第一章物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

第一章物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)1.1原子的結(jié)構(gòu)一、背景知識(shí)1、電子的發(fā)現(xiàn)1897年由湯姆孫（J.J.Thomson)驗(yàn)證電子的存在Heυ（磁力）=Ee（電力）可算出υ=E/HHeυ=mυ2/r（離心力）e/m=υ/Hr=E/H2r結(jié)論：e/m是氫離子的近2000倍，不是電量很大，就質(zhì)量很小。而且該比值與陰極的材料和管內(nèi)氣體的種類無(wú)關(guān)。說(shuō)明什么問(wèn)題？2、電子的電荷和質(zhì)量1910年，密立根油滴實(shí)驗(yàn)：物體的帶電量是不連續(xù)的，都是一個(gè)電量的整數(shù)倍。（量子化的）why?基元電荷e=1.602×10-19C電子的電荷e=1.602×10-19C電子的質(zhì)量me=9.109×10-31kg(計(jì)算得到,why?）3、阿伏加德羅常數(shù)阿伏加德羅常數(shù)NA代表1mol（摩爾）分子的分子數(shù)目或1mol原子的原子數(shù)目。原子質(zhì)量單位μ

規(guī)定：一個(gè)處于基態(tài)的12C中性原子的靜止質(zhì)量的1/12定義為一個(gè)原子質(zhì)量單位。12克12C含NA個(gè)12C原子，一個(gè)12C原子的質(zhì)量為12/NA克。所以：1μ=1/NAg

1g=NAμN(yùn)A=6.02×1023

1μ=1.66×10-27kgNA起到宏觀與微觀間的橋梁作用二、原子的模型1、湯姆遜模型1903年，湯姆遜（JosephJohnThomson，1856-1940）提出：原子中帶正電的部分是一個(gè)具有彈性的、凍膠狀的、半徑為10-10m的實(shí)球體，正電荷均勻分布在其中，在球內(nèi)或球上有負(fù)電子嵌著，電子能在它們的平衡位置上作簡(jiǎn)諧振動(dòng)。被稱為“葡萄干蛋糕模型”湯姆遜的原子模型二、原子的模型2、α粒子的散射實(shí)驗(yàn)（α-particlescatteringexperiment）是1909年漢斯·蓋革和恩斯特·馬斯登在歐內(nèi)斯特·盧瑟福指導(dǎo)下于英國(guó)曼徹斯特大學(xué)做的一個(gè)著名物理實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置：

以放射性元素鐳放出的α粒子，撞擊薄金箔（厚度約為

10-7米），從各角度觀測(cè)被散射的α粒子。實(shí)驗(yàn)裝置（真空狀態(tài)）實(shí)驗(yàn)結(jié)果:

絕大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔后仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，有極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)超過(guò)90°，有的甚至幾乎達(dá)到180°而被反彈回來(lái)，這就是α粒子的散射現(xiàn)象。二、原子的模型

3、盧瑟福的核式模型（行星模型）英國(guó)物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福（ErnestRutherford，1871～1937）于1911年提出：在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫做原子核(nucleus)，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn)。根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)，可以估算出原子核的直徑約為10-15米～10-14米，原子直徑大約是10-10米，所以原子核的直徑大約是原子直徑的萬(wàn)分之一，原子核的體積只相當(dāng)于原子體積的萬(wàn)億分之一。為了解釋電子并未因原子核的吸引而落在核上,盧瑟福假定電子在軌道上與原子的吸引力相抗衡.

盧瑟福原子結(jié)構(gòu)模型遭遇的困難：電子繞原子核的運(yùn)動(dòng)為加速度運(yùn)動(dòng)，因此會(huì)不斷的輻射出電磁波，而使電子的動(dòng)能減少，最后墜落在原子核上，無(wú)法構(gòu)成一穩(wěn)定的原子。波爾利用能級(jí)的概念解決盧瑟福原子結(jié)構(gòu)模型遭遇的困難。上世紀(jì)初的原子模型（發(fā)現(xiàn)原子核之前）J.J.湯姆生的原子模型：正電荷均勻分布在一個(gè)球體內(nèi)，電子鑲嵌在其中某些平衡位置上，并作簡(jiǎn)諧振動(dòng)。I.原子核的發(fā)現(xiàn)與組成1856～19401906年諾貝爾物理獎(jiǎng)1.2原子核的組成及其穩(wěn)定性

1、原子的核式模型1871～19371908年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)其他主要貢獻(xiàn)：1919年，1920年，預(yù)言中子存在。培養(yǎng)了12位諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)摺?909年盧瑟福散射試驗(yàn)，1911年提出原子的核式模型。盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)結(jié)論：正電荷集中在原子的中心，即原子核；線度為10–12cm量級(jí)，為原子的10–4量級(jí)；質(zhì)量為整個(gè)原子的99.9%以上；從此建立了原子的有核模型。

原子的電中性，要求：原子核所帶電量與核外電子電量相等，核電荷與核外電子電荷符號(hào)相反。即：核電荷Ze，核外電子電荷–Ze。2、中子的發(fā)現(xiàn)與原子核的組成

發(fā)現(xiàn)中子之前，人們猜測(cè)原子核是由質(zhì)子和電子組成的。

這個(gè)假設(shè)可以解釋原子核的質(zhì)量和電荷。但也遇到了不可克服的困難。與實(shí)驗(yàn)和理論不符。例子：

氦核(質(zhì)量數(shù)4，電荷數(shù)＋2)的大小為：

假設(shè)氦核中有電子，那么電子的德布羅意波長(zhǎng)不能大于2d，即

由不確定關(guān)系：

由相對(duì)論方程：

得到電子能量為：對(duì)比實(shí)驗(yàn)這一結(jié)論不存在，所以假設(shè)不成立，即核中無(wú)電子。另外從原子核的自旋也可證明核中無(wú)電子。中子的發(fā)現(xiàn)1930年，德國(guó)人波特和貝克利用釙所放射的α粒子撞擊鈹，產(chǎn)生一種穿透力很強(qiáng)的中性射線，猜想可能為γ射線。1932年，居里夫婦的女兒伊琳與女婿朱里歐，將α粒子撞擊鈹，產(chǎn)生的中性射線照射石臘板，發(fā)現(xiàn)會(huì)放射出動(dòng)能高達(dá)5.7MeV的質(zhì)子，經(jīng)計(jì)算此中性射線能量需高達(dá)52MeV。英國(guó)人查德威克認(rèn)為由原子核放出的光子或粒子，一般能量?jī)H有幾MeV，不可能達(dá)52MeV，因此認(rèn)為原子核所放出的射線不是γ射線，而是中子。1932年，查德威克將α粒子撞擊鈹，產(chǎn)生的中性射線照射氣體原子，測(cè)量氣體離子動(dòng)能，求出中子的質(zhì)量約等于質(zhì)子的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)裝置α粒子從釙放射源射出后撞擊鈹，產(chǎn)生的中性射線照射氫原子與氮原子氣體，測(cè)量氫原子與氮原子被撞擊后的最大速度，利用彈性碰撞的動(dòng)能守恒與動(dòng)量守恒，求出中子的質(zhì)量。3.實(shí)驗(yàn)原理與結(jié)果：中子質(zhì)量mn

以速率vn

分別與氫離子（質(zhì)量mH）及氮離子（質(zhì)量mH）作正向彈性碰撞，由動(dòng)量守恒及動(dòng)能守恒可得即中子的質(zhì)量約等于質(zhì)子的質(zhì)量。中子被證明是一個(gè)單一粒子。

1932年查德威克(J.Chadwick)發(fā)現(xiàn)中子。(據(jù)此獲1935年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))1891～1974用粒子轟擊鈹，鈹放射出穿透力很強(qiáng)的中性粒子，可以將含氫物質(zhì)中的質(zhì)子擊出，并證明其有與質(zhì)子相近的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)中放出的不是高能，而是中子。核電荷數(shù)Z同時(shí)表示：核內(nèi)質(zhì)子數(shù)，核的電荷數(shù)，核外電子數(shù)。原子核由質(zhì)子和中子組成，

中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為核子。中子不帶電。質(zhì)子帶正電，電量為e。電荷數(shù)為Z的原子核含有Z個(gè)質(zhì)子。中子發(fā)現(xiàn)后，海森堡(W.Heisenberg)很快提出，原子核由質(zhì)子和中子組成，并得到實(shí)驗(yàn)支持。1901～1976因量子力學(xué)方面貢獻(xiàn)，獲1932年諾貝爾物理獎(jiǎng)。中子、質(zhì)子和電子的質(zhì)量與電荷質(zhì)量(u)電荷(e)中子0質(zhì)子＋1電子－1

原子核由中子和質(zhì)子組成，中子不帶電，質(zhì)子帶單位正電荷。中子和質(zhì)子質(zhì)量相當(dāng)，分別約等于一個(gè)原子質(zhì)量單位。核中中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為核子，數(shù)目以A表示，A稱為核子數(shù)或質(zhì)量數(shù)，核中質(zhì)子數(shù)記為Z，中子數(shù)記為N。常用如下形式表示一個(gè)原子核：實(shí)際上核素符號(hào)X和質(zhì)子數(shù)Z具有唯一、確定的關(guān)系，所以用符號(hào)AX足以表示一個(gè)特定的核素。II.原子核的表示核子數(shù)A質(zhì)子數(shù)Z中子數(shù)N元素符號(hào)XIII.原子核物理常用術(shù)語(yǔ)及意義1、核素（nuclide）

具有一定數(shù)目的中子和質(zhì)子以及特定能態(tài)的一種原子核或原子稱為核素。核子數(shù)、中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)和能態(tài)只要有一個(gè)不同，就是不同的核素。

兩種核素，A同，Z、N不同。兩種核素，N同，A、Z不同。兩種核素，Z同，A、N不同。兩種核素，A、Z、N同，能態(tài)不同。

某元素中各同位素天然含量的原子數(shù)百分比稱為同位素豐度。

具有相同原子序數(shù)但質(zhì)量數(shù)不同的核素稱為某元素的同位素。(即Z相同，N不同，在元素周期表中處于同一個(gè)位置，具有基本相同化學(xué)性質(zhì)。)2、同位素（isotope）和同位素豐度鈾的二種同位素。氫的三種同位素；99.756%、0.039%、0.205%99.985%、0.015%3、同中子異荷素（isotone）4、同量異位素（isobar）質(zhì)量數(shù)A相同，質(zhì)子數(shù)Z不同的核素。

中子數(shù)N相同，質(zhì)子數(shù)Z不同的核素。也稱為同中子素或同中異位素。5、同質(zhì)異能素（isomer）質(zhì)子數(shù)Z

和中子數(shù)N

均相同，而能態(tài)不同的核素。同質(zhì)異能態(tài)：同質(zhì)異能素所處的能態(tài)，是壽命比較長(zhǎng)的激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)半衰期為2.81hr。6、偶A核：奇A核：偶奇核(e-o核)、奇偶核(o-e核)。奇中子核，奇質(zhì)子核。鏡像核：中子數(shù)N、質(zhì)子數(shù)Z互換的核素。中子數(shù)N、質(zhì)子數(shù)Z均為偶數(shù)的核素。

偶偶核(e-e核)中子數(shù)N、質(zhì)子數(shù)Z均為奇數(shù)的核素。

奇奇核(o-o核)IV.核素圖及β穩(wěn)定曲線核素圖β穩(wěn)定曲線核素圖及β穩(wěn)定曲線的特點(diǎn)：

１).核素圖包括300多個(gè)天然存在的核素(其中穩(wěn)定核素280多個(gè)，放射性核素30多個(gè))及1600多個(gè)人工放射性核素。２).穩(wěn)定同位素幾乎全落在一條光滑的曲線，穩(wěn)定曲線在輕核靠近Z＝N

線，而對(duì)重核則N>Z.3).偏離穩(wěn)定曲線上方的核素為豐中子核素，易發(fā)生β－衰變；下方的核素為缺中子核素，易發(fā)生β＋衰變。穩(wěn)定核素的奇偶分類表：ZN名稱穩(wěn)定核素?cái)?shù)目ee偶偶核166eo偶奇核56oe奇偶核53oo奇奇核9

偶偶核最穩(wěn)定，穩(wěn)定核最多；其次是奇偶核和偶奇核；而奇奇核最不穩(wěn)定，穩(wěn)定核素最少。1.2原子核的大小

實(shí)驗(yàn)表明，原子核的線度比原子的線度10–10m小得多，為10–14~–15m量級(jí)。

原子核的形狀作為一級(jí)近似可以看作球形。

由于原子核有角動(dòng)量，略呈旋轉(zhuǎn)橢球形。原子核的半徑,根據(jù)測(cè)量方法：它們結(jié)果相近，均與A1/3

成正比。電荷半徑：核力半徑：核力半徑和電荷分布半徑。重要結(jié)論：原子核半徑近似正比于A1/3，原子核體積近似正比于A。原子核的密度：代入：得：結(jié)論：原子核密度為常數(shù)，且非常大。1.3原子核的質(zhì)量和結(jié)合能1、原子核結(jié)合能的概念當(dāng)若干質(zhì)子和中子結(jié)合成一個(gè)核時(shí)，由于是核力的作用，將釋放一部分能量叫結(jié)合能。

以原子質(zhì)量M表示，且忽略原子電子的結(jié)合能，得到：2、質(zhì)量虧損與質(zhì)量過(guò)剩質(zhì)量虧損和原子核結(jié)合能是同一個(gè)物理量的質(zhì)量和能量表示。它們的聯(lián)系就是質(zhì)能關(guān)系。原子核的質(zhì)量總是小于組成它的所有核子的質(zhì)量之和的，少的那部分質(zhì)量稱為質(zhì)量虧損(MassDefect)。表示為所有的核都存在質(zhì)量虧損，即

計(jì)算中，常用原子質(zhì)量代替核質(zhì)量：為了計(jì)算方便，定義質(zhì)量過(guò)剩為：也稱為質(zhì)量盈余(MassExcesses)，單位為MeV，在核數(shù)據(jù)手冊(cè)中可查到由它可求出原子質(zhì)量

3、比結(jié)合能及比結(jié)合能曲線比結(jié)合能：（平均結(jié)合能）單位是MeV/Nu，Nu代表核子。比結(jié)合能的物理意義：

原子核拆散成自由核子時(shí)，外界對(duì)每個(gè)核子所做的最小的平均功。

或者說(shuō)，它表示核子結(jié)合成原子核時(shí)，平均一個(gè)核子所釋放的能量。

比結(jié)合能表征了原子核結(jié)合的松緊程度：

比結(jié)合能大，核結(jié)合緊，穩(wěn)定性高；

比結(jié)合能小，核結(jié)合松，穩(wěn)定性差。

比結(jié)合能曲線：裂變聚變8.797.071.1124、原子核最后一個(gè)核子的結(jié)合能原子核最后一個(gè)核子的結(jié)合能，是一個(gè)自由核子與核的其余部分組成原子核時(shí)所釋放的能量。也就是從核中分離出一個(gè)核子所需要給予的能量。顯然，質(zhì)子與中子的分離能是不等的。原子核最后一個(gè)核子的結(jié)合能的大小，反映了這種原子核對(duì)鄰近的那些原子核的穩(wěn)定程度。

最后一個(gè)質(zhì)子的結(jié)合能為：或最后一個(gè)中子的結(jié)合能為：或例如：最后一個(gè)核子結(jié)合能的物理意義：反映了這種原子核相對(duì)臨近的那些原子核的穩(wěn)定程度。表明16O與鄰近的原子核17O、17F相比，穩(wěn)定性要大得多。5、核結(jié)合能的經(jīng)驗(yàn)公式原子核模型理論：

從實(shí)驗(yàn)入手對(duì)原子核作各種各樣的設(shè)想，把它類比為人們已經(jīng)熟悉的某種事物，來(lái)研究原子核的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和相互作用的規(guī)律，解釋已有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(如結(jié)合能、核力、核衰變、核反應(yīng)等)

，探索預(yù)告新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在原子核的模型理論中，較早提出并且取得極大成功的模型是玻爾(N.Bohr)提