资源简介

(共26张PPT)
物理竞赛、强基计划讲座
卢瑟福模型的建立与困难
原子物理学的研究内容和对象：
原子物理学是研究原子的结构、内部运动规律及性质的物理学分支。研究的是单个原子。
原子：介于分子和原子核之间的一个物质层次。
原子物理学的发展：
原始观点：原子是物质的简单的、不可分割的基本单元。
19世纪：大量分子运动论和化学领域实验事实表明，分子或原子是组成物体的基本单元。分子运动论涉及分子或原子的整体运动；化学现象是分子分解成原子，或原子组合成分子的过程，涉及到最外层电子的重新分布。在这些现象中，原子或原子的主体部分表现为一个比较稳定或坚固的系统，好像是一个不可分割的坚硬颗粒，这就是原子概念的形成过程。
1803年，道尔顿发现了倍比定律，他认识到原子学说推理的一个必然结果就是倍比定律。或者说，倍比定律只有原子说才能做合理的解释。
1896年发现放射性、1897年发现了电子，这表明了原子并不是不可分，是可以变形和击破的，具有复杂的内部结构和运动。
1911年卢瑟福提出原子的核式结构，1913年玻尔提出原子的量子论，揭开了原子物理学发展的新的一页。此后几年，原子物理学发展很快，而且导致了量子理论的发展和量子力学的诞生。
原子物理学的研究方法：
实践 理论 实践
原子是构成化学元素的基本单元和化学变化中的最小微粒，即不能用化学变化再分的微粒。
第一章 原子的位形：卢瑟福模型
§1 背景知识
(1)电子的发现
电子：电荷的最小单位－基本电荷；
电量＝F/NA。
1897年，J.J. Thomson在研究阴极射线时确认了电子的存在。
直接测阴极射线携带的电荷：证实阴极射线带电；
他进行了以下几方面的实验：
放电管
使阴极射线受静电偏转：改善真空条件，获得稳定的静电偏转，驳斥了“以太”说。
用不同方法测阴极射线的荷质比：不同方法得到的荷质比结果相近。
证明电子存在的普遍性：用不同的阴极和不同的气体做实验，结果荷质比也是同一量级，证实带电粒子与电极材料无关，与气体成分无关。
最后直接测量了阴极射线的载荷子所带电量：证明的确与氢离子所带电量相同。是电荷的最小单位。
J.J. Thomson在进行了大量研究后，果断指出：不论是阴极射线、 射线还是光电流，都是电子组成的。这种带电粒子比原子小千倍。
原子不可分的传统观念彻底破灭了！！
可见电子是原子的组成部分，是物质的更基本的单元。
(2) 电子的电荷和质量
（3）阿伏伽德罗常量
定义：1摩尔(mol)的分子的分子数目或1 mol原子的原子数目，用NA表示。
1 mol的12C含有NA个12C的原子，质量为12g。每个12C原子的质量为12u(原子的质量单位)，因此
1g＝NAu
NA=6.02214179(30)×1023 mol-1
NA是联系宏观和微观的一个物理量。
(4) 原子的大小
不同原子的半径基本上相差很小。
结论：原子中存在电子；电子的质量只占原子质量的很小一部分；电子带负电；原子是中性的。
这可以用泡利不相容原理解释。
问题的提出：原子是中性的，意味着原子中还有带正电的部分，且它是原子质量的绝大部分。那么原子中带正电的部分和带负电的电子在原子线度范围内是如何分布和运动的？？……
J.J.Thomson的“葡萄干面包”模型：
原子的正电荷均匀分布在整个原子球体内；电子则镶嵌其中，且电子分布在一个个环上，环上只能安置有限个电子。
林纳(Philipp Lenard ）的中性微粒模型：
原子内部的电子和相应的正电荷组成中性微粒，取名“动力子”(dynamids)，无数动力子浮游在原子内部的空间。
Lenard曾研究阴极射线，由于(真空度低)没有观察到阴极射线的任何偏转，所以坚持“以太”说。但他在阴极射线管的末端嵌上厚为2.65 m的薄铝箔，发现在铝窗口会逸出射线。(1894年)他们认为这又是以太说的有力证据，只有波才能穿越实物。
1902年，林纳已经接受阴极射线是电子束的结论。这时他又重新解释他自己发现的阴极射线穿透金属箔的现象。他认为这事件说明金属中的原子并非实心球，其中必有大量的空隙。因此提出他的中性微粒模型。
*J.J.Thomson正是根据勒纳德的薄窗实验的结果才认为阴极射线载荷子比分子小得多，对他发现电子有促进作用。
勒纳德的模型未获得实验证实，影响不大。
长冈半太郎(Hantaro Nagaoka)土星模型(1904年)：
原子内的正电荷集中于中心，电子均匀的分布在绕正电球旋转的圆环上。
* 在林纳薄窗实验结果的基础上提出的；
* 实际上已经提出原子核的概念；
*和其它的原子有核模型一样，未获充分证据证实。致命弱点是无法满足经典理论提出的稳定性要求。
到1910年，最有影响的模型还是J.J.Thomson的模型。但是，一方面要满足经典理论对稳定性的要求，另一方面，要能解释实验事实，而这两方面往往是矛盾的。
在汤姆孙的原子模型中最重要的是原子内的电子数n。开始他估计n=1000A。为了检验这个数据，汤姆孙建立了散射理论并设计了X射线和 射线实验，希望通过射线和原子中的电子的相互作用，探明原子内部的电子数目。
汤姆孙和他的学生通过实验判断，n与A同数量级。1910年，克劳瑟根据汤姆孙的 散射理论，推证n=3A；而卢瑟福根据 散射实验得到n≈A/2。
这是汤姆孙和他的学生对原子理论的一项贡献。这项工作导致了 大角度散射实验—证实了原子核的存在。
卢瑟福在研究 射线对物质的作用时，发现 射线在底片上形成的图像可以利用汤姆孙的散射理论解释。
1908年，卢瑟福的助手盖革(G. Geiger)在用闪烁法观察 散射时，发现金箔的散射作用比铝箔的强。卢瑟福建议盖革系统地考察不同物质的散射作用，并让学生马斯登(E. Marsden)协作工作。
在1909年观察到一个重要现象，就是 粒子受铂的薄膜散射时，绝大多数和过去所观察的情况一样，平均只有2～3度的偏转，但也有约1/8000的 粒子偏转大于90 ，其中有的接近180 。
卢瑟福对这一实验结果感到吃惊，因为这无法用汤姆孙的实心带电球(即前面提到的“葡萄干面包模型”)模型和散射理论解释。也不能用多次散射理论解释。卢瑟福对这一问题苦思几个星期，终于在1910年底，经过数学推算，证明：
只有正电球的直径小于原子作用球的直径， 粒子穿越单个原子时，才有可能产生大角度散射。
卢瑟福的原子有核模型：
原子的中心有一带正电的原子核，它几乎集中了原子的全部质量，电子围绕这个核旋转，核的尺寸与整个原子相比是很小的。
汤姆孙模型的定量估算：
在r≥R时，两种模型的与球外带电粒子的相互作用是一样的。
在r对卢瑟福模型，当 粒子非常靠近原子核时，就有可能被反弹回来。
F
F
O
O
R
R
r
r
两种不同电荷分布引起的不同相互作用
原子核大小的估计
实际原子核不是“点”，有大小，在核内有核力存在。当入射粒子与原子核靠得足够近时，作用力不只有库仑力，卢瑟福公式就会和实验结果产生明显的差别。因此可以用理论有效范围的实验数据，按理论来推算 粒子达到核的最小距离，这就是原子核半径的上限rm。
+
Z2e
Z1e
r
v
rm
粒子的散射轨道
在rm处，r最小。径向速度为零，只有垂直径向的速度分量。
a
讨论
1) 越大，rm越小。由此，理论公式与实验结果一致的最大散射角对应的rm，就是原子核半径的上限。
入射 粒子的能量越大，a越小，所以理论公式有效的条件下，E越大，获得的rm越接近事实。
假如 =180 时理论公式仍成立，此时, rm=a。这种情况意味着“正碰” 。
正碰：
研究表明：在测试设备完善的条件下，即使在 =180 ，卢瑟福公式仍然是成立的。因此，在这种情况下，越用能量大的 粒子进行散射，越能得到原子核半径的真实大小。
210Po的 粒子(5.3MeV)对29Cu作 =180 散射，a=15.8fm。因此铜核的半径一定小于15.8fm。
(1) 意义
提出了原子的核式结构，大胆承认高密度原子核的存在。
以散射为手段，提供了一种研究物质结构的方法，对近代物理一直起着重大影响。
为材料分析提供一种手段。
高能粒子，如从放射源发出的粒子或者从加速器射出的质子等，其能量足以使原子中的电子脱离原子核，甚至使原子核破裂，所以高能粒子轰击原子，成为一种分析物质微观结构的重要方法。
卢瑟福公式中含有核电荷数Z，通过散射实验，可以测得原子核电荷数，这是一种材料分析手段。
卢瑟福背散射分析 (RBS ) 实验原理
基本实验方块图
靶样品
入射
信号放大
分析和记录
仪器
Au-Si 半导体 谱仪
加速器
= 165°
。。
。 ．
。 。
。 。
。。
。 。
样品
入射
Z1M1
Z2M2
Z3M3
计数
能量 Eb
是什麽 有多少 在哪里
薄膜厚度 成分 组分 分布
探测器
测量背散射 粒子能量
放射源
粒子穿过表面 25.4
阿波罗月亮登陆舱中的 散射实验 1967 年
背散射
探测器
背散射方法首次用于分析月球表面元素
入射
实验结果
月球土壤表面元素
Ca Fe Si Al Mg Na O C 等
开辟了离子束分析技术的迅速发展和广泛应用：
半导体材料，金属材料，薄膜材料以及材料改性等
新材料 新器件研制
新的挑战：原子的核式结构已经被证实是正确的，那么经典的理论在微观领域遇到了难题。
+
可以估算，电子从离心力和库仑力相平衡的轨道到落入原子核，只需10-9s数量级的时间。
(2) 困难(经典理论的困难)
无法解释原子的稳定性；
经典观点：加速运动的带电体不断向外辐射能量，因此核外电子要不断失去自己的能量，将导致轨道半径越来越小，最后落到核上，正负电荷中和，原子全部崩溃。
3. 无法解释原子的再生性。
一个原子同外来粒子互相作用后，一旦这外来粒子远离，这个原子就马上又恢复到原来的状态，就像未发生任何事情一样。这就是原子的再生性。
这和宏观领域的结果也不一致。
2. 无法解释原子的同一性；
经典观点：物质的结构由初始条件决定。但是，在自然界同一种原子的结构是相同的。宇宙中形成不同的原子时的初始条件很难想象是相同的。这就是说原子的同一性不是初始条件决定的。经典理论又遇到了困难。

展开更多......

收起↑