1.2原子核式模型讲解.ppt

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1、 1-2 原子的核模型原子的核模型古代原子学说：古代原子学说：古代原子学说：古代原子学说：不可无限分割，存在的最小的结构单元不可无限分割，存在的最小的结构单元不可无限分割，存在的最小的结构单元不可无限分割，存在的最小的结构单元:B.B.C.C.4 4世世世世 纪纪纪纪 希希希希 腊腊腊腊 德德德德 谟谟谟谟 克克克克 利利利利 特特特特（Democritus Democritus）原子原子原子原子（AtomAtom）组成物质的最小单元组成物质的最小单元组成物质的最小单元组成物质的最小单元“其小无内，谓之小一其小无内，谓之小一其小无内，谓之小一其小无内，谓之小一”-惠子惠子惠子惠子一一 原子结原

2、子结构构 可以无限分割，物质是连续的可以无限分割，物质是连续的可以无限分割，物质是连续的可以无限分割，物质是连续的:一尺之棰，日取其半，万世不竭一尺之棰，日取其半，万世不竭一尺之棰，日取其半，万世不竭一尺之棰，日取其半，万世不竭-公孙龙公孙龙公孙龙公孙龙物质是连续的，可以无限地分割物质是连续的，可以无限地分割物质是连续的，可以无限地分割物质是连续的，可以无限地分割-亚里士多德亚里士多德亚里士多德亚里士多德18111811年年年年 AvogadroAvogadro化学原子学说：化学原子学说：化学原子学说：化学原子学说：18031803年年年年DaltonDalton 化学反应中，原子不可分解，性

3、质不变；化学反应中，原子不可分解，性质不变；化学反应中，原子不可分解，性质不变；化学反应中，原子不可分解，性质不变；不同元素的原子不同，每种原子有确定原子量。不同元素的原子不同，每种原子有确定原子量。不同元素的原子不同，每种原子有确定原子量。不同元素的原子不同，每种原子有确定原子量。气体由分子组成，分子由原子组成。气体由分子组成，分子由原子组成。气体由分子组成，分子由原子组成。气体由分子组成，分子由原子组成。18691869年年年年MendeleevMendeleev原子量大小原子量大小原子量大小原子量大小 发现元素周期律，预发现元素周期律，预发现元素周期律，预发现元素周期律，预言新元素言新元

4、素言新元素言新元素现代原子学说：现代原子学说：现代原子学说：现代原子学说：同温同压的同体积气体含相同数目的分子。同温同压的同体积气体含相同数目的分子。同温同压的同体积气体含相同数目的分子。同温同压的同体积气体含相同数目的分子。1919世纪末世纪末世纪末世纪末三大发现三大发现三大发现三大发现X X射线射线射线射线 （18951895）、放射）、放射）、放射）、放射性（性（性（性（1896 1896 Becquerel Becquerel、1903N1903N）和和和和电子电子电子电子原子是物质结构的一个层次，介于分子和原子核之间。原子是物质结构的一个层次，介于分子和原子核之间。原子是物质结构的一

5、个层次，介于分子和原子核之间。原子是物质结构的一个层次，介于分子和原子核之间。原子本身也是有结构的。原子本身也是有结构的。原子本身也是有结构的。原子本身也是有结构的。19111911年年年年RutherfordRutherford原子核式结构模型原子核式结构模型原子核式结构模型原子核式结构模型19131913年年年年BohrBohr原子量子理论原子量子理论原子量子理论原子量子理论解释氢光谱解释氢光谱解释氢光谱解释氢光谱1924-19271924-1927量子力学诞生量子力学诞生量子力学诞生量子力学诞生成功解释原子现象成功解释原子现象成功解释原子现象成功解释原子现象问题：问题：问题：问题：组分组

6、分组分组分?结构和相互作用结构和相互作用结构和相互作用结构和相互作用?内部运动内部运动内部运动内部运动?二二 卢瑟福核式模型卢瑟福核式模型1.1.电子电子电子电子（electronelectron）的发现）的发现）的发现）的发现18941894年，年，年，年，StoneyStoney（戈德斯坦）命名阴极射线粒子为电子（戈德斯坦）命名阴极射线粒子为电子（戈德斯坦）命名阴极射线粒子为电子（戈德斯坦）命名阴极射线粒子为电子18971897年，年，年，年，Thomson Thomson 证实阴极射线由负电微粒组成证实阴极射线由负电微粒组成证实阴极射线由负电微粒组成证实阴极射线由负电微粒组成真空放电管中

7、阴极射线在电场、磁场中的偏转真空放电管中阴极射线在电场、磁场中的偏转真空放电管中阴极射线在电场、磁场中的偏转真空放电管中阴极射线在电场、磁场中的偏转真真真真空空空空放放放放电电电电管管管管中中中中阴阴阴阴极极极极射射射射线线线线在在在在电电电电场场场场、磁磁磁磁场场场场中中中中的的的的偏偏偏偏转转转转测测测测出出出出了了了了阴阴阴阴极极极极射射射射线线线线的的的的荷荷荷荷质质质质比比比比：e/me/me e；（e/me/me e）10001000（e eHH/m/mHH），阴阴阴阴极极极极射射射射线线线线不不不不是是是是离离离离子子子子束束束束，而而而而是是是是电电电电子子子子束束束束。这这这

8、这种种种种粒粒粒粒子子子子是是是是各各各各种种种种元元元元素素素素的的的的原原原原子子子子都都都都有有有有的的的的，共共共共同的，同的，同的，同的，是物质的一个组成部分是物质的一个组成部分是物质的一个组成部分是物质的一个组成部分AP1P2SOP阴极射线实验装置示意图阴极射线实验装置示意图阴极射线管阴极射线管19091909年，年，年，年，MillikanMillikan油滴实验精确测定油滴实验精确测定油滴实验精确测定油滴实验精确测定18991899年，年，年，年，ThomsonThomson利用云雾室测量利用云雾室测量利用云雾室测量利用云雾室测量 和和和和Millikan油滴实验测出单个电子的

9、电荷油滴实验测出单个电子的电荷J.J.Thomson J.J.Thomson(1856-1940)(1856-1940)in recognition of the great merits of his theoretical in recognition of the great merits of his theoretical and experimental investigations on theand experimental investigations on the conduction conduction of electricity by gasesof electri

10、city by gases The Nobel Prize in Physics 1906The Nobel Prize in Physics 1906The Nobel Prize in Physics 1923The Nobel Prize in Physics 1923for his work on the for his work on the elementary charge of electricityelementary charge of electricity and on the and on the photoelectric effectphotoelectric e

11、ffectR.Millikan R.Millikan(1868-(1868-1953)1953)原子中存在一定数量的电子，带负电。原子中存在一定数量的电子，带负电。原子中存在一定数量的电子，带负电。原子中存在一定数量的电子，带负电。因为原子电中性，必定带有相同电量的正电因为原子电中性，必定带有相同电量的正电因为原子电中性，必定带有相同电量的正电因为原子电中性，必定带有相同电量的正电荷，同时承担了绝大部分质量。荷，同时承担了绝大部分质量。荷，同时承担了绝大部分质量。荷，同时承担了绝大部分质量。正电部分和电子如何分布与相对运动？正电部分和电子如何分布与相对运动？汤汤姆姆逊逊(Thomson)发发现

12、现电电子子之之后后,对对于于原原子子中中正正负负电电荷荷的的分分布布他他提提出出了了一一个个模模型型：原原子子中中带带正正电电荷荷均均匀匀分分布布在在整整个个原原子子空空间间,电电子子镶嵌在其中。镶嵌在其中。原子的模型原子的模型原子的模型原子的模型 之之之之 Thomson原子模型：面包（枣原子模型：面包（枣糕）模型糕）模型同同时时该该模模型型还还进进一一步步假假定定，电电子子分分布布在在分分离离的的同同心心环环上上，每每个个环环上上的的电电子子容容量量都都不不相相同同，电电子子在在各各自自的的平平衡衡位位置置附附近近做做微微振振动动。可可以以发发射射电电磁磁辐辐射射，而而且且各各层层电电子子

13、绕绕球球心心转转动动时时也也会会发发光光。这这对对于于解解释释当当时时已已有有的的实实验验结结果果、元元素素的的周周期期性性以以及及原原子子的的线线光光谱谱，似似乎乎是是成成功的。功的。Thomson模型的失败：与模型的失败：与粒子散射实验结果不符合。粒子散射实验结果不符合。“就像一枚就像一枚就像一枚就像一枚15151515英寸的炮弹打在一张纸上又被反射回来一英寸的炮弹打在一张纸上又被反射回来一英寸的炮弹打在一张纸上又被反射回来一英寸的炮弹打在一张纸上又被反射回来一样样样样”E.Rutherford E.Rutherford (1871-1937)(1871-1937)19091909年，年，

14、年，年，GeigerGeiger和和和和MarsdenMarsden发现发现发现发现 粒子粒子粒子粒子 经原经原经原经原子子子子散射后散射角大于散射后散射角大于散射后散射角大于散射后散射角大于 的概率约为的概率约为的概率约为的概率约为1/80001/8000，甚至达到甚至达到甚至达到甚至达到180180 粒子散射实验粒子散射实验粒子散射实验粒子散射实验真空室粒子源散射箔抽气管闪烁计数器粒子源金箔Geiger计数器俯视图俯视图Thomson模型大于90度角散射概率估算电子的质量很小，对电子的质量很小，对电子的质量很小，对电子的质量很小，对粒子（粒子（粒子（粒子（2e)2e)2e)2e)运动的影响

15、可以忽略；运动的影响可以忽略；运动的影响可以忽略；运动的影响可以忽略；只考虑原子中均匀分布的正电荷对只考虑原子中均匀分布的正电荷对只考虑原子中均匀分布的正电荷对只考虑原子中均匀分布的正电荷对粒子的影响粒子的影响粒子的影响粒子的影响对Au，Z=79，取Eq=5MeV可以看出，散射角是非常小的T T模型模型模型模型R R模型模型模型模型易穿过原子，只能发生小角度散射。易穿过原子，只能发生小角度散射。易穿过原子，只能发生小角度散射。易穿过原子，只能发生小角度散射。距核愈近力愈大，可能被距核愈近力愈大，可能被距核愈近力愈大，可能被距核愈近力愈大，可能被大角度散射大角度散射大角度散射大角度散射。Thom

16、son原子模型原子模型 Rutherford核式模型核式模型库仑散射公式库仑散射公式库仑散射公式库仑散射公式具有确定能量的一具有确定能量的一具有确定能量的一具有确定能量的一 粒子均匀入射，研究散射粒子均匀入射，研究散射粒子均匀入射，研究散射粒子均匀入射，研究散射 粒子的角分布粒子的角分布粒子的角分布粒子的角分布瞄准距离瞄准距离瞄准距离瞄准距离散射角散射角散射角散射角粒子反射粒子反射粒子反射粒子反射2、卢瑟福散射公式、卢瑟福散射公式大角度散射：只要考虑大角度散射：只要考虑大角度散射：只要考虑大角度散射：只要考虑 粒子与原子核的相互作用粒子与原子核的相互作用粒子与原子核的相互作用粒子与原子核的相互

17、作用有心力作用，有心力作用，有心力作用，有心力作用，粒子对原点（原子核）粒子对原点（原子核）粒子对原点（原子核）粒子对原点（原子核）的的的的角动量守恒角动量守恒角动量守恒角动量守恒在在在在y y y y方向动量的改变方向动量的改变方向动量的改变方向动量的改变两式相乘两式相乘两式相乘两式相乘散射角与瞄准距离的关系：库仑散射公式：瞄准距离在瞄准距离在瞄准距离在瞄准距离在b b和和和和b-dbb-db间的入射间的入射间的入射间的入射 粒子束，都被散射到粒子束，都被散射到粒子束，都被散射到粒子束，都被散射到 与与与与+d+d间的立体角内（空心圆锥立体角）间的立体角内（空心圆锥立体角）间的立体角内（空心

18、圆锥立体角）间的立体角内（空心圆锥立体角）Rutherford散射公式（大量粒子对大量靶原子的散射）瞄瞄瞄瞄向向向向dddd的的的的粒粒粒粒子子子子都都都都被被被被散散散散射射射射到到到到dddd立立立立体体体体角角角角内内内内，而而而而dddd是是是是一一一一个个个个原原原原子子子子核核核核周周周周围围围围的的的的圆圆圆圆环环环环的的的的面面面面积积积积，瞄瞄瞄瞄向向向向dddd的的的的粒粒粒粒子子子子越越越越多多多多，被被被被散散散散射射射射到到到到dddd立立立立体体体体角角角角内内内内的的的的粒粒粒粒子子子子越越越越多多多多，在在在在入入入入射射射射的的的的粒粒粒粒子子子子密密密密度度

19、度度不不不不变变变变的的的的情情情情况况况况下下下下，dddd越越越越大大大大，被被被被散散散散射射射射到到到到dddd立立立立体体体体角角角角内内内内的的的的粒粒粒粒子子子子越越越越多多多多，即即即即每每每每一一一一个个个个粒粒粒粒子子子子被被被被散散散散射射射射到到到到dddd立体角内几率越大。立体角内几率越大。立体角内几率越大。立体角内几率越大。dd被称为有效散射截面，或微分截面。被称为有效散射截面，或微分截面。Rutherford公式：公式：关于小角散射的问题关于小角散射的问题关于小角散射的问题关于小角散射的问题原因：原因：原因：原因：小小小小角角角角散散散散射射射射对对对对应应应应于

20、于于于较较较较大大大大的的的的瞄瞄瞄瞄准准准准距距距距离离离离b b；此此此此时时时时入入入入射射射射的的的的粒粒粒粒子子子子距距距距核核核核较较较较远远远远，在在在在粒粒粒粒子子子子与与与与核核核核之之之之间间间间有有有有电电电电子子子子，而而而而电电电电子子子子所所所所带带带带的的的的电电电电荷荷荷荷对对对对核核核核的的的的电电电电场场场场有有有有屏屏屏屏蔽蔽蔽蔽作作作作用用用用，即即即即粒粒粒粒子子子子所所所所感感感感受受受受到到到到的的的的有有有有效效效效电电电电场场场场要要要要小小小小。RutherfordRutherford散散散散射射射射公公公公式式式式中中中中的的的的核电荷数核

21、电荷数核电荷数核电荷数Z Z应当以有效核电荷数代替。应当以有效核电荷数代替。应当以有效核电荷数代替。应当以有效核电荷数代替。靶靶靶靶原原原原子子子子之之之之间间间间不不不不再再再再互互互互不不不不遮遮遮遮蔽蔽蔽蔽，小小小小角角角角度度度度散散散散射射射射必必必必定定定定是是是是多多多多次散射的结果。次散射的结果。次散射的结果。次散射的结果。忽略电子屏蔽作用，对忽略电子屏蔽作用，对忽略电子屏蔽作用，对忽略电子屏蔽作用，对小角度小角度小角度小角度散射不适用散射不适用散射不适用散射不适用卢瑟福公式卢瑟福公式卢瑟福公式卢瑟福公式假设某固体元素的原子是球状的，半径为假设某固体元素的原子是球状的，半径为r

22、 r米，原子之米，原子之间是紧密地堆积在一起的。若该元素的原子量为间是紧密地堆积在一起的。若该元素的原子量为A A，那那么么1 1mol该原子的质量为该原子的质量为A A克，若这种原子的质量密度为克，若这种原子的质量密度为 ,那么那么A A克原子的总体积为克原子的总体积为 ，一个原子占的，一个原子占的有体积为有体积为 ，即，即 所以原子的半径所以原子的半径 ，依此可以算出不同原子的半径，如下表所示：，依此可以算出不同原子的半径，如下表所示：3.原子的大小估计：原子的大小估计：元素元素原子量原子量质量密度质量密度原子半径原子半径Li 7 0.7 0.16 Al 27 2.7 0.16Cu 63

23、8.9 0.14S 32 2.07 0.18Pb 207 11.34 0.19不同原子的半径不同原子的半径4 4原子核大小的估计原子核大小的估计原子核大小的估计原子核大小的估计卢瑟福公式成立条件卢瑟福公式成立条件卢瑟福公式成立条件卢瑟福公式成立条件卢瑟福公式成立前提下，卢瑟福公式成立前提下，卢瑟福公式成立前提下，卢瑟福公式成立前提下，愈大，估计愈准确。愈大，估计愈准确。愈大，估计愈准确。愈大，估计愈准确。r rmm：粒子可以到达的与核的最小距离粒子可以到达的与核的最小距离粒子可以到达的与核的最小距离粒子可以到达的与核的最小距离由能量守恒及角动量守恒由能量守恒及角动量守恒由能量守恒及角动量守恒由能量守恒及角动量守恒 粒子散射实验粒子散射实验否定了否定了汤姆逊的原子模型，根据实验结果，卢瑟福汤姆逊的原子模型，根据实验结果，卢瑟福于于1911年提出了原子的核式模型。年提出了原子的核式模型。一切原子中心有一个极小的原子核，半径小于一切原子中心有一个极小的原子核，半径小于10-14m,原子核带正电，原子核带正电，其电荷为其电荷为Ze，原子半径为，原子半径为10-10m，电子位于以核为中心以电子位于以核为中心以10-10m为半径的为半径的球内或者球面上，为了平衡，电子必须像行星一样绕核旋转球内或者球面上，为了平衡，电子必须像行星一样绕核旋转。结论：卢瑟福核式模型：结论：卢瑟福核式模型：