第一章物质结构基础课件

第一章第一章物质结构基础物质结构基础1.11.1原子的结构原子的结构一、背景知识1、电子的发现1897年由汤姆孙（J.J.Thomson)验证电子的存在He（磁力）=Ee（电力）可算出=E/HHe=m2/r（离心力）e/m=/Hr=E/H2r结论：e/m是氢离子的近2000倍，不是电量很大，就质量很小。而且该比值与阴极的材料和管内气体的种类无关。说明什么问题？2、电子的电荷和质量1910年，密立根油滴实验：物体的带电量是不连续的，都是一个电量的整数倍。（量子化的）why?基元电荷e=1.60210-19C电子的电荷e=1.60210-19C电子的质量me=9.10910-31kg(计算得到,why?）3、阿伏加德罗常数阿伏加德罗常数NA代表1mol（摩尔）分子的分子数目或1mol原子的原子数目。原子质量单位 规定：一个处于基态的12C中性原子的静止质量的1/12定义为一个原子质量单位。12克12C含NA个12C原子，一个12C 原子的质量为12/NA克。所以：1 =1/NA g 1g=NA NA=6.021023 1 =1.6610-27kgNA 起到宏观与微观间的桥梁作用二、原子的模型1、汤姆逊模型1903年，汤姆逊（Joseph John Thomson，1856-1940）提出：原子中带正电的部分是一个具有弹性的、冻胶状的、半径为10-10m的实球体，正电荷均匀分布在其中，在球内或球上有负电子嵌着，电子能在它们的平衡位置上作简谐振动。被称为“葡萄干蛋糕模型”汤姆逊的原子模型二、原子的模型2、粒子的散射实验（-particle scattering experiment）是1909年 汉斯盖革和恩斯特马斯登在欧内斯特卢瑟福指导下于英国曼彻斯特大学做的一个著名物理实验。实验装置：以放射性元素镭放出的粒子，撞击薄金箔（厚度约为 10-7米），从各角度观测被散射的粒子。实验装置（真空状态）实验结果:绝绝大大多多数数粒粒子子穿穿过过金金箔箔后后仍仍沿沿原原来来的的方方向向前前进进，但但有有少少数数粒粒子子发发生生了了较较大大的的偏偏转转，有有极极少少数数粒粒子子的的偏偏转转超超过过9090，有有的的甚甚至至几几乎乎达达到到180180而而被被反反弹弹回来，这就是回来，这就是粒子的散射现象粒子的散射现象。二、原子的模型 3 3、卢瑟福的核式模型（行星模型）、卢瑟福的核式模型（行星模型）英国物理学家欧内斯特卢瑟福（Ernest Rutherford，18711937）于1911年提出：在在原原子子的的中中心心有有一一个个很很小小的的核核，叫叫做做原原子子核核(nucleus)(nucleus)，原原子子的的全全部部正正电电荷荷和和几几乎乎全全部部质质量量都都集集中中在在原原子子核核里里，带带负负电电的的电电子子在在核核外外空空间间里里绕绕着着核核旋旋转转。根据粒子散射实验，可以估算出原子核的直径约为10-15米10-14米，原子直径大约是10-10米，所以原子核的直径大约是原子直径的万分之一，原子核的体积只相当于原子体积的万亿分之一。为为了了解解释释电电子子并并未未因因原原子子核核的的吸吸引引而而落落在在核上核上,卢瑟福假定电子在轨道上与原子的吸卢瑟福假定电子在轨道上与原子的吸 引力相抗衡引力相抗衡.卢瑟福原子结构模型遭遇的困难：卢瑟福原子结构模型遭遇的困难：电子绕原子核的运动为加速度运动，因此会不断的辐射出电磁波，而使电子的动能减少，最后坠落在原子核上，无法构成一稳定的原子。波尔利用能级的概念解决卢瑟福原子结构模型遭遇的困难。上世纪初的原子模型上世纪初的原子模型（发现（发现原子核之前）原子核之前）J.J.J.J.汤姆生的原子模型：汤姆生的原子模型：正电荷均匀分布在一个正电荷均匀分布在一个球体内，电子镶嵌在其中某球体内，电子镶嵌在其中某些平衡位置上，并作简谐振些平衡位置上，并作简谐振动动。I I.原子核的发现与组成原子核的发现与组成185618561940194019061906年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖1.2 1.2 原子核的组成及其稳定性原子核的组成及其稳定性 1 1、原子的核式模型、原子的核式模型187118711937193719081908年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖其他主要贡献：其他主要贡献：其他主要贡献：其他主要贡献：19191919年，年，19201920年，预言中子存在。年，预言中子存在。培养了培养了1212位诺贝尔奖获奖者位诺贝尔奖获奖者。19091909年卢瑟福年卢瑟福 散射试验，散射试验，19111911年提出原子的核式模型。年提出原子的核式模型。卢瑟福散射实验结论卢瑟福散射实验结论：正电荷集中在原子的中心，即正电荷集中在原子的中心，即原子核原子核；线度为线度为1012cm量级，为原子的量级，为原子的104量级；量级；质量为整个原子的质量为整个原子的99.9%以上；以上；从此建立了原子的有核模型。从此建立了原子的有核模型。原子的电中性，要求：原子的电中性，要求：原子核所带电量与核外电子原子核所带电量与核外电子电量相等电量相等，核电荷与核外电子电荷核电荷与核外电子电荷符号相反符号相反。即：核电荷即：核电荷Ze，核外电子电荷，核外电子电荷Ze。2 2、中子的发现与原子核的组成、中子的发现与原子核的组成 发现中子之前，人们猜测原子核是发现中子之前，人们猜测原子核是由由质子质子和和电子电子组成的。组成的。这个假设可以解释原子核的这个假设可以解释原子核的质量质量和和电荷电荷。但也但也遇到了不可克服的困难。遇到了不可克服的困难。与实验和理论不符。与实验和理论不符。例子：例子：氦核氦核(质量数质量数4 4，电荷数，电荷数2)2)的大小为：的大小为：假设假设氦核中有电子，那么电子的德布罗意波长氦核中有电子，那么电子的德布罗意波长 不能大于不能大于2d2d，即，即由不确定关系：由不确定关系：由相对论方程：由相对论方程：得到电子能量为：得到电子能量为：对比实验这一结论对比实验这一结论不存在不存在，所以，所以假设不成立，即核中假设不成立，即核中无电子。无电子。另外从原子核的自旋也可证明核中无电子。另外从原子核的自旋也可证明核中无电子。中子的发现1930年，德国人波特和贝克利用钋所放射的粒子撞击铍，产生一种穿透力很强的中性射线，猜想可能为射线。1932年，居里夫妇的女儿伊琳与女婿朱里欧，将粒子撞击铍，产生的中性射线照射石腊板，发现会放射出动能高达 5.7MeV的质子，经计算此中性射线能量需高达 52MeV。英国人查德威克认为由原子核放出的光子或粒子，一般能量仅有几 MeV，不可能达 52MeV，因此认为原子核所放出的射线不是射线，而是中子。1932年，查德威克将粒子撞击铍，产生的中性射线照射气体原子，测量气体离子动能，求出中子的质量约等于质子的质量。实验装置粒子从钋放射源射出后撞击铍，产生的中性射线照射氢原子与氮原子气体，测量氢原子与氮原子被撞击后的最大速度，利用弹性碰撞的动能守恒与动量守恒，求出中子的质量。3.实验原理与结果：中子质量 mn 以 速率vn 分別与氢离子（质量 mH）及氮离子（質量 mH）作正向弹性碰撞，由动量守恒及动能守恒可得即中子的质量约等于质子的质量。中子被证明是一个单一粒子。19321932年查德威克年查德威克(J.Chadwick)(J.Chadwick)发现发现中子中子。(据此获据此获19351935年诺贝尔年诺贝尔物理学奖物理学奖)1891189119741974用用 粒子轰击铍，铍放射出穿粒子轰击铍，铍放射出穿透力很强的中性粒子，可以将含透力很强的中性粒子，可以将含氢物质中的质子击出，并证明其氢物质中的质子击出，并证明其有与质子相近的质量。有与质子相近的质量。实验中放出的实验中放出的不是不是高能高能，而是，而是中子中子。核电荷数核电荷数Z同时表示：同时表示：核内质子数，核的电荷数，核外电子数。核内质子数，核的电荷数，核外电子数。原子核由质子和中子组成，原子核由质子和中子组成，中子中子和和质子质子统称为统称为核子核子。中子中子不带电。不带电。质子质子带正电，电量为带正电，电量为e e。电荷数为电荷数为Z的原子核含有的原子核含有Z个质子。个质子。中子发现后，海森堡中子发现后，海森堡(W.Heisenberg)(W.Heisenberg)很快提出，很快提出，原子核原子核由由质子质子和和中子中子组成，组成，并得到实验支持。并得到实验支持。1901190119761976因量子力学方面因量子力学方面因量子力学方面因量子力学方面贡献，获贡献，获贡献，获贡献，获1932193219321932年年年年诺贝尔物理奖。诺贝尔物理奖。诺贝尔物理奖。诺贝尔物理奖。中子中子、质子质子和和电子电子的的质量质量与与电荷电荷质量质量(u)电荷电荷(e)中子中子0质子质子1电子电子1 原原子子核核由由中中子子和和质质子子组组成成，中中子子不不带带电电，质质子子带带单单位位正正电电荷荷。中中子子和和质质子子质质量量相相当当，分分别别约约等等于于一一个个原原子子质质量量单单位位。核核中中中中子子和和质质子子统统称称为为核核子子，数数目目以以A表表示示，A称称为为核核子子数数或或质质量量数数，核核中中质质子子数数记记为为Z，中中子子数数记记为为N。常用如下形式表示一个原子核：常用如下形式表示一个原子核：实际上核素符号实际上核素符号X和质子数和质子数Z具有唯一、确定的关具有唯一、确定的关系，所以用符号系，所以用符号AX足以表示一个特定的核素。足以表示一个特定的核素。II.II.原子核的表示原子核的表示核子数核子数A质子数质子数Z中子数中子数N元素符号元素符号XIII.III.原子核物理常用术语及意义原子核物理常用术语及意义1 1、核素核素（nuclide）具有具有一定数目的中子一定数目的中子和和质子质子以及以及特定能态特定能态的一种的一种原子核或原子称为原子核或原子称为核素。核素。核子数、中子数核子数、中子数、质子数质子数和和能态能态只要有一个不同，只要有一个不同，就是不同的就是不同的核素。核素。两种核素，两种核素，A同，同，Z、N不同。不同。两种核素，两种核素，N同，同，A、Z不同。不同。两种核素，两种核素，Z同，同，A、N不同。不同。两种核素，两种核素，A、Z、N同，能态不同。同，能态不同。某元素中某元素中各同位素各同位素天然含量天然含量的的原子数百分比原子数百分比称为称为同位素丰度。同位素丰度。具有具有相同原子序数相同原子序数但但质量数不同质量数不同的核素称为某元素的核素称为某元素的的同位素同位素。(即即Z相同，相同，N不同，在元素周期表中处于不同，在元素周期表中处于同一个位置，具有基本相同化学性质。同一个位置，具有基本相同化学性质。)2 2、同位素同位素（isotope）和同位素丰度）和同位素丰度铀的二种同位素。铀的二种同位素。氢的三种同位素；氢的三种同位素；99.756%、0.039%、0.205%99.985%、0.015%3 3、同中子异荷素（、同中子异荷素（isotone）4 4、同量异位素（、同量异位素（isobar）质量数质量数A相同相同，质子数质子数Z不同不同的核素的核素。中子数中子数N相同相同，质子数质子数Z不同不同的核素的核素。也称为同中子素或同中异位素。也称为同中子素或同中异位素。5 5、同质异能素（、同质异能素（isomer）质子数质子数 Z 和和中子数中子数 N 均相同均相同，而，而能态不能态不同同的核素的核素。同质异能态：同质异能态：同质异能素所处的能态，是寿命比较长的激发态。同质异能素所处的能态，是寿命比较长的激发态。激发态半衰期为激发态半衰期为2.81hr2.81hr。6 6、偶偶A核：核：奇奇A核：核：偶奇核偶奇核(e-o(e-o核核)、奇偶核、奇偶核(o-e(o-e核核)。奇中子核，奇中子核，奇质子核。奇质子核。镜像核：镜像核：中子数中子数N、质子数、质子数Z互换的核素。互换的核素。中子数中子数N、质子数、质子数Z均为均为偶数偶数的核素。的核素。偶偶核偶偶核(e-e(e-e核核)中子数中子数N、质子数、质子数Z均为均为奇数奇数的核素。的核素。奇奇核奇奇核(o-o(o-o核核)IV.IV.核素图及核素图及稳定曲线稳定曲线核素图核素图稳定曲线稳定曲线核素图及核素图及稳定曲线的特点：稳定曲线的特点：).).核素图包括核素图包括300300多个多个天然天然存在的存在的核素核素(其中稳定核素其中稳定核素280280多个，放射性核素多个，放射性核素3030多个多个)及及16001600多个多个人工人工放射性放射性核素核素。).).稳定同位素几乎全落在一条光滑的稳定同位素几乎全落在一条光滑的曲线，稳定曲线在曲线，稳定曲线在轻核靠近轻核靠近 ZN 线线，而而对重核则对重核则 N Z.3).3).偏离稳定曲线上方的核素为偏离稳定曲线上方的核素为丰中子核丰中子核素素，易发生易发生衰变衰变；下方的核素为；下方的核素为缺中缺中子核素子核素，易发生易发生衰变衰变。稳定核素的奇偶分类表：稳定核素的奇偶分类表：Z N名名 称称稳定核素数目稳定核素数目e e偶偶核偶偶核166166e o偶奇核偶奇核5656o e奇偶核奇偶核5353o o奇奇核奇奇核9 9 偶偶核最稳定偶偶核最稳定，稳定核最多；其次，稳定核最多；其次是奇偶核和偶奇核；而是奇偶核和偶奇核；而奇奇核最不稳奇奇核最不稳定定，稳定核素最少。，稳定核素最少。1.2 1.2 原子核的大小原子核的大小 实验表明，原子核的线度比原子的线度实验表明，原子核的线度比原子的线度1010m小得多，小得多，为为1014 15m量级。量级。原子核的形状作为一级近似可以看作球形。原子核的形状作为一级近似可以看作球形。由于原子核有角动量，略呈旋转椭球形。由于原子核有角动量，略呈旋转椭球形。原子核的半径原子核的半径,根据测量方法：根据测量方法：它们结果相近，均与它们结果相近，均与 A1/3 成正比。成正比。电荷半径：电荷半径：核力半径：核力半径：核力半径核力半径和和电荷分布半径电荷分布半径。重要结论：重要结论：原子核原子核半径半径近似近似正比于正比于A1/3，原子核，原子核体积体积近似近似正比于正比于A。原子核的密度：原子核的密度：代入：代入：得：得：结论：原子核密度为常数，且非常大。结论：原子核密度为常数，且非常大。1.3 1.3 原子核的质量和结合能原子核的质量和结合能1 1、原子核结合能的概念、原子核结合能的概念当若干质子和中子结合成一个核时，由于是核当若干质子和中子结合成一个核时，由于是核力的作用，将力的作用，将释放释放一部分能量叫一部分能量叫结合能结合能。以原子质量以原子质量M 表示，且忽略原子电子的结表示，且忽略原子电子的结合能，得到：合能，得到：2 2、质量亏损与质量过剩、质量亏损与质量过剩质量亏损质量亏损和和原子核结合能原子核结合能是是同一个物理量同一个物理量的的质量质量和和能量能量表示。它们的联系就是质能表示。它们的联系就是质能关系。关系。原子核的质量总是原子核的质量总是小于小于组成它的所有核子的质量组成它的所有核子的质量之和的，少的那部分质量称为之和的，少的那部分质量称为质量亏损质量亏损(Mass Defect)。表示为。表示为所有的核都存在质量亏损，即所有的核都存在质量亏损，即 计算中，常用原子质量代替核质量：计算中，常用原子质量代替核质量：为了计算方便，定义为了计算方便，定义质量过剩质量过剩为：为：也称为也称为质量盈余质量盈余(Mass Excesses)(Mass Excesses)，单位为单位为 MeVMeV，在核数据手册中可查到，在核数据手册中可查到由它可求出原子质量由它可求出原子质量 3 3、比结合能及比结合能曲线、比结合能及比结合能曲线比结合能比结合能：（平均结合能）（平均结合能）单位是单位是 MeV/Nu，Nu代表核子。代表核子。比结合能的物理意义：比结合能的物理意义：原子核拆散成自由核子时，外界对原子核拆散成自由核子时，外界对每个核子每个核子所做的最小所做的最小的的平均功平均功。或者说，它表示核子结合成原子核时，平均或者说，它表示核子结合成原子核时，平均一一个核子个核子所所释放的能量释放的能量。比结合能比结合能表征了表征了原子核结合原子核结合的的松紧程度松紧程度：比结合能比结合能大大，核结合，核结合紧紧，稳定性，稳定性高高；比结合能比结合能小小，核结合，核结合松松，稳定性，稳定性差差。比结合能曲线：比结合能曲线：裂变裂变聚变聚变8.797.071.1124 4、原子核最后一个核子的结合能、原子核最后一个核子的结合能原子核最后一个核子的结合能，是一个原子核最后一个核子的结合能，是一个自由核子自由核子与与核的其余部分核的其余部分组成组成原子核时所原子核时所释放的能量释放的能量。也。也就是从核中就是从核中分离分离出一个核子所需要出一个核子所需要给予的能量给予的能量。显然，质子与中子的分离能是不等的。显然，质子与中子的分离能是不等的。原子核最后一个核子的结合能的大小，反映了这原子核最后一个核子的结合能的大小，反映了这种原子核种原子核对邻近的那些原子核的稳定程度对邻近的那些原子核的稳定程度。最后一个最后一个质子质子的结合能为：的结合能为：或或 最后一个最后一个中子中子的结合能为：的结合能为：或或 例如：例如：最后一个核子结合能的物理意义：最后一个核子结合能的物理意义：反映反映了这种了这种原子核原子核相对相对临近的那些原子核临近的那些原子核的的稳定程度稳定程度。表明表明16O与邻近的原子核与邻近的原子核17O、17F相比，相比，稳定性稳定性要要大得多。大得多。5 5、核结合能的经验公式、核结合能的经验公式原子核原子核模型理论模型理论：从从实实验验入入手手对对原原子子核核作作各各种种各各样样的的设设想想，把把它它类类比比为为人人们们已已经经熟熟悉悉的的某某种种事事物物，来来研研究究原原子子核核的的性性质质、结结构构和和相相互互作作用用的的规规律律，解解释释已已有有的的实实验验现现象象(如如结结合合能能、核核力力、核衰变、核反应等核衰变、核反应等)，探索预告，探索预告新的实验结果新的实验结果。在原子核的模型理论中，较早提出并且取得极大成功的在原子核的模型理论中，较早提出并且取得极大成功的模型是玻尔模型是玻尔(N.Bohr)(N.Bohr)提出的提出的液滴模型液滴模型。除液滴模型外，还有除液滴模型外，还有壳模型壳模型、集体模型、费米气体模型集体模型、费米气体模型等。等。一种模型理论是否成功，根本在于是否能经一种模型理论是否成功，根本在于是否能经受受实验实验的检验。的检验。1).1).核力核力具有具有饱和性饱和性，与液体中分子的饱，与液体中分子的饱和性相似。和性相似。液滴模型：液滴模型：把把原子核原子核类比为类比为一个一个液滴液滴。主要根据有两个：主要根据有两个：2).2).原子核原子核是是不可压缩不可压缩的，与液体的不可的，与液体的不可压缩性相类似压缩性相类似。由于质子带正电，原子核的液滴模由于质子带正电，原子核的液滴模型把原子核当作型把原子核当作带正电荷的液滴带正电荷的液滴。根据液滴模型，结合能半经验公式为：根据液滴模型，结合能半经验公式为：体积能项体积能项表面能项表面能项库仑能项库仑能项对称能项对称能项对能项对能项体积能项体积能项：结合能中的：结合能中的主导项主导项，由于核力的，由于核力的饱和性饱和性，它，它正比于核体积正比于核体积（V A）。）。表面能项表面能项：表面表面核子的核力核子的核力没有饱和没有饱和。表面核子的结合。表面核子的结合弱，要从体结合能减去一部分。该部分弱，要从体结合能减去一部分。该部分正比于核的表面正比于核的表面积积 (S A2/3)库仑能项库仑能项：核内有：核内有Z个个质子质子，它们之间存在，它们之间存在库仑斥力库仑斥力，使结合能变小。使结合能变小。对称能项对称能项：反映核内的：反映核内的中子数中子数与与质子数是否相等质子数是否相等，若它，若它们相等时为零们相等时为零。对能项对能项：由核内：由核内 N，Z 的的奇偶性奇偶性确定。不同奇偶性的核确定。不同奇偶性的核有不同的对能项。有不同的对能项。偶偶核偶偶核奇奇A A核核奇奇核奇奇核比结合能半经验公式：比结合能半经验公式：半经验公式计算的比结合能曲线半经验公式计算的比结合能曲线5101550100150200A(MeV)2501.4 1.4 核力及核势垒核力及核势垒1 1、核力的一般性质、核力的一般性质A A、核力是、核力是短程、强相互作用力短程、强相互作用力。B B、核力、核力与电荷无关与电荷无关。C C、核力具有、核力具有饱和性饱和性。D D、核力主要是、核力主要是吸引力吸引力，在，在极短程极短程内有排斥芯内有排斥芯。