卢斯福公式的实验验证
第五节 行星模型的意义及困难
第一节 原子的质量和大小
一、原子的质量
1、原子的质量单位：1u=1.66×10-27kg
规定：将静止的碳（162C ）的质量的十二分之一定为原子
207
11.34
1.9
也可以通过其它方法估算原子半径，如范德瓦尔斯方程 等，但其数量级不变，都为10-10米（埃）数量级。
第二节：卢斯福模型的提出
一、Thomson模型
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” 。
mv mv meve m v meve
1
2
m v
2
1 2
m
v
'2
1 2
meve
2
m (v 2 v '2) meve2
NA=6.02214×1023mol-1 一摩尔某元素的质量在数值上等于该元素的原子量A （以克每摩尔为单位）。
4、原子的绝对质量：
MA
A NA
二、原子的大小
在目前的手段下，对原子的大小还不能直接测量，而是要 通过间接方法测量。
在固体和液体中，各原子几乎相互接近，特别是在晶体中， 原子按一定的规律排列成点阵，这就为估计原子的大小提供 了方便。
如上图,我们假设α 粒子以速度 V 射来,且在原子附近度过的 整个时间内均受到 Fmax 的作用,那么会产生多大角度的散射呢?
原子物理学 原子的位形：卢瑟福模型 (1.3.1)--卢瑟福模型的提出卢瑟福散射公式
A
/
所以原子的半径 r 3 3A，/ 4pN A
依此可以算出不同原子的半径 (10-10m).
r 3 3A / 4pN A
第一节 背景知识
2 、从气体分子论估计原子的大小
气体的平均自由程， l
4
1
2Np r2
其中是 l分子的平均自由程， N是单位体积内的分子数 ， r是分子的半径（假定为球形），简单分子的半径
一一位位最最先先打打开开通通向向基基本本粒粒子子物物理理学学大大门门的的 伟伟人人
约瑟夫 · 约翰 · 汤姆孙爵士，（ Sir Joseph John Thomson ， 1856年12月18日－ 1940 年8月30日），英国物理学家，电子的发现 者。
汤姆孙 1856 年出生于英格兰的曼彻斯特附近，苏格兰人家庭。 1884 年他成为卡文迪许物理学教授，即卡文迪许实验室主任。 受到詹姆斯·克拉克·麦克斯韦工作的影响和 X射线的发现，他推导 出阴极射线存在于带负电的粒子，他称之为“微粒”，这种微粒现 在认识为电子。电子曾经被约翰斯东 · 斯通尼提出过，作为电化 学中电荷的单位，但是汤姆孙认识到电子也是亚原子粒子，这一 点是第一次被发现。 1897 年他的发现为人所知，并在科学圈内 引起了轰动，并最终于 1906 年被授予诺贝尔物理学奖。
微观
宏观
原子单位 u 电子电荷 e 玻尔兹曼常量 k
质量单位 g
NA
法拉第常量 F
普适气体常量 R
第一节 背景知识
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 NA 个。
1833 年，法拉第（ M.Faraday ）提出电解定律， 1m ol 任何原子的单价离子永远带有相同的电量 - 即法拉第 常数。
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1-2-3 解释 粒子散射实验(6)
• 带正电物质散射（汤氏模型）(6)
– 粒子对金的散射角
E 5MeV Z=79
p 3105 Z rad<104 Z rad<103 rad
p
E
E
–一次散射的散射角 103 rad
–重复散射也不会产生大角度
• 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
2m v0 m
2v0
p m v0 m v1 meve 2mev0
1 2
m v02
1 2
m v12
1 2
meve2
m (v02 v12 ) meve2
m (v0 v1 )(v0 v1 ) meve2
ve
2m v0 m me
m v0 m v1 meve m (v0 v1) meve meve (v0 v1 ) meve2
• 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
α粒子散射实验：
探测器
α粒子
金原子
1-2-2 粒子散射实验(2)
• 实验结果：
–绝大多数 粒子散射角： ~ 2º- 3º –1/8000的 粒子散射角：> 90º
• 奇怪
–相当于炮弹被一张纸反弹回来一样！
–汤姆逊原子模型与实验不符!
1-3 卢瑟福散射公式
1. 库仑散射公式的推导 2. 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
散射角
瞄准距离 碰撞参数
1-3-1 库仑散射公式的推导(2)
• 库仑散射公式
b a ctg
22
a Z1Z2e2
4 0 E
库仑散射因子
1-3-1 库仑散射公式的推导(3)
• 假定：
1. 单次散射 2. 点电荷，库仑相互作用 3. 核外电子的作用可略 4. 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
v F
mav
Z1Z2e2
4 0 r 2
)1 3
4 N A
A/ NA
数量级：r ~ 10-10 m = 1 Å
1-2 卢瑟福模型的提出
1. 原子正负电荷如何分布? 2. 粒子散射实验 3. 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）。
(v0 v1 ) ve
1-2-3 解释 粒子散射实验(5)
• 带正电物质散射（汤氏模型）(5)
–电子对α粒子的偏转的贡献（对头撞）(2)
p m v0 mv1 meve 2mev0 p m v0 p 2mev0 2me 1 104
p m v0 m 4000
电子引起α粒子的偏转角非常小 可以说几乎没有什么贡献
rv0
m
dvv dt
mr2 d L
dt
中心力角动量守恒
Z1Z2e2 rv0 m dvv d
4 0 r 2
d dt
dvv
1
4 0
Z1Z2e2
mr2 d
d rv0
Z1Z2e2
4 0 L
d rv0
1-1 背景知识
1. 电子的发现 2. 电子的电荷和质量 3. 原子的大小
1-1-1 电子的发现
• 汤姆逊阴极射线实验+ -
–实验装置
D
C
P1
E
H⊙
P2
A ,B
+
–阴极射线(C)狭缝(A,B)金属板(D,E)荧光屏 ––D再,加E加磁电场场HvEv射射线线P2P1P1P2H阴ev极=E射e 线带v=负E/电H
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[u] ≡ 1个12C 原子质量/12
12克
1
.
[克] 1.66 10 24[克]
12 N A
NA
–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 = 4 r3
3
= 一个原子的质量 / 原子质量密度 =
原子半径 r = (
3A
–去掉电场 射线半径r mv2/r= Hev
e/m=v/Hr
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 = 1.6×10-19 C (库仑)
电子质量 me = 9.1×10-31 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 e
me 1
mp
mp 1836
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]
–散射角
F 1 2Ze2
40 R2
p
p
p’
p
p
–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(3)
• 带正电物质散射（汤氏模型）(3)
–相对动量的变化
e2
p 2FR / v 2Ze2 /(40R)
p m v
1 2
m
v
2
E
R
40 2Z 1.44fmMeV/0.1nm 3105 Z rad
E (MeV)
E
1-2-3 解释 粒子散射实验(4)
• 带正电物质散射（汤氏模型）(4)
–电子对α粒子的偏转的贡献（对头撞）(1)
动量、动能守恒
m v0 m v1 meve ,
1 2
m v02
1 2
m v12
Байду номын сангаас1 2
meve2
入射的粒子 散射后的粒子 散射后的电子
ve
2m v0 m me
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
1 2Ze2
F
4
0
1
4 0
r2
2Ze2 R3
r
rR rR
R
r
原子半径
1-2-3 解释 粒子散射实验(2)
• 带正电物质散射（汤氏模型）(2)
– 正电荷Ze对粒子(2e)的最大力