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原子物理学原子物理学(Atomic Physics)主要参考书：主要参考书：褚圣麟，原子物理学，高等教育出版社褚圣麟，原子物理学，高等教育出版社杨福家，原子物理学，高等教育出版社杨福家，原子物理学，高等教育出版社崔宏滨，原子物理学，中国科学技术大学出版社崔宏滨，原子物理学，中国科学技术大学出版社赵凯华、罗蔚茵，量子物理，高等教育出版社赵凯华、罗蔚茵，量子物理，高等教育出版社 主讲：侯春风主讲：侯春风 教授教授哈尔滨工业大学物理系哈尔滨工业大学物理系 物理学是研究物质结构、相互作用和物质运动最基物理学是研究物质结构、相互作用和物质运动最基本、最普遍的规律的科学，它的研究对象十分广泛。本、最普遍的规律的科学，它的研究对象十分广泛。空间尺度空间尺度 1026 m（约约150亿光年）（宇宙）亿光年）（宇宙）10-18 m（夸克）夸克）时间尺度时间尺度 1018 s（150亿年）（宇宙年龄）亿年）（宇宙年龄）10-27 s（硬硬 射线周期）射线周期）速率范围速率范围 0（静止）（静止）3 108 m/s（光速）光速）不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学研究不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学研究 表表1 1 长长度度的的数数量量级级 长长 度度 米米 长长 度度 米米质质子子半半径径 1 10 0-1 15 5地地球球半半径径 1 10 07 7电电子子的的康康普普顿顿波波长长 1 10 0-1 12 2太太阳阳半半径径 1 10 09 9原原子子半半径径 1 10 0-1 10 0日日-地地轨轨道道半半径径 1 10 01 11 1病病毒毒半半径径 1 10 0-7 7太太阳阳系系半半径径 1 10 01 13 3阿阿米米巴巴原原虫虫半半径径 1 10 0-4 4地地球球到到最最近近恒恒星星距距离离 1 10 01 16 6昆昆虫虫长长度度 1 10 0-2 2银银河河系系半半径径 1 10 02 21 1人人体体高高度度 1 10 00 0星星团团系系半半径径 1 10 02 23 3红红杉杉树树高高度度 1 10 02 2朝朝星星系系团团半半径径 1 10 02 24 4珠珠峰峰高高度度 1 10 04 4类类星星体体距距离离 1 10 02 26 6 102510-2510-1510-2010-1010-511051015102010101021041061081010相对论物理相对论物理经典物理经典物理量子物理量子物理?人类人类活动活动尺度尺度 (cm)速度速度(cm/s)1m10-1510-1010-5101510510101025 1020W+粒子粒子微观微观介观介观宏观宏观宇观宇观山山太阳系太阳系地球地球星系团星系团星系星系原子原子原子核原子核DNA人人 原子物理学原子物理学是研究原子是研究原子的结构、性质及其运动规的结构、性质及其运动规律的一门科学。律的一门科学。“原子原子”一词来自希腊文，含义是一词来自希腊文，含义是“不可分不可分割的割的”。公元前四世纪，古希腊哲学家德谟。公元前四世纪，古希腊哲学家德谟克利特克利特(Democritus)Democritus)提出了这一概念，并把提出了这一概念，并把它当作物质的最小单元。它当作物质的最小单元。1807 1807年，英国科学家约翰年，英国科学家约翰 道尔顿道尔顿(John Dalton)John Dalton)提出原子论。提出原子论。他认为原子类似于刚性的小球，它们是物质世界的基本结构单元，他认为原子类似于刚性的小球，它们是物质世界的基本结构单元，是不可分割的。是不可分割的。In 1807,an English scientist called John Dalton put forward his ideas about atoms.From his experiments and observations,he suggested that:Atoms were like tiny,hard balls.Each chemical element had its own atoms that differed from others in mass.Dalton believed that atoms were the fundamental building blocks of nature and could not be split.In chemical reactions,the atoms would rearrange themselves and combine with other atoms in new ways.道尔顿用他的学说说明了化学中的物质不灭定律道尔顿用他的学说说明了化学中的物质不灭定律等。道尔顿的原子说是根据事实概括的结果，能够等。道尔顿的原子说是根据事实概括的结果，能够用来研究和发现新的现象，因此比古代原子说更进用来研究和发现新的现象，因此比古代原子说更进一步。一步。十九世纪末二十世纪初，一些实验现象相十九世纪末二十世纪初，一些实验现象相继发现，如电子、继发现，如电子、X 射线和放射性元素的发射线和放射性元素的发现表明现表明原子是可以分割的原子是可以分割的，它具有比较复杂的，它具有比较复杂的结构。那么，原子是怎样组成的？原子的运动结构。那么，原子是怎样组成的？原子的运动规律如何？这就是原子物理学要研究的问题。规律如何？这就是原子物理学要研究的问题。The top physicists of all time Physics World 第第1 1章章 原子的基本状况原子的基本状况1.1 1.1 原子的质量和大小原子的质量和大小 各种原子的质量不同在化学和物理学中常用它们各种原子的质量不同在化学和物理学中常用它们质量的相对值。现在把碳在自然界中最丰富的一种同位质量的相对值。现在把碳在自然界中最丰富的一种同位素的质量定为素的质量定为12.000个单位作为原子质量的标准，其他个单位作为原子质量的标准，其他原子的质量同碳原子的质量同碳12比较，定出质量，称为比较，定出质量，称为原子量原子量。例如氢的原子量是例如氢的原子量是l.0079、碳是碳是12.0117、氧是、氧是15.999、铜是、铜是63.54。原子量可用化学方法测定。原子量可用化学方法测定。知道了原子量，就可以求出原子质量的绝对值：知道了原子量，就可以求出原子质量的绝对值：)(1067367.124gMH其他原子的质量可同样算出，最大的原子质量是这个值的二百其他原子的质量可同样算出，最大的原子质量是这个值的二百几十倍。几十倍。由由(1)式可算出氢原子的质量为：式可算出氢原子的质量为：0NAMA(1)其中，其中，A 为原子量，为原子量，MA为原子质量，为原子质量，N0 为阿伏伽德罗常数。为阿伏伽德罗常数。原子的大小可按下述几个方法估计：原子的大小可按下述几个方法估计：(1)对任意一种原子对任意一种原子AX，A克克X原子具有原子具有N0个个X原子，如果这种原子，如果这种原子的质量密度是原子的质量密度是(克克/厘米厘米3)，设原子的半径为，设原子的半径为r，则有：则有：ANr0334)(4330cmNAr(2)根据气体分子平均自由程根据气体分子平均自由程2241rn由实验测出由实验测出 及分子数密度及分子数密度n，即可算出即可算出r。简单分子的半径的数简单分子的半径的数量级与组成该分子的原子的半径相同。对单原子分子，量级与组成该分子的原子的半径相同。对单原子分子，r就是原就是原子半径。子半径。(3)由范德瓦尔斯方程：由范德瓦尔斯方程：RTbVVap2b值按理论应等于分子所占体积的四倍，由实验测出值按理论应等于分子所占体积的四倍，由实验测出b，就可算就可算出分子直径，其数量级和原子半径相同。出分子直径，其数量级和原子半径相同。用不同方法估算出的原子半径有一定的偏差，但数用不同方法估算出的原子半径有一定的偏差，但数量级相同，都是量级相同，都是10-10米米。1.2 1.2 电子的发现电子的发现 1833年，法拉第年，法拉第(MFaraday)提出电解定律，依此推得：一提出电解定律，依此推得：一摩尔任何原子的单价离子永远带有相同的电量。这个电量，就摩尔任何原子的单价离子永远带有相同的电量。这个电量，就是法拉第常数是法拉第常数F，其值是法拉第在实验中首次确定的。，其值是法拉第在实验中首次确定的。1874年，斯通尼年，斯通尼(G.J.Stoney)指出，电离后的原子所带的电指出，电离后的原子所带的电荷为一基本电荷的整数倍，并推算出这一基本电荷的近似值荷为一基本电荷的整数倍，并推算出这一基本电荷的近似值(e=F/N0)。在在1881年，斯通尼提出用年，斯通尼提出用“电子电子”命名基本电荷。命名基本电荷。1897年，英国物理学家汤姆逊年，英国物理学家汤姆逊(Josph John Thomson)从实验确认了电子的存从实验确认了电子的存在，测出了电子的菏质比在，测出了电子的菏质比e/me。由于电子的发现，汤姆逊被人们誉为：由于电子的发现，汤姆逊被人们誉为：“一位最先打开通基本粒子物理学大门一位最先打开通基本粒子物理学大门的伟人。的伟人。”并因此被授予并因此被授予1906年诺贝尔年诺贝尔物理奖。物理奖。J.J.Thomson，1906年诺贝尔物理奖得主年诺贝尔物理奖得主 1910年，美国物理学家密立根年，美国物理学家密立根(R.A.Millikan)通过著名的通过著名的“油滴实验油滴实验”精确地测定了电子的电量。后来又经精确地测定了电子的电量。后来又经过几年反复测定，得出：过几年反复测定，得出：Ce191059.1现在的公认值为：现在的公认值为：Ce1910)49(60217733.1根据电子的电量及荷质比根据电子的电量及荷质比e/me，可定可定出电子的质量为：出电子的质量为：gme2810)54(1093897.9美国物理学家密立根美国物理学家密立根(R.A.Millikan)，因电子电因电子电荷的测定被授予荷的测定被授予1923年年诺贝尔物理奖。诺贝尔物理奖。两个小插曲：两个小插曲：早在早在1890年，休斯特年，休斯特(Aschuster)就曾研究过氢放电管中阴就曾研究过氢放电管中阴极射线的偏转。且算出构成阴极射线微粒的荷质比为氢离子荷极射线的偏转。且算出构成阴极射线微粒的荷质比为氢离子荷质比的千倍以上。但他不敢相信自己的测量结果，而觉得质比的千倍以上。但他不敢相信自己的测量结果，而觉得“阴阴极射线粒子质量只有氢原子的千分之一还不到极射线粒子质量只有氢原子的千分之一还不到”的结论是荒谬的结论是荒谬的；相反，他假定：阴极射线粒子的大小与原子一样，而电荷的；相反，他假定：阴极射线粒子的大小与原子一样，而电荷却较氢离子大。却较氢离子大。1897年，德国的考夫曼年，德国的考夫曼(WKaufman)做了类似的实验，他测到做了类似的实验，他测到的的e/me数值远比汤姆逊的要精确，与现代值只差数值远比汤姆逊的要精确，与现代值只差1。他还观察他还观察到到e/me值随电子速度的改变而改变。值随电子速度的改变而改变。但是，他当时没有勇气发但是，他当时没有勇气发表这些结果，因为他不承认阴极射线是粒子的假设。直到表这些结果，因为他不承认阴极射线是粒子的假设。直到1901年，他才把结果公布于世。年，他才把结果公布于世。电子发现之后，人们意识到原子中存在电子，它的质量只是电子发现之后，人们意识到原子中存在电子，它的质量只是整个原子的很小的一部分；电子带负电，而原子是电中性的，整个原子的很小的一部分；电子带负电，而原子是电中性的，这就意味着原子中还有带正电的部分，它占有着原子的绝大部这就意味着原子中还有带正电的部分，它占有着原子的绝大部分质量。分质量。那么原子中带正电的部分，以及带负电的电子，在大小为那么原子中带正电的部分，以及带负电的电子，在大小为1010-10-10米的范围内是怎样分布、如何运动的呢？米的范围内是怎样分布、如何运动的呢？汤姆逊发现电子之后，人们对原子中正、负电荷如何分布的汤姆逊发现电子之后，人们对原子中正、负电荷如何分布的问题，提出了许多见解。问题，提出了许多见解。1.3 1.3 原子的核式结构原子的核式结构1898年，年，Thomson提出了提出了“布丁模型布丁模型”(也被称为也被称为“西瓜模西瓜模型型”)。汤姆逊模型汤姆逊模型19031903年，德国物理学家林纳德年，德国物理学家林纳德(P.P.LenardLenard)在实验中发现在实验中发现“原子内部是十分空虚的原子内部是十分空虚的”。P.Lenard(18621947),1905年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖得主。得主。在在P.P.LenardLenard的基础上，长冈半太郎的基础上，长冈半太郎(HantaroHantaro NagaokaNagaoka)提出了原子的土星模型，提出了原子的土星模型，认为原子内的正电荷集中于中心，电子绕认为原子内的正电荷集中于中心，电子绕中心运动，但他没有深入下去。中心运动，但他没有深入下去。长冈半太郎的土星模型长冈半太郎的土星模型长冈的土星模型长冈的土星模型Hantaro Nagaoka 1909年，英国物理学家卢瑟福年，英国物理学家卢瑟福(E.Rutherford)在他的学生盖革在他的学生盖革(H.Geiger)和马斯登和马斯登(E.Marsden)的协助下，发现的协助下，发现 粒子轰击原子时，大约每八千个粒子轰击原子时，大约每八千个 粒子中粒子中有一个被反射回来。有一个被反射回来。汤姆逊模型无法对该汤姆逊模型无法对该实验结果做出解释。卢瑟福根据实验结果实验结果做出解释。卢瑟福根据实验结果于于1911年提出了原子的年提出了原子的“核式结构模核式结构模型型”(也被称为也被称为“卢瑟福行星模型卢瑟福行星模型”)E.Rutherford，1908年年诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖得主，外号：鳄鱼。得主，外号：鳄鱼。卢瑟福的核式结构模型卢瑟福的核式结构模型(行星模型行星模型)1.3.11.3.1 粒子散射实验粒子散射实验粒子为氦核粒子为氦核 ，以以c/15轰击金箔，轰击金箔，在原子在原子中带电物质的电场力作中带电物质的电场力作用下，使它偏离原来的用下，使它偏离原来的入射方向，从而发生散入射方向，从而发生散射现象。氦核质量是电射现象。氦核质量是电子质量的子质量的 7300多倍，倍，因因此此 粒子的运动基本不粒子的运动基本不受电子影响。受电子影响。He24实验结果表明：实验结果表明：绝大部分粒子经金箔绝大部分粒子经金箔散射后，散射角很小（散射后，散射角很小（23），但但有有1/8000的粒子偏转角大于的粒子偏转角大于90，甚，甚至被反射回来。至被反射回来。汤姆逊模型无法解释汤姆逊模型无法解释 粒子散射实验中的大角度散射粒子散射实验中的大角度散射对于汤姆逊模型，对于汤姆逊模型，粒子受到原子正电荷的最大作用力为：粒子受到原子正电荷的最大作用力为：22024ZeFRR为原子半径。为原子半径。粒子每次粒子每次碰撞的最大偏转角为：碰撞的最大偏转角为：2FR vppm v202242ZeRm v根据上式，能量为根据上式，能量为5MeV的的 粒子在金粒子在金(Au,Z=79)箔上散射，箔上散射，每次每次碰撞的最大偏转角碰撞的最大偏转角310rad即使要引起即使要引起1 的偏转，也必须经过多次碰撞才有可能。由于每的偏转，也必须经过多次碰撞才有可能。由于每次碰撞偏转的方向是随机的，所以发生大角度偏转的概率是非次碰撞偏转的方向是随机的，所以发生大角度偏转的概率是非常低的，计算表明，发生常低的，计算表明，发生90 散射的概率为散射的概率为10-3500！而实验结果！而实验结果却是却是1/8000。pp根据根据汤姆逊模型可以估算出汤姆逊模型可以估算出 粒子散射实验中发生粒子散射实验中发生90 散散射的概率为射的概率为10-3500，粒子被反射回来粒子被反射回来“就象一枚就象一枚1515英寸英寸的炮弹打在一张纸上被反弹回来一样，令人不可思议。的炮弹打在一张纸上被反弹回来一样，令人不可思议。”（卢瑟福卢瑟福语语）为了解释为了解释 粒子散射实验结果，粒子散射实验结果，卢瑟福提出了卢瑟福提出了“核式结构模核式结构模型型”。202214reZZFRRrRreZZRrreZZFT3022120221441.3.2 1.3.2 粒子散射粒子散射理论理论b+Ze+2emv r 设有一个设有一个 粒子射到一个原子附近，二者之间有库仑斥力。粒子射到一个原子附近，二者之间有库仑斥力。在原子核的质量比在原子核的质量比 粒子的质量大得多的情况下，可以认为前粒子的质量大得多的情况下，可以认为前者不会被推动。者不会被推动。粒子受库仑力的作用而改变运动方向，如下粒子受库仑力的作用而改变运动方向，如下图所示。图中图所示。图中 v 是是 粒子原来的速度，粒子原来的速度，b 是原子核离是原子核离 粒子原运粒子原运动路径的延长线的垂直距离，称为瞄准距离。由力学原理可以证动路径的延长线的垂直距离，称为瞄准距离。由力学原理可以证明明 粒子的偏转角粒子的偏转角 与瞄准距离与瞄准距离 b 有如下关系：有如下关系：(1)式中式中m是是 粒子的质量。粒子的质量。22022Zebmvctg(1)下面我们来证明下面我们来证明(1)式式由牛顿定律有：由牛顿定律有：dtvdmamF由库仑定律有：由库仑定律有：020242rrZeFxy根据上两式可知：根据上两式可知：020242rrZedtvdm020242rrZedtddvdm020242rdtdmrZedvd(*)b+Ze+2emv r因库仑力是中心力，而中心力满足角动量守恒，所以有因库仑力是中心力，而中心力满足角动量守恒，所以有Ldtdmrdtdmr22其中其中L为常数，代表为常数，代表 粒子的角动量的大小。粒子的角动量的大小。把上式代入把上式代入(*)式并整理，式并整理，可得：可得：drLZevd00242上式两端同时积分上式两端同时积分drLZevdfivv00242(其中其中 和和 分别代表分别代表 粒子粒子的初速度和末速度的初速度和末速度)ivfvsincos0jir并代入并代入可得：可得：b+Ze+2emv rdjdiLZevvifsincos42022cos2sin2coscos1sin420202jiLZejiLZe由此可见由此可见2cos02LZevvif而由矢量图可知而由矢量图可知2sin2vvvififvvivfv b+Ze+2emv r因此可知因此可知2sin22cos02vLZe即即0222vLctgZe22022Zebmvctg最后再把最后再把mvbL 代入上式即可得出：代入上式即可得出：此即此即(1)式。式。从从(1)式可以看出，式可以看出，与与 b 有对应关系：有对应关系：b 大，大，就小；就小；b 小，小，就大；对其一就大；对其一b，有一定的，有一定的 与之对应。与之对应。dMvZedbbd2sin2cos2412322220(2)凡通过图中所示以凡通过图中所示以b为外半径、为外半径、b-db为内半径那个环形面积的为内半径那个环形面积的 粒子，必定散射到角度在粒子，必定散射到角度在 和和 +d 之间的一个空心圆锥体之中。之间的一个空心圆锥体之中。环形面积等于环形面积等于 那些瞄推距离在那些瞄推距离在b和和b-db之间的之间的 粒子，散射后，必定向着粒子，散射后，必定向着 和和 +d 之间的角度射出，如下图所示。之间的角度射出，如下图所示。此即卢瑟福散射公式。此即卢瑟福散射公式。d 是是 粒子散射到粒子散射到 与与 +d 之间的立体角之间的立体角d 内每个原子的有效散射截面，又称微分截面。内每个原子的有效散射截面，又称微分截面。(2)式可用空心圆锥体的立体角表达以代替式可用空心圆锥体的立体角表达以代替d。由下图由下图可知，这可知，这里的立体角与里的立体角与d 有如下关系：有如下关系：ddrrdrd2cos2sin4sin2sin22代入代入(2)式，可得式，可得2sin412422220dMvZedbbd(3)实验中是用实验中是用 粒子轰击金箔粒子轰击金箔(即金薄膜即金薄膜)中的金原子核，设薄膜的中的金原子核，设薄膜的面积为面积为A，厚度为厚度为t，如果如果单位体积中的原子数为单位体积中的原子数为N，那么薄膜中那么薄膜中的原子核总数是的原子核总数是NAtN 设薄膜很薄，这些原子核前后不互相遮蔽，每个原子核都对应着设薄膜很薄，这些原子核前后不互相遮蔽，每个原子核都对应着一个面积为一个面积为d 的环面，打在这些环面上的的环面，打在这些环面上的 粒子都将被散射到粒子都将被散射到 +d 之间的立体角之间的立体角d 内，所以薄膜上散射到内，所以薄膜上散射到 +d 之间的总之间的总有效散射截面是有效散射截面是AtNAtddNd如果有如果有n个个 粒子射在这薄膜的全粒子射在这薄膜的全部而积部而积A上，其中有上，其中有dn个散射到个散射到 +d 之间，则应有：之间，则应有：NtdAdndnNtndnd(4)把把(4)式代入式代入(3)式，可得式，可得常数222204412sinMvZeNntddn(5)实际测量时，不取实际测量时，不取 与与+d 之间的全部立体角，也就是不采之间的全部立体角，也就是不采用图用图6中环形带所张的全部立体角。测量的荧光屏只在不同方向中环形带所张的全部立体角。测量的荧光屏只在不同方向张了一个小立体角张了一个小立体角d，实际测得的粒子数是在，实际测得的粒子数是在d中的中的dn 。但但很容易理解，很容易理解，相同时，相同时，dn d dnd。所以所以(5)式与实验式与实验核对时，用核对时，用dn d 代替代替dnd 。dMvZeNntdn2sin2cos41322220 粒子散射公式的常用形式：粒子散射公式的常用形式：212sin2cos41322220dMvZeNntdnn1.3.3 1.3.3 卢瑟福理论的实验验证卢瑟福理论的实验验证 如果卢瑟福模型是有道理的，那么实验结果应该与理论公如果卢瑟福模型是有道理的，那么实验结果应该与理论公式式(5)相符合。从相符合。从(5)式可以看到下列四种关系：式可以看到下列四种关系：(1)在同一在同一 粒子源和同一散射物的情况下，粒子源和同一散射物的情况下，(dn d)sin4(/2)常数；常数；(2)用同一用同一 粒子源和同一种材料的散射物，在同一散射角处，粒子源和同一种材料的散射物，在同一散射角处，(dn d)与散射物厚度与散射物厚度t成正比；成正比；(3)用同一散射物，在同一散射角，用同一散射物，在同一散射角，(dn d)v4 常数；常数；(4)用同一用同一 粒子源，在同一散射角，粒子源，在同一散射角，对同一对同一Nt值，值，dn d与与Z2成正比。成正比。1913年盖革和马斯顿又仔细地进行了年盖革和马斯顿又仔细地进行了 粒子散射的实验，所粒子散射的实验，所得结果完全证实了上述前三项的关系，关于第四项当时未能准得结果完全证实了上述前三项的关系，关于第四项当时未能准确测定，过了几年也证实了。确测定，过了几年也证实了。表表1 粒子在不同角度的散射粒子在不同角度的散射1.3.4 1.3.4 原子核大小的推断原子核大小的推断由此式，知道了散射物的由此式，知道了散射物的Z和和 粒粒子的原有速度子的原有速度v，从观察到的散射角从观察到的散射角，就可以推算就可以推算 粒子离原子粒子离原子核核的最近距离的最近距离rm，越大，越大，rm越小。越小。按理论来推算按理论来推算 粒子达到离原子核最小的距离，这也就是原子核半径粒子达到离原子核最小的距离，这也就是原子核半径的上限。设的上限。设 粒子离原子核很远时的速度是粒子离原子核很远时的速度是v，达到离原子核最小距离达到离原子核最小距离rm处的速度是处的速度是v 。按能量守恒定律，按能量守恒定律，mrZevMMv0222422121(6)又因为物体在有心力场中运动，角动是守恒。所以可知又因为物体在有心力场中运动，角动是守恒。所以可知mrvMMvb(7)由由(6)、(7)及及(1)式可得：式可得：2sin11241220MvZerm(8)从以上讨论可见，粒子散射的实验与理论充分从以上讨论可见，粒子散射的实验与理论充分证明了原子的核式结构。在这个结构中，有一个带证明了原子的核式结构。在这个结构中，有一个带正电的中心体原子核，所带正电的数值是原子序数正电的中心体原子核，所带正电的数值是原子序数乘单位正电荷。乘单位正电荷。原子核的半径在原子核的半径在1010-15-15到到1010-14-14米之间。米之间。原子核外边散布着带负电的电子。但原子质量的绝原子核外边散布着带负电的电子。但原子质量的绝大部分是原子核的质量。这样一个原子的核式模型大部分是原子核的质量。这样一个原子的核式模型在卢瑟福提出后很快被大家接受，认为它代表了原在卢瑟福提出后很快被大家接受，认为它代表了原子的真实情况。子的真实情况。原子核原子核电子电子卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型卢瑟福手迹卢瑟福手迹卢瑟福的卢瑟福的“行星模型行星模型”的意义的意义 1.最重要的意义是提出了原子的最重要的意义是提出了原子的“核式结构核式结构”，即提出了以，即提出了以核为中心的慨念，从而将原子分为核外与核内两个部分，核为中心的慨念，从而将原子分为核外与核内两个部分，并发大胆地承认了高密度的原子核的存在。并发大胆地承认了高密度的原子核的存在。2.卢瑟福散射不仅对原子物理起了很大的作用，而且这种以卢瑟福散射不仅对原子物理起了很大的作用，而且这种以散射为手段研究物质结构的方法对近代物理一直起着巨大散射为手段研究物质结构的方法对近代物理一直起着巨大的影响。的影响。3.卢瑟福散射为材料分析提供了一种手段。卢瑟福散射为材料分析提供了一种手段。卢瑟福卢瑟福“行星模型行星模型”的困难的困难卢瑟福的卢瑟福的“行星模型行星模型”的虽然可以解释的虽然可以解释 粒子散射实验结果，粒子散射实验结果，但该模型却无法解释下列问题：但该模型却无法解释下列问题：1)1)、无法解释原子的稳定性；、无法解释原子的稳定性；2)2)、无法解释原子的同一性；、无法解释原子的同一性；3)3)、无法解释原子的再生性。、无法解释原子的再生性。为了解释上述问题，卢瑟福的一个学生为了解释上述问题，卢瑟福的一个学生丹麦物理学家丹麦物理学家尼尔斯尼尔斯 玻尔玻尔(Niles Bohr)Niles Bohr)在卢瑟福的在卢瑟福的“行星模型行星模型”的基础的基础之上于之上于19131913年提出了年提出了原子的量子理论，即原子的量子理论，即“玻尔模型玻尔模型”。玻尔的原子模型玻尔的原子模型(Bohrs Atom)尼尔斯尼尔斯 玻尔玻尔(Niles Bohr)，丹麦人，二十世纪世丹麦人，二十世纪世界最伟大的物理学家之一，量子理论的主要奠基界最伟大的物理学家之一，量子理论的主要奠基人。人。1922年诺贝尔物理奖得主。年诺贝尔物理奖得主。1926年，年，Schrdinger创立量子力学（波动力学），量子力创立量子力学（波动力学），量子力学的计算结果表明原子核外的电子应该具有学的计算结果表明原子核外的电子应该具有“电子云电子云”结构。结构。1.4 1.4 同位素同位素 人们发现有原子量不同而化学性质相同的元素。这些元人们发现有原子量不同而化学性质相同的元素。这些元素有相同的化学性质，因而有相同的元素名称，在化学周期素有相同的化学性质，因而有相同的元素名称，在化学周期表中处在同一地位，有相同的原子序数，它们被称为表中处在同一地位，有相同的原子序数，它们被称为同位素同位素。例如例如16O、17O和和18O；12C和和13C。一种元素的诸同位素有相同的原子序数，它们的原子核一种元素的诸同位素有相同的原子序数，它们的原子核所带正电量是相同的，核外电子数因而也相同，可是质量不所带正电量是相同的，核外电子数因而也相同，可是质量不同，因而可见差别在原子核上。同，因而可见差别在原子核上。思考题思考题1 1：粒子与原子核发生对心碰撞，试比较下列粒子与原子核发生对心碰撞，试比较下列哪种情况下粒子离核的最近距离更小：哪种情况下粒子离核的最近距离更小：A A 核在碰撞前后保持静止不动；核在碰撞前后保持静止不动；B B 核原来静止，碰撞后有运动。核原来静止，碰撞后有运动。请回答请回答思考题思考题2 2：粒子散射实验的数据在散射角粒子散射实验的数据在散射角很小很小(1515o o)时与理论值差得时与理论值差得较大，是什么原因较大，是什么原因?常数222204412sinMvZeNntddn思考题思考题3：试由卢瑟福散射公式试由卢瑟福散射公式出发，对以下结果从物理意义上加以定性解释：出发，对以下结果从物理意义上加以定性解释：常数2sin4ddntddn常数4vddn2Zddn1)2)3)4)作业：作业：习题习题 1、习题、习题 4和习题和习题 7
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