原子物理学课件 (12)

原子物理学

原子和原子核

佚名

【电子】是一种最小的带电粒子。它也是最早被人们发现的基本粒子。带负电，电量为，1.602189×10-19库仑。是电量的最小单元。质量为9.10953×10-28克。常用符号e表示。电子在原子中，围绕于原子核外，其数目与核内的质子数相等，亦等于原子序数。导线中电流的产生即是电子流动的结果。一安培的电流相当于每秒通过6.24×1018个电子。利用电场和磁场，能按照人们的要求控制电子的运动（特别是在真空中），从而制造出各种电子仪器和元件，如各种电子管，电子显像管、

正电子的质量和电子相等，它的电量的数值和电子相等而符号相反，即带正电。一个电子和一个正电子相遇会发生湮没而转化为一对光子，即

一对正负电子，常称为正负电子对（电子偶）。能量超过1.02MeV（兆电子伏特）的光子穿过铅板时，会产生电子一正电子对，这个反应表示为

电子的运动质量m与静止质量m0的关系为

这里v是电子运动速度，c是光速，这就是相对论的公式。

【原子】组成单质和化合物分子的最小粒子。不同元素的原子具有不同的平均质量和原子结构。原子是由带正电的原子核和围绕核运动的、与核电荷核数相等的电子所组成。原子的质量几乎全部集中在原子核上。在物理化学反应中，原子核不发生变化。只有在核反应中原子核才发生变化。

【汤姆逊的原子核模型】汤姆逊的原子核模型是最早提出的原子核模型，他认为：构成原子的正电荷是均匀分布于球状原子内，原子大小乃是此正电荷球之大小，电子则埋藏于此正电荷中，当电子受到外界激励时，它即以平衡位置为中心作振动而发射光。当a粒子穿过此原子时，a粒子将受到散射，因电子质量很小，这项散射之主要原因是正电荷之斥力作用。由电磁理论预示加速的带电物体如振动的电子等会发射电磁辐射，故根据汤姆生模型，便可了解受激原子会发射电磁辐射的性质。在实际计算其可能发射的辐射能谱，即发现此模型所导致的结果，与实验观察到的能谱在数值上并不相符。1911年卢瑟福对原子核散射a粒子的实验加以分析之后，便得出汤姆生模型不正确的结论。卢瑟福分析的结果表明，正电荷并非布满在整个原子内，而是集中在原子中心的极小区域，或原子核内，就此，汤姆生的原子模型便被废弃了。

原子物理与量子力学

Atomic Physics and Quantum Mechanics

哈尔滨理工大学应用科学学院应用物理系

《原子物理学》

- 1 - 原子物理学

第一章原子的位形

1-2) 解：① 22abctgE228e；库仑散射因子：a=4

)2)(4(420202EZeEZea22279()()1.44()45.545eZafmMevfmEMev

当901时，ctg2 122.752bafm

亦即：1522.7510bm

② 解：金的原子量为197A；密度：731.8910/gm

依公式，λ射粒子被散射到θ方向，d立体角的内的几率：

ntdadP2sin16)(42 (1)

式中，n为原子核数密度，()AAmnnN

即：AVnA (2)

由（1）式得：在90º→180 º范围内找到粒子得几率为：

)(P18022490ant2sin()164sin2dant

将所有数据代入得

)(P5()9.410

这就是粒子被散射到大于90º范围的粒子数占全部粒子数得百分比。

1-3)解：

4.5;79;,EMevZLiZ对于全核对于金74.5;79;,3;EMevZLiZ对于全核对于 - 2 - )2)(4(420202EZeEZearm

当Z＝79时

2791.4450.564.5mrfmMevfmMev

当Z＝3时，1.92;mrfm

但此时M并不远大于m，clmEE

21,(1)2ccMmEuvEaaMmM

4(1)3.027mcraafm

1-7)解

21016104242sin2cos42sin2cos42sin2cos241)180(02323022180321803218032221201800000000000ctgNAactgaANdaANdaAtNdEeZZntNdNPAmAmAmA

原子物理

一、原子结构

1.汤姆逊的枣糕模型

1903年物理学家汤姆生. Thomson,1856-1940)提出了一个原子结构模型,人们把它叫做"葡萄干蛋糕"模型.

汤姆生模型认为,正电荷均匀分布在整个原子球体中(球直径的数量级是10的-10次方米),带负电的电子散布在原子中,这些电子分布在对称的位置上.当这些电子静止在平衡位置上时,电子就会振动而使原子发光.

2.卢瑟福的核式结构模型模型

（1）背景——粒子散射实验

1909年，卢瑟福和他的同事以α粒子轰击重金属箔，即α粒子的散射实验，发现绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数发生偏转，并且有极少数偏转角超过了90°，有的甚至被弹回，偏转几乎达到180°。

（2）内容——核式结构模型模型

在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外的空间里绕核旋转，根据粒子散射的实验数据可估计出原子核的大小应在10-14nm以下。

3.波尔模型（1）背景——核式结构模型模型和经典理论及实验事实矛盾

电子与核运动会产生与轨道旋转频率相同的电磁辐射，运动不停，辐射不止，原子能量单调减少，轨道半径缩短，旋转频率加快。由此可得两点结论：

①电子最终将落入核内，这表明原子是一个不稳定的系统；

②电子落入核内辐射频率连续变化的电磁波。原子是一个不稳定的系统显然与事实不符，实验所得原子光谱又为波长不连续分布的离散光谱。如此尖锐的矛盾，揭示着原子的运动不服从经典理论所表述的规律。

（2）内容——波尔理论三假设

①原子只能处于一条列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽做加速运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫定态。

②原子从一种定态（设能量为E2）跃迁到另一种定态（设能量为E1）时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这种定态的能量差决定，即

h=E2-E1

③氢原子中电子轨道量子优化条件：氢原子中，电子运动轨道的圆半径r和运动初速率v需满足下述关系：

原子物理学讲义

第一章原子的位形：卢瑟福模型第 1 页共 9 页

《原子物理学》讲义

教材：杨福家《原子物理学》高等教育出版社.2000.7第三版

参考教材：褚圣麟《原子物理学》人民教育出版社.1979.6第一版

作者简介：1936年6月出生于上海，著名科学家，中科院院士。1958年复旦大学物理系毕业后留校任教，1960年担任复旦大学原子核物理系副主任。此后历任中国科学院上海原子核研究所所长、复旦大学研究生院院长、复旦大学校长、上海市科协主席等职。又受原本只有王室成员和有爵位的人才能担任校长的英国诺丁汉大学的聘请，于2001年出任该校第六任校长。2004年兼任宁波诺丁汉大学校长。

1984年获国家级“有突出贡献的中青年专家”称号。1991年当选为中国科学院院士，领导、组织并建成了基于加速器的原子、原子核物理实验室，完成了一批引起国际重视的研究成果。撰有《原子物理学》、《应用核物理》等专著。

课程简介：《原子物理学》是20世纪初开始形成的一门学科，主要研究物质结构的“原子”层次。随着近代物理学的发展，原子物理学的知识体系也在不断更新和充实。原子物理学的发展导致量子理论的发展，而量子力学又使原子物理学得以完善。

《原子物理学》这门课程是在经典物理课程（力学、热学、电磁学、光学）之后的一门重要必修课程。它以力、热、光、电磁等课程的知识为基础，从物理实验规律出发，引进量子化概念，探讨原子、原子核及基本粒子的结构和运动规律，从微观机制解释物质的宏观性质，同时介绍原子物理学知识在现代科学技术上的重大应用。本课程强调物理实验的分析、微观物第一章原子的位形：卢瑟福模型第 2 页共 9 页

理概念和物理图像的建立和理解。通过本课程教学，使学生初步了解物质的微观结构和运动规律，了解物质世界中三个递进的结构层次，为学习量子力学和后续专业课程打下基础。

本课程注重智能方面的培养，力求讲清基本概念，而大多数问题需经学生通过阅读思考去掌握。部分内容由学生自行学习。

高考物理一轮复习课件第十二章原子物理学

第 1 页共 44 页

第1节光电效应波粒二象性

一、光电效应

1．光电效应现象：在光的照射下金属中的电子从金属表面逸出的现象，称为光电效应，发射出来的电子称为光电子。 [注1]

2．光电效应的四个规律

(1)每种金属都有一个极限频率。[注2]

(2)光照射到金属表面时，光电子的发射几乎是瞬时的。

(3)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的频率增大而增大。

(4)光电流的强度与入射光的强度成正比。[注3]

3．遏止电压与截止频率

(1)遏止电压：使光电流减小到零的反向电压Uc。

(2)截止频率：能使某种金属发生光电效应的最小频率叫做该种金属的截止频率(又叫极限频率)。不同的金属对应着不同的极限频率。

二、爱因斯坦光电效应方程

1．光子说

在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光的能量子，简称光子，光子的能量ε＝hν。其中h＝6.63×10－34 J·s。(称为普朗克常量)

2．逸出功W0

使电子脱离某种金属所做功的最小值。[注4]

3．最大初动能

发生光电效应时，金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值。

4．爱因斯坦光电效应方程第 2 页共 44 页

(1)表达式：Ek＝hν－W0。

(2)物理意义：金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量的一部分用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后光电子的最大初动能Ek＝12mev2。

三、光的波粒二象性

1．光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性。

2．光电效应、康普顿效应*说明光具有粒子性。

3．光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性。

【注解释疑】

[注1] 光电子的本质就是电子，而不是光子。

[注2] 每种金属都有一个极限频率，入射光的频率不低于这个极限频率才能使金属产生光电效应。

[注3] 光照强度决定着每秒钟光源发射的光子数，频率决定着每个光子的能量。

12[1].第十二章原子物理

第十二章原子物理

一、考纲要求

1.天然放射现象，α、β、γ射线。半衰期。 A

2.原子核的人工转变、质子的发现、中子的发现、原子核的组成、核反应方程、放射性同位

素及其应用。A

3.放射性污染和防护。A

4.核能、质量亏损，爱因斯坦的质能方程。B

5.核反应性、核电站。A

6.重核的裂变、链式反应、轻核的聚变。A

7.可控热核反应。A

说明：不要求计算有关半衰期的问题。

二、知识结构

原子核分为两个部分去研究：

1.认识：天然放射现象、质子的发现、中子的发现。

2.对于核反应：一是分清核反应类型：放射性元素衰变、原子核人工转变、裂变、聚变。二是理解二个概念：核力、核能。三是会计算质量亏损，会用ΔE＝Δmc2计算结合能。

三、知识点、能力点提示

1.天然放射现象

原子序数大于83的所有天然存在的元素的原子核都不稳定，能自发地变为别种元素的原子核

，同时放出

(1)

α射线：氢原子核(42He)，它的电离本领很强，贯穿本领很小，v≈10c；

β射线：高速电子流(01e)它的电离本领较强，贯穿本领很强；

γ射线：波长极短的电磁波，它的电离本领很弱，贯穿本领最强。

(2)衰变规律。α衰变：AZX→42AzY+42He β衰变：AZX→AZ1Y+01e

(3)衰变快慢描述(半衰期)

放射线元素的原子核有半数发生衰变需要的时间，半衰期与元素所处的物理、化学状态无关。

2.原子核的人工转变、原子核的组成

原子核的人工转变是原子核在其它粒子作用下转变成另一种原子核的变化。

(1)质子的发现(卢瑟福)147N+42He → 178O+11H (2)中子的发现(查德威克)94Be+42He→126C+10n

(3)原子核的组成：由质子和中子组成。核电荷数＝质子数、质量数＝质子数+中子数。原子核反应遵守质量数和电荷数守恒。

(4)放射性同位素：人工放射性的发现：2713Al+42He→3015P+10n而3015P→3014Si+01e(正电子)，应用：利用它

12高中物理奥赛-第十二讲原子物理

物理奥赛辅导讲座

第十二讲

原子物理

xzlu@ 1 第十二讲原子物理学

知识要点：卢瑟福实验。原子的核式结构。玻尔模型。用玻尔模型解释氢光谱。玻尔模型的局限性。原子的受激辐射。激光。

原子核的量级。天然放射现象。放射线的探测。质子的发现。中子的发现。原子核的组成。核反应方程。质能方程。裂变和聚变。基本粒子。

一、原子结构

人们认识原子有复杂结构是从1897年汤姆生发现电子开始的。汤姆生通过研究对阴极射线的分析发现了电子，从而知道，电子是原子的组成部分，为了保持原子的电中性，除了带负电的电子外，还必须有等量的正电荷。因此汤姆生提出了―葡萄干面包‖模型：正电荷部分连续分布于整个原子，电子镶在其中。

1909年卢瑟福在粒子散射实验中，以粒子轰击重金属箔发现：大多数粒子穿过薄膜后的散射角很小，但还有八千分之一的粒子，散射角超过了900，有些甚至被弹回来，散射角几乎达到1800。1911年卢瑟福提出了原子核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核称为原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕核高速旋转。从粒子散射实验的数据可以估计出原子核的大小约为10-15——10-14米，原子半径大约为10-10米。原子核式结构模型较好的解释了粒子散射实验现象，也说明了汤姆生的―葡萄干面包‖模型是错误的。

二、玻尔的氢原子理论

1、巴耳末公式

1885年，瑞士物理学家巴耳末首先发现氢原子光谱中可见光区的四条谱线的波长，可用一经验公式来表示：

1  = R(122- 1n2) n=3，4，5……

式中为波长，R=1.0967758×10 7米-1称为里德伯恒量，上式称为巴耳末公式。

2、里德伯公式

1889年，里德伯发现氢原子光谱德所有谱线波长可用一个普通的经验公式表示出来：

原子物理学课件

第一部分：原子结构

原子是物质的基本组成单位，由原子核和电子组成。原子核位于原子的中心，由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电。电子带负电，围绕原子核运动。

原子的结构可以用波尔模型来描述。波尔模型认为，电子在原子核周围的运动是量子化的，即电子只能处于特定的能级上。当电子从一个能级跃迁到另一个能级时，会吸收或发射特定频率的光子。

原子物理学的研究对象包括原子、分子和凝聚态物质等。原子物理学的研究方法包括实验和理论计算。实验方法包括光谱学、散射实验和原子碰撞实验等。理论计算方法包括量子力学、量子场论和统计力学等。

原子物理学的研究对于理解物质的基本性质和结构具有重要意义。原子物理学的研究成果在许多领域都有应用，如材料科学、化学、生物学和天文学等。

第二部分：量子力学与原子

量子力学是描述原子和亚原子粒子的运动和相互作用的物理理论。在量子力学中，粒子的位置和动量不能同时精确测量，这就是著名的海森堡不确定性原理。

在原子物理学中，量子力学被用来解释电子在原子中的运动。根据量子力学，电子不是像波尔模型那样在固定的轨道上运动，而是在原子核周围形成概率云。电子在原子中的能级是量子化的，这意味着电子只能处于特定的能级上。量子力学在原子物理学中的应用还包括解释原子光谱和原子碰撞现象。原子光谱是原子发射或吸收光子时产生的光谱线，这些光谱线可以用来确定原子的能级结构。原子碰撞是指原子之间或原子与其他粒子之间的相互作用，这些相互作用可以导致原子能级的变化。

量子力学是原子物理学的基础，它为我们理解原子的性质和行为提供了重要的理论工具。量子力学的研究成果不仅对原子物理学的发展具有重要意义，也对其他物理学领域的研究产生了深远的影响。

第三部分：原子物理学的发展与应用

原子物理学的发展历程可以追溯到19世纪末20世纪初，当时科学家们开始研究原子的结构和性质。随着量子力学的发展，原子物理学逐渐成为一门独立的学科。

《原子结构》课件

一、教学内容

本节课我们将学习《化学》教材第四章第二节“原子结构”的内容。详细内容包括原子理论的发展历程、原子的组成结构，以及原子中各粒子之间的关系。

二、教学目标

1. 让学生了解原子理论的发展历程，理解原子结构的组成及特点。

2. 使学生掌握原子中各粒子之间的关系，并能运用这些关系解释一些化学现象。

3. 培养学生的观察、分析和解决问题的能力，激发学生对化学学科的兴趣。

三、教学难点与重点

教学难点：原子结构的理解，原子中各粒子之间的关系的掌握。

教学重点：原子结构的组成，原子中正电荷与电子的分布关系。

四、教具与学具准备

1. 教具：原子模型、PPT课件、实验器材。

2. 学具：笔记本、教材、练习册。

五、教学过程

1. 实践情景引入

通过展示一些日常生活中的化学现象，如燃烧、腐蚀等，引导学生思考这些现象背后的原因，从而引出原子结构的学习。

2. 理论讲解利用PPT课件，讲解原子理论的发展历程，重点介绍道尔顿、汤姆逊、卢瑟福等科学家的原子模型。

3. 例题讲解

以氦原子为例，讲解原子中各粒子之间的关系，强调原子序数、质子数、中子数、电子数之间的对应关系。

4. 随堂练习

让学生根据所学内容，分析一些简单化学现象，如氧化、还原等，并解释其原理。

5. 实验演示

演示原子吸收光谱的实验，让学生直观地了解原子结构的特点。

七、作业设计

1. 作业题目：

（1）简述道尔顿、汤姆逊、卢瑟福的原子理论。

（2）解释为什么原子是电中性的。

（3）某元素的原子序数为20，其原子中有多少个质子、电子和中子？

2. 答案：

（1）道尔顿：原子是不可分割的小颗粒；汤姆逊：原子是一个带正电荷的均匀分布的球体，电子镶嵌在其中；卢瑟福：原子由一个带正电荷的核和围绕核旋转的电子组成。

（2）原子是电中性的，因为原子核中的质子数等于核外的电子数，正负电荷相互抵消。

原子物理学课件 (12)

原子物理学

原子物理与量子力学

《原子物理学》

原子物理

原子物理学讲义

高考物理一轮复习课件 第十二章 原子物理学

12[1].第十二章 原子物理

12高中物理奥赛-第十二讲原子物理

原子物理学课件

《原子结构》课件

高考物理一轮复习课件第十二章原子物理学

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