第一章 原子的基本狀況1

1、1第一章第一章 原子的基本狀況原子的基本狀況2教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容 1.1 原子的質(zhì)量和大小原子的質(zhì)量和大小 1.2 原子的核式結(jié)構(gòu)原子的核式結(jié)構(gòu) 1.3 同位素同位素3教學(xué)要求教學(xué)要求 （1）掌握原子的靜態(tài)性質(zhì)；理解阿伏加德）掌握原子的靜態(tài)性質(zhì)；理解阿伏加德羅常數(shù)的物理意義。羅常數(shù)的物理意義。（2）掌握電子的發(fā)現(xiàn)、）掌握電子的發(fā)現(xiàn)、粒子散射實(shí)驗(yàn)等粒子散射實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)事實(shí)。實(shí)驗(yàn)事實(shí)。（3）掌握庫(kù)侖散射公式和盧瑟福散射公式）掌握庫(kù)侖散射公式和盧瑟福散射公式的推導(dǎo)。的推導(dǎo)。（4）掌握盧瑟福公式的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、原子核）掌握盧瑟福公式的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、原子核大小的估計(jì)和原子的核式結(jié)構(gòu)。大小的估計(jì)和原子的核式結(jié)構(gòu)。 4

2、 重重 點(diǎn)點(diǎn) 粒子散射實(shí)驗(yàn)粒子散射實(shí)驗(yàn) 盧瑟福散射公式盧瑟福散射公式 庫(kù)侖散射公式庫(kù)侖散射公式 原子的核式模型原子的核式模型。 難難 點(diǎn)點(diǎn)庫(kù)侖散射公式庫(kù)侖散射公式盧瑟福散射公式推導(dǎo)盧瑟福散射公式推導(dǎo) 1.1 原子的質(zhì)量和大小原子的質(zhì)量和大小 一、一、 原子的質(zhì)量原子的質(zhì)量 二、二、 原子的大小原子的大小 三、三、 原子的組成原子的組成 一、原子的質(zhì)量一、原子的質(zhì)量質(zhì)量最輕的氫原子：質(zhì)量最輕的氫原子：1.67310-27kg1.1.原子質(zhì)量單位和原子量原子質(zhì)量單位和原子量 原子質(zhì)量單位原子質(zhì)量單位u：規(guī)定自然界中含量最豐富的一種元：規(guī)定自然界中含量最豐富的一種元素素12C的質(zhì)量的的質(zhì)量的1/12

3、 1u=1.99410-26kg/12=1.66110-27kg原子質(zhì)量的數(shù)量級(jí)：原子質(zhì)量的數(shù)量級(jí)：10-27kg10-25kg含量最豐富的原子含量最豐富的原子12C：1.99410-26kg 原子量原子量A:將其他原子的質(zhì)量同原子質(zhì)量單位相將其他原子的質(zhì)量同原子質(zhì)量單位相比較，所得的數(shù)值即為原子量比較，所得的數(shù)值即為原子量A。A是原子質(zhì)量的相對(duì)值是原子質(zhì)量的相對(duì)值MA是原子質(zhì)量的絕對(duì)值是原子質(zhì)量的絕對(duì)值MA=Au知道了原子量，就可以求出原子質(zhì)量的絕對(duì)值。知道了原子量，就可以求出原子質(zhì)量的絕對(duì)值。2阿伏伽德羅定律阿伏伽德羅定律1811年，意大利物理學(xué)家阿伏伽德羅提出：年，意大利物理學(xué)家阿伏伽德

4、羅提出：一摩爾任何原子的數(shù)目都是一摩爾任何原子的數(shù)目都是NA 8NA=6.02214 1023/mol ，稱為阿伏伽德羅常數(shù)，稱為阿伏伽德羅常數(shù)如果以A代表原子量，NA代表阿伏伽德羅常數(shù)， MA代表一個(gè)原子的質(zhì)量絕對(duì)值，那么式中原子量A代表一摩爾原子的以克為單位的質(zhì)量數(shù)，只要NA知道，MA就可以算出。AANAM測(cè)量阿伏伽德羅常數(shù)的幾種方法測(cè)量阿伏伽德羅常數(shù)的幾種方法91電解法： 在電解實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：分解出的正離子的量與流過(guò)電解流的電荷成正比， NA= = 式中F是法拉第常數(shù)。一個(gè)離子所帶的電量原子的物質(zhì)需要的電量分解出 mol1eF2分子運(yùn)動(dòng)論法：NA= ，PV=RT，式中的K可根據(jù)分布規(guī)律確定

5、。 另外，還有其它方法，如：晶體的X射線衍射方法，放射衰變法等。kR2 2從氣體分子運(yùn)動(dòng)論可以估計(jì)原子的大小從氣體分子運(yùn)動(dòng)論可以估計(jì)原子的大小 224/1rN氣體的平均自由程：氣體的平均自由程：二、原子的大小二、原子的大小 1. 從晶體的密度推測(cè)原子的大小從晶體的密度推測(cè)原子的大小ANrV334ANrVA33431)4/3(ANAr設(shè)原子半徑為設(shè)原子半徑為r，在晶體中按一定的規(guī)律排列，晶體的，在晶體中按一定的規(guī)律排列，晶體的密度為密度為，原子量為，原子量為A，則，則1mol原子的體積為：原子的體積為：3 3從范德瓦爾斯方程測(cè)定原子的大小從范德瓦爾斯方程測(cè)定原子的大小RTbVVaP)(2其中其中

6、b=4V1 ，V1是分子體積，定出是分子體積，定出b，算出，算出r 。經(jīng)各種方法計(jì)算，經(jīng)各種方法計(jì)算，r在在10-10m范圍內(nèi)范圍內(nèi) 三、三、 原子的組成原子的組成 18971897年湯姆遜從如年湯姆遜從如右圖放電管中的陰極射右圖放電管中的陰極射線發(fā)現(xiàn)了帶負(fù)電的電子線發(fā)現(xiàn)了帶負(fù)電的電子, ,并測(cè)得了并測(cè)得了e/m比。比。 1910 1910年密立根用油年密立根用油滴做實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電子的滴做實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電子的電量值為電量值為 e =1.602=1.60210101919（c c） 從而電子質(zhì)量是從而電子質(zhì)量是 me=9.109=9.10910103131kg=0.511MeV/ckg=0.511Me

7、V/c2 =2 =5.4875.48710104 4u u B_+E1. 電子的發(fā)現(xiàn)電子的發(fā)現(xiàn)13 到此我們已經(jīng)看到，原子中存在電子，它的質(zhì)量到此我們已經(jīng)看到，原子中存在電子，它的質(zhì)量?jī)H是整個(gè)原子質(zhì)量的很小一部分。電子帶負(fù)電，而原僅是整個(gè)原子質(zhì)量的很小一部分。電子帶負(fù)電，而原子是中性的，這就意味著，原子中還有帶正電的部分，子是中性的，這就意味著，原子中還有帶正電的部分，它擔(dān)負(fù)了原子質(zhì)量的大部分。通過(guò)測(cè)定原子中電子的它擔(dān)負(fù)了原子質(zhì)量的大部分。通過(guò)測(cè)定原子中電子的多少，就可以確定出原子帶正電荷的多少。（我們現(xiàn)多少，就可以確定出原子帶正電荷的多少。（我們現(xiàn)在知道，對(duì)于原子序數(shù)為在知道，對(duì)于原子序數(shù)為

8、Z的原子其帶電子的個(gè)數(shù)為的原子其帶電子的個(gè)數(shù)為Z，帶正電為帶正電為Ze。）。）2. 原子的組成原子的組成 那么，原子中帶正電的部分，以及帶負(fù)電的電子，在那么，原子中帶正電的部分，以及帶負(fù)電的電子，在大約為埃的范圍內(nèi)是怎樣分布的，怎樣運(yùn)動(dòng)的呢？這一問(wèn)大約為埃的范圍內(nèi)是怎樣分布的，怎樣運(yùn)動(dòng)的呢？這一問(wèn)題的研究曾是一個(gè)熱點(diǎn)，出現(xiàn)了許多見(jiàn)解。其中最為重要題的研究曾是一個(gè)熱點(diǎn)，出現(xiàn)了許多見(jiàn)解。其中最為重要的有的有湯姆遜原子模型湯姆遜原子模型“西瓜模型西瓜模型”，這種模型認(rèn)為：正電，這種模型認(rèn)為：正電荷均勻地分布在原子內(nèi)部，負(fù)電荷鑲在其中。荷均勻地分布在原子內(nèi)部，負(fù)電荷鑲在其中。1909年，盧年，盧瑟福的

9、學(xué)生蓋革瑟福的學(xué)生蓋革(G.Geiger)和馬斯頓和馬斯頓E.(Marsden)作了作了粒粒子散射實(shí)驗(yàn)，盧瑟福根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，建立了原子的核式結(jié)子散射實(shí)驗(yàn)，盧瑟福根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，建立了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。構(gòu)模型。14課外思考：課外思考：1. 電子的發(fā)現(xiàn)過(guò)程及其啟示。電子的發(fā)現(xiàn)過(guò)程及其啟示。2. 元素的研究歷史及現(xiàn)狀調(diào)查。元素的研究歷史及現(xiàn)狀調(diào)查。問(wèn)題：在問(wèn)題：在1010-10-10m m的范圍內(nèi)，帶負(fù)電、質(zhì)量很小的電子與帶正的范圍內(nèi)，帶負(fù)電、質(zhì)量很小的電子與帶正電、質(zhì)量很大的部分如何分布、如何運(yùn)動(dòng)？電、質(zhì)量很大的部分如何分布、如何運(yùn)動(dòng)？16 1.2 原子核式結(jié)構(gòu)模型原子核式結(jié)構(gòu)模型一、一、湯姆遜原

10、子模型湯姆遜原子模型二、二、 粒子散射實(shí)驗(yàn)粒子散射實(shí)驗(yàn)三、原子核式結(jié)構(gòu)模型三、原子核式結(jié)構(gòu)模型盧瑟福模型盧瑟福模型四、四、 粒子散射理論粒子散射理論五、盧瑟福散射公式的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證五、盧瑟福散射公式的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證六、原子核大小的推斷六、原子核大小的推斷七、七、 粒子散射實(shí)驗(yàn)的意義及盧瑟福模型的困難粒子散射實(shí)驗(yàn)的意義及盧瑟福模型的困難一、一、湯姆遜原子模型湯姆遜原子模型歷史背景歷史背景 正電荷和質(zhì)量均勻分布在正電荷和質(zhì)量均勻分布在原子大原子大小小的彈性實(shí)心球內(nèi)的彈性實(shí)心球內(nèi) 電子就電子就像像西瓜里的瓜子那西瓜里的瓜子那樣嵌在樣嵌在實(shí)心實(shí)心球內(nèi)球內(nèi) 19031903年英國(guó)科學(xué)家年英國(guó)科學(xué)家湯湯姆遜姆遜提出

11、提出 “葡萄干蛋葡萄干蛋糕糕”式原子模型或稱為式原子模型或稱為“西瓜西瓜”模型。模型。 湯姆遜正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)湯姆遜正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原子發(fā)光：原子發(fā)光：是電子在其平衡位置做簡(jiǎn)諧振動(dòng)的結(jié)果，原子所是電子在其平衡位置做簡(jiǎn)諧振動(dòng)的結(jié)果，原子所發(fā)出的光的頻率就相當(dāng)于這些振動(dòng)的頻率。發(fā)出的光的頻率就相當(dāng)于這些振動(dòng)的頻率。假設(shè)電子分布在一個(gè)個(gè)圓環(huán)上，第一只環(huán)上只可假設(shè)電子分布在一個(gè)個(gè)圓環(huán)上，第一只環(huán)上只可放放5個(gè)電子，第二只環(huán)上可放個(gè)電子，第二只環(huán)上可放10個(gè)個(gè)元素周期表：元素周期表： 預(yù)言的原子光譜與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的數(shù)據(jù)完全不符預(yù)言的原子光譜與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的數(shù)據(jù)完全不符困難：困難： 無(wú)法解釋無(wú)法解釋粒子散射實(shí)驗(yàn)粒子散射實(shí)

12、驗(yàn)二、二、粒子散射實(shí)驗(yàn)粒子散射實(shí)驗(yàn)粒子粒子： 放射性元素發(fā)射出的高速帶電粒子放射性元素發(fā)射出的高速帶電粒子，速度約為光速的速度約為光速的十分之一十分之一，帶帶+2e的電荷的電荷，質(zhì)量約為質(zhì)量約為4MH。 散射散射： 粒子受到散射時(shí)粒子受到散射時(shí)，其，其的出射方向與原入射方向的出射方向與原入射方向之間的夾角之間的夾角。 一個(gè)運(yùn)動(dòng)粒子受到另一個(gè)粒子的作用一個(gè)運(yùn)動(dòng)粒子受到另一個(gè)粒子的作用而而改變?cè)瓉?lái)的改變?cè)瓉?lái)的運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)方向的的現(xiàn)象現(xiàn)象。 散射散射角角 ：1.實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置 1909年年，在盧瑟福的指導(dǎo)下在盧瑟福的指導(dǎo)下，蓋革和馬斯登第一蓋革和馬斯登第一次觀測(cè)到次觀測(cè)到粒子束透過(guò)金屬薄膜后在各方

13、向上散射分粒子束透過(guò)金屬薄膜后在各方向上散射分布的情況布的情況。21 ( a) 側(cè)視圖側(cè)視圖 (b) 俯視圖俯視圖 R:放射源放射源 F:散射箔散射箔 S:閃爍屏閃爍屏 B:圓形金屬匣圓形金屬匣 A:代刻度圓盤(pán)代刻度圓盤(pán) C:光滑套軸光滑套軸 T:抽空抽空B的管的管 M:顯微鏡顯微鏡 實(shí)驗(yàn)裝置和模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置和模擬實(shí)驗(yàn) R為被一鉛塊包圍的為被一鉛塊包圍的粒子粒子源，發(fā)射的源，發(fā)射的粒子粒子經(jīng)過(guò)一細(xì)的通經(jīng)過(guò)一細(xì)的通道后，形成一束射線，打在鉑道后，形成一束射線，打在鉑的薄膜的薄膜F上，有一放大鏡上，有一放大鏡M，帶，帶著一片熒光屏著一片熒光屏S，可以轉(zhuǎn)到不同，可以轉(zhuǎn)到不同的方向?qū)ι⑸涞牡姆较驅(qū)ι?/p>

14、射的粒子粒子進(jìn)行觀察。進(jìn)行觀察。當(dāng)被散射的當(dāng)被散射的粒子粒子打在熒光屏上，打在熒光屏上，就會(huì)發(fā)出微弱的閃光。通過(guò)放就會(huì)發(fā)出微弱的閃光。通過(guò)放大鏡就可記下某一時(shí)間內(nèi)在某大鏡就可記下某一時(shí)間內(nèi)在某一方向散射的一方向散射的粒子粒子粒子數(shù)。粒子數(shù)。2.實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)果： 有少數(shù)有少數(shù)粒子穿過(guò)金屬粒子穿過(guò)金屬箔箔時(shí)時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生了運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生了較大角度的偏轉(zhuǎn)較大角度的偏轉(zhuǎn)( 45o ) ； 絕大部分絕大部分粒子進(jìn)入金粒子進(jìn)入金箔箔后直穿而過(guò)后直穿而過(guò)(=0)或基或基本直穿而過(guò)本直穿而過(guò)(很小很小，約在約在2-3度之間度之間)； 個(gè)別的個(gè)別的粒子粒子，其散射角其散射角 90o，有的竟沿原路有的竟沿原路完

15、全反彈回來(lái)完全反彈回來(lái), 180o。2湯姆遜模型的困難湯姆遜模型的困難粒子散射受電子的影響粒子散射受電子的影響忽略不計(jì)忽略不計(jì) 只受庫(kù)侖力的作用。只受庫(kù)侖力的作用。近似近似1：近似近似2： 當(dāng)當(dāng)r=R時(shí)時(shí)，粒子粒子受的庫(kù)侖斥力最大：受的庫(kù)侖斥力最大：220241rZeFrRZeF320241220max241RZeFRRZetFp242202max202024444tanRMZeMRZepp410大角散射不可能在湯姆遜模型中發(fā)生大角散射不可能在湯姆遜模型中發(fā)生! ! 當(dāng)當(dāng)rR時(shí)時(shí)，粒子粒子受的庫(kù)侖斥力為：受的庫(kù)侖斥力為： 當(dāng)當(dāng)rR時(shí)時(shí)，粒子粒子受的庫(kù)侖斥力為：受的庫(kù)侖斥力為： 最大散射角最大散

16、射角： 粒子受原子作用后動(dòng)量發(fā)生變化粒子受原子作用后動(dòng)量發(fā)生變化：RZe0244 困難：困難： 減少帶正電部分的半徑減少帶正電部分的半徑R，使作用力增大使作用力增大。 作用力作用力F太小太小，不能發(fā)生大角散射不能發(fā)生大角散射。 解決方法：解決方法： 1911年，年，盧瑟福盧瑟福提出了著名的原子有核模型的假設(shè)：提出了著名的原子有核模型的假設(shè)： 原子像一個(gè)小太陽(yáng)系，每個(gè)原子像一個(gè)小太陽(yáng)系，每個(gè)原子都有一個(gè)極小的核，核的直原子都有一個(gè)極小的核，核的直徑在徑在10-1510-14米左右，這個(gè)核幾米左右，這個(gè)核幾乎集中了原子的全部質(zhì)量，并帶乎集中了原子的全部質(zhì)量，并帶有有Z單位個(gè)正電荷，原子核外有單位個(gè)

17、正電荷，原子核外有Z個(gè)電子繞核旋轉(zhuǎn)。個(gè)電子繞核旋轉(zhuǎn)。三、原子核式結(jié)構(gòu)模型三、原子核式結(jié)構(gòu)模型盧瑟福模型盧瑟福模型26用盧瑟福自己的話說(shuō)用盧瑟福自己的話說(shuō): “這是我一生中從未有過(guò)的最難以置信的事件，這是我一生中從未有過(guò)的最難以置信的事件，它的難以置信好比你對(duì)一張白紙射出一發(fā)它的難以置信好比你對(duì)一張白紙射出一發(fā)15英英寸的炮彈，結(jié)果卻被頂了回來(lái)打在自己身上，寸的炮彈，結(jié)果卻被頂了回來(lái)打在自己身上，而當(dāng)我做出計(jì)算時(shí)看到，除非采取一個(gè)原子的而當(dāng)我做出計(jì)算時(shí)看到，除非采取一個(gè)原子的大部分質(zhì)量集中在一個(gè)微小的核內(nèi)的系統(tǒng)，是大部分質(zhì)量集中在一個(gè)微小的核內(nèi)的系統(tǒng)，是無(wú)法得到這種數(shù)量級(jí)的任何結(jié)果的，這就是我無(wú)法得到這種數(shù)量級(jí)的任何結(jié)果的，這就是我后來(lái)提出的原子具有體積很小而質(zhì)量很大的核后來(lái)提出的原子具有體積很小而質(zhì)量很大的核心的想法。心的想法?！?由于原子核