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1、第一章 原子认识的发展和结构模型,授课教师：史建君 ,电话: 86843241; 13082807788,章节内容,第一节 对原子认识的发展 第二节 原子结构模型 第三节 原子的基本参数 附录 1 卢瑟福散射方法应用实例,第一节 对原子认识的发展,是什麽把它们组合在一起？,历史回顾,物质世界是由 什麽组成的？,金、木、水、火 、土 ？,阴、阳？,公元前384322年 古希腊哲学家亚里士多德和泰勒斯等提出“四元素说”,万物源于水 自然现象归于自然物质 水、 空气 、土 、火,公元前500400年 古希腊人留基伯及其学生德谟克利特等古希腊哲学家首先提出“原子说”,万物是由大量的不可分割的微粒构成的
2、，即原子,德谟克利特,“原子”在沉睡了 2000 多年后,科学概念球,1803 道尔顿,1803道耳顿原子科学概念球,提出近代原子学说，他认为原子是微小的不可分割的实心球体,英国化学及物理学家,电子的发現(实例),1897 U.K. Thomson 湯姆逊,（1856-1940）,实景照片,P6,陰極射線是帶負電的粒子,阴极射线偏向正电极,陰極射線是帶負電的粒子,阴极射线受磁场影响而偏向,Thomson： 1.確認陰極射線為帶負電的電子流， 稱这种粒子為電子。 2.測量電子的e/m值(e/m=1.76*1011庫侖/公斤),实验上认定 : 阴极射线是负电荷粒子, 荷质比是氢原子离子的1000多
3、倍 若电荷都为1个单位,则该粒子质量为氢原子的1/1800,比氢原子小很多. 命名为电子（现在精确值1/1840）,？,电子是人类发现的第一个比原子还小的粒子，从原子中出来, 原子在强电场下可被打破. 突破了原子是组成物质最小“砖块”的认识， 促使人们向原子内部探索，掀起了“分裂原子”的热潮。,汤姆逊,1887 考夫曼，1890 舒斯特都曾得到过类似实验结果, 但由于不相信阴极射线会是由粒子组成的,特别比原子还小很多,不可思议,没有勇气发表得到的结果。,其他科学家的发现,“当真理碰到鼻尖上的时候还没有得到真理的人” 恩格斯,道耳顿原子科学概念球,电子的发现打破了,湯姆逊原子模型,湯姆逊,均勻分
4、布在球體內,鑲嵌在球體內,原子的質量集中在帶正電荷的部分,汤姆逊 英国物理学家 (1856-1940),原子电中性,原子=正电物质+电子,汤姆逊 “原子模型” 把当时的实验结果和理论都综合进去了， 被公认为第一个比较完整的、科学的原子模型，影响很大,电子在平衡位置做简谐振动，发射和吸收特定频率的电磁辐射,可以解释元素周期表某些事实，元素化学性质，元素光谱线的差异等,1903年，林纳（Lenard)在研究阴极射线被物质吸收的实验里发现“原子是十分空虚的”,1904年，长冈半太郎在此基础上提出了“土星模型”，但没有深入下去,正电荷集中于中心， 电子分布在绕正电球 旋转的园环上,1909至1911年
5、，英国物理学家卢瑟福（18711937）和他的合作者们做了用“粒子轰击金箔的实验”,否定了“汤姆逊模型”,第二节 原子结构模型,粒子撞击金箔的实验, 放射源,探测器,背散射粒子,金箔,P12,盖革-马斯顿散射实验装置 粒子撞击金箔的实验,显微镜, 放射源 (镭),改进的装置,易穿过原子，只能发生小角度散射,R,r,r,电子的质量很小，不到粒子的七千分之一，碰到它，就像飞行的子弹碰到一粒尘埃一样。运动方向不会发生明显的改变,粒子穿过原子时，它受到的原子内部两侧正电荷的斥力相当大一部分互相抵消，使粒于偏转的力不会很大,每次碰撞偏转角小于10-3 rad，产生90o偏转的几率约为10-3500,金箔
6、,粒子大角度散射现象,令卢瑟福感到惊奇,产生90O偏转的实验值为1/8000,需要有很强的作用力,除非原子的大部分质量和电荷集中到一个很小的核上,否则大角度散射是不可能的, 粒子, 粒子的偏转,R模型,距核愈近力愈大，可能被大角度散射,原子核,原子,卢瑟福设想的原子,r,原子“行星”模型 1911年,原子中心有一个带正电荷的核，它的质量几乎等于原子的全部质量， 电子在它的周围沿着不同的轨道运转，就象行星环绕太阳运转一样,卢瑟福 英籍新西兰人（18711937）,E. Rutherford (1871-1937),负电荷分布在原子核周围, 如何分布? 原子不稳定？,卢瑟福散射实验结果表明:,原子
7、内正电荷集中在中心,并载有原子绝大部分质量 99.99% 以上 叫原子核,原子内部十分空旷 原子10-10米 原子核 10-15米,假 定,如果散射仅由静电 相互作用引起,则有:,N=N0 n t (Ze2/40mv2)2 / Sin4(/2),薄片厚度,原子数/cm3,介电常数 8.8510-12As/Vm,散射粒子数反比于 Sin4(/2),公式推导：自学 P1421,卢瑟福散射公式,P14,Rutherford 原子模型：类似行星绕太陽,轨道半径 r 可以是任意值，能量就应为連续，但是原子光谱却是一些不连续的亮线：,缺陷1：无法解释原子光谱,能量是不连续,軌道半径也是不连续,He的光谱线
8、,电子軌道的崩潰,缺陷2：无法解释原子的稳定性,园周运动为加速运动 帶电粒子作加速度运动会放出能量,电子逐渐失去能量，最后会掉进原子核内 正负电荷中和，原子全部崩溃,卢瑟福模型,原子光谱的经验规律,普朗克的量子假说(1900年),爱因斯坦的光子假说(1905年),+,+,+,1913年提出假说 原子能量不连续 当能级发生跃迁时，就发射出一定频率的光,尼 玻尔（1885-1962） 丹麦物理学家,1.量子假说依据之一:黑体辐射,黑体辐射 “紫外灾难” 热辐射量子,普朗克（1858-1947）德国物理学家,(1918 诺贝尔物理奖),P32,什么叫黑体辐射?,物体对什么光都吸收而无反射,所有物体都
9、发射热辐射,用不透明材料制成一空 心容器，壁上开一小孔， 这个小孔可看成绝对黑体,绝对黑体的模拟,紅外線夜視鏡,实验表明：一切物体是以电磁波的形式向外辐射能量,辐射的能量与温度有关，称之为热辐射,辐射和吸收的能量恰相等时称为热平衡。此时温度恒定不变,热电偶 E(T,),光栅光谱仪,T,黑体,研究黑体辐射的实验装置示意图,维恩位移定律,实验发现：当绝对黑体的 温度升高时，单色辐出度 最大值对应的m 向短波方 向移动,瑞利和琼斯 用能量均分定理和 电磁理论得出能量密度：,* 维恩根据经典热力学得出：,1893年,维恩得到E 的关系式，系统偏离,单位时间单位 面积黑体辐射 的能量,对波长极短的紫外部
10、分辐射能量密度 E 完全违背实验事实 经典物理不可避免 “紫外灾难”,“紫外灾难”,19001905瑞利和金斯导出E 公式,即物体发射或吸收电磁辐射只能以“量子”方式进行，每个能量子的能量为:, = h,其中 h = 6.62610 - 3 4 Js 称为普朗克常数。,对于频率为 的电磁辐射，物体只能以 h 为单位发射或吸收它。,普朗克假设（1900年）,能量不连续的概念与经典 物理学是完全不相容的！,普朗克导出了与实验结果极为符合的普朗克公式,1900.12.14.-量子论诞生日,普朗克公式,利用内插法将适用于短波的维恩 公式和瑞利-金斯公式衔接起来,1893年,维恩得到E 的关系式，系统偏
11、离,19001905瑞利和金斯导出E 公式,单位时间单位 面积黑体辐射 的能量,对波长极短的紫外部分辐射能量密度 E 完全违背实验事实 经典物理不可避免 “紫外灾难”,普朗克从理论上寻找对公式的解释，发现只要假定辐射能不是连续变化，而只取某个单元能量的整数倍跳跃变化，就可做出合理解释。,1900/12/14 普朗克将能量不连续的假设 报告了德国物理学会：热辐射能量是一个基本单位量 0= h 的整数倍，h 称做能量子 即 辐射能量取值 n 0 其中 n = 0,1,2,3,4,5, 由此，得到的公式能够很好地与黑体热辐射实验结果符合 并且 短波区 维恩公式 ； 长波区 瑞利-金斯公式,普朗克用能
12、量子假说导出的黑体辐射公式与实验结果精确相符,成为量子论的重要依据之一.,两种观点的对比,经典物理: 自然界无跳跃,连续变化,新观点:自然界有跳跃,不连续(量子化),与传统认识相矛盾,令许多人难以接受， 普朗克本人也非常矛盾。,但是，量子论是物理概念的一次革命、一次创新，更多的实验事实被发现，发展趋势锐不可挡！,普朗克试图3次修改量子论，甚至放弃自己提出的能量量子概念，力图将其纳入经典物理范畴。,普朗克回忆这段经历说：,花费了15年的时间，付出了巨大的精力，企图使基本作用量子与经典理论调和的努力纯属“徒劳无益”，“近乎一场悲剧”。,M. Planck (1858-1947),爱因斯坦（1878
13、-1955）,爱因斯坦第一个坚持能量量子论,1905年提出光量子解释光电效应,1907年 解释了热容量量子性质,Einstein (1878-1955),1905年（26岁）连续发表五篇论文 光量子论分子尺度新测定 论动体的电动力学等揭示了 “狭义相对论”基本原理,2.量子假说依据之二: 光电效应,光,R,E,-,+,电子,eV0=(1/2)mv2,P37,实验结果,10-9s,t,i,光电效应具有瞬时性(同时产生) 经典物理认为吸收能量需要时间,光电流,吸收能量需要的时间? 例:以光强为1W/m2的光照射到钠板上,要使电子获得1eV的能量,需要1/3a.,与经典物理矛盾,是经典物理最难理解的
14、.,入射光的频率高于阈频率，才能产生光电流，否则无论光强 I 再大，都无光电流(与有关,与I无关)。 而经典认为: 有无光电效应与频率无关。,Cs,K,Cu,0,V0,遏制电压,V0依赖于光的频率而与光强I无关；而经典 认为光强越大，光电子的初动能也越大。,eV0=(1/2)mv2,阈频率,爱因斯坦1905年提出了光量子假设,（1）电磁辐射由光量子组成，每一个光量子的能量 = h 其中h 是普朗克常数,（2）光量子具有“整体性”。 一个光子只能整个地被 电子吸收或放出。,光电效应的量子解释,光照射到金属表面时，光子将全部能量h传递给金属中的电子。电子克服核的束缚而成为自由电子。,光电子的最大初
15、动能只与入射光的频率有关，与光的强度无关。,逸出的电子的最大初动能为,(1/2)mv2=h-,逸出功,0,能量Em,阈频率,频率,h,-,动能,动能=(1/2)mv2=h-,普朗克指责爱因斯坦光量子论 “太极端了”,爱因斯坦的光量子假设成功地解释了光电效应，1922年因光电效应获诺贝尔物理奖,光源,分光器（棱镜或光栅）,纪录仪（感光底片或光电纪录器）,光谱仪,3.量子假说依据之三: 原子线状光谱,玻尔 1913年 利用量子轨道的概念成功地解释了原子线状光谱，提出了现代原子模型。,光谱,电磁辐射频率成分和强度分布的关系图,He光譜,原子在不同定态之间跃迁，以电磁辐射形式吸收或发射能量。,h=En
16、-Em,频率规则,En,Em,吸收,发射,h,h,E2,E3,4. 德布洛依 1924年 提出物质波概念 5. 海森堡 1925年创立矩阵力学（ 量子力学 ） 6. 薛定谔 1926年创立波动量子力学 量子论终于取得了胜利!,卢瑟福模型,原子光谱的经验规律,普朗克的量子假说(1900年),爱因斯坦的光子假说(1905年),+,+,+,1913年提出假说 原子能量不连续 当能级发生跃迁时，就发射出一定频率的光,尼 玻尔（1885-1962） 丹麦物理学家,现代原子模型的建立 1913,尼 玻尔（1885-1962）丹麦物理学家,1912年6月12日一封信中写道： “ Perhaps I have
17、 found out a ittle about the structure of atoms”,电子在原子核外空间的一定轨道上绕核做高速的圆周运动,（1922年获诺贝尔物理学奖）,P44,原子结构,原子壳层模型,1913年 第一次提出角动量量子化 H 原子中的电子处于分立（定态）能级上 这些电子是稳定，不辐射能量 解决了原子不稳定和光谱不连续的困惑,电子云,电子出现几率的分布图,電子只能存在某些特殊的軌道上才是穩定的，在這些軌道上不會放射出電磁波，因此電子也不會損失能量,在這個假設下，原子的激發光譜自然而然也是不連續的,核外电子分层排布,电子按能量高低在核外分层排布。,排 布 规 律,电子总
18、是尽先排布在能量最低的电子层里,K L MN O P,2 8 183250 2n2,1 2 3 4 5 6,每个电子层最多只能排布2n2个电子,K层为最外层时，最多只能容纳2个电子,次外层最多不超过18个电子,其它各层为最外层时，最多只能容纳8个电子,惰性气体元素原子电子层排布,原子结构示意图1,原子结构示意图2,弗兰克赫兹实验,玻尔理论的验证,1914年,Franck和Hertz实验发现原子经电子碰撞后吸收能量的分立性,K：热阴极，发射电子,KG区：电子加速，与Hg原子碰撞,GA区：电子减速，能量大于0.5 eV的电子可克服反向偏压，产生电流,P56,非弹性碰撞，电子损失能量，激发Hg原子,
19、弹性碰撞，电子几乎不损失能量,电子经过 次加速和非弹性碰撞，能量全部损失，电流最小。,K：旁热式热阴极，均匀发射电子，提高能量测量精度,KG1区：电子加速,G1G2区：电子与原子碰撞,G2A区：电子减速,1920年,Hertz测得4.9 eV以上的高激发能,Franck改进实验装置,1924年,缺陷：电子动能达到4.9 eV便经碰撞失去能量，无法达到更高动能。,课堂练习1,1.下列原子结构示意图中,正确的是:,2.某元素原子的原子核外有三个电子层,最外层有4个电子,该原子核内的质子数为: A.14 B.15 C.16 D.17 3.下列叙述正确的是: A.电子在原子核外作高速圆周运动 B.电子
20、云示意图中的小黑点表示一个电子 C. 次外层电子数一定是2或8 D.最外层只有一个电子的原子不一定是碱金属元素的原子,答案：1.B 2.A 3.D,课堂练习2,1.根据下列叙述,写出元素名称并画出原子结构示意图。 （1）A元素原子核外M层电子数是L层电子数的1/2；_ （2）B元素原子的最外层电子数是次外层电子数的1.5倍；_ （3）C元素的次外层电子数是最外层电子数的1/4；_ 2.X和Y是原子序数小于18的元素，X原子比Y原子多1个电子层；X原子的最外层中只有1个电子；Y原子的最外层电子层中有7个电子。这两种元素形成的化合物的化学式是_.,答案：1.(1) 硅 2 8 4 (2) 硼 2
21、3 (3) 氖 2 8 2. NaF,第三节 原子基本参数,一、原子的质量,16,1,1.质量单位,原子质量单位 u (unit), 12C质量的1/12,1u = 1.660540210-27kg = 931.49432Mev/c2,M H=1.007825u M O=15.994915u,mp=1.007276u,1 eV :1个电子穿过 1 伏特电压差 所获得的能量 1 eV = 1.6 10-19 焦耳,1 keV = 103 eV 1 MeV = 106 eV 1 GeV = 109 eV 1 TeV = 1012 eV,1 GeV 约相当于蚊子飞行 动能的 1/1000,核科学使用
22、的能量单位 电子伏特(eV),1 TeV,2.原子质量的计算,m = M/NA,原子质量,摩尔质量,阿伏伽德罗常数 NA=6.0221023/mol,例: 1mol 12C 的摩尔质量为12g， 故 12u=12/NA 1u=1/NA=1.660540210-27kg,一些原子的质量,二、电子的电荷和质量,1923年获诺贝尔奖,R. Millikan (1868-1953),电子电荷的精确测定由密立根于1910年完成“油滴实验”,e=1.6021773310-19 C,密立根发现电荷是量子化的 为什么？ 至今仍然是一个迷,实验测得e/me 可以定出电子的质量为：,me = 9.10938971
23、0-31kg = 0.511 MeV/c2,J. J. Thomson (1856-1940),1897年使用的放电管,荷质比的测定,V,计数,1,2,质谱仪,动能 = qV Mv2 = qV qvH = Mv2/R q/M=2Vc2/H2R2 H, R固定, 改变V, 调压法,三、原子大小的估算,A克AX原子有NA个,V=(4/3)r3,r,m= A/NA,r3=3A/(4NA),m= V= = (4/3)r3,不同原子的半径,附录 1 卢瑟福散射方法应用实例,卢瑟福背散射分析（RBS),1 卢瑟福散射实验的思考,1911 由于观测到大角度散射的粒子发现了原子核，表明大角度散射粒子载有原子核
24、大小的信息。,散射粒子是否还载有其他信息呢？,背散射90,前向散射,基本思想：用“炮弹”轰击研究“对象”,分析实验现象和结果，推知弹与靶有关信息。,2 卢瑟福散射理论指出,0,180,90,E %,7Li,12C,27Al,197Au,散射能量损失 E = E0-Eb,散射角,在一定的实验条件下，散射 粒子能量 Eb Eb (Mi ，Zi ， ) 90 散射粒子能量差别大 背散射 粒子能量和强度（数目）载有信息: 1） 样品成分 （ Zi, Mi) 2） 各元素的含量,3 卢瑟福背散射分析方法,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, = 1
25、65,。 。 。 。 。 。 。 。 。,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 ?,登陆舱装有 散射实验,1967 年,“阿波罗”宇宙飞船 “鹰”号登月舱正向月球表面缓缓降落, 放射源,粒子穿过表面 25.4 ,背散射, 探测器,4 背散射方法首次用于月球表面元素分析, 探测器 测量背散射 粒子能量,5 分析结果,月球土壤表面元素 Ca Fe Si Al Mg Na O C 等,按此原理制成的 “卢瑟福谱仪”已 成为商品,6 结果证实,与阿姆斯特朗从月球取回的23kg样品的分析结果基本符合,由此促
26、使离子束分析技术的迅速发展，应用十分广泛： 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,阿姆斯特朗、科林斯、奥尔德林,阿姆斯特朗登上月球,1969年,自主学习课题之一,课题名称: 光电效应应用实例,课题成果形式: 制成PPT课件,做讲座,组织形式: 1-4名同学组成1组协作完成,流程: PPT完成后发至; 老师审核后安排讲座时间,注: 课程会安排3-4个自主学习课题,同学可选择其一开展调研研究.,习题解答,1) 铯的逸出功为1.9eV,试求: (a) 铯的光电效应阈频率及阈值波长; (b)如果要得到能量为1.5eV的光电子,必须使用多少波长的光照射?,解,(1/2)mv2=h-,(a),(b),2) 钾的逸出功为2eV，如果用波长为360nm的光照射钾做成的阴极K，求光电效应的遏制电压和光电子的最大速率。,解,3) 用波长=410nm的单色光照射某一金属，产生的光电子的最大动能为E=1.0eV，试求该金属的光电效应阈频率。,解,end,