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1、第一章：原子的位形：卢斯福模型第一节 背景知识第二节 卢斯福模型的提出第三节 卢斯福散射公式第四节 卢斯福公式的实验验证第五节 行星模型的意义及困难Automic Physics 原子物理学结束第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢斯福模型“原子”一词来自希腊文，意思是“不可 分割的”。在公元前4世纪，古希腊哲学家德 漠克利特(Democritus)提出这一概念，并把 它看作物质的最小单元。定比定律：倍比定律：元素按一定的物质比相互化合。若两种元素能生成几种化合物， 则在这些化合物中，与一定质量 的甲元素化合的乙元素的质量， 互成简单整数比。关于卢 斯福原子电子在十九世纪，人们在大量的实验中认
2、识了 一些定律，如：结束目录nextback在此基础上，1893年道尔顿提出了他的原 子学说，他认为:1.一定质量的某种元素，由极大数目的该元素的原子所构成；2.每种元素的原子，都具有相同的质量，不同元素的原子，质量也不相同；3.两种可以化合的元素，它们的原子可能按几种不同的比率化合成几种化合物的分子。第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢斯福模型原子电子关于卢 斯福结束目录nextback第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢斯福模型根据道尔顿的原子学说，我们可以对简单 的无机化学中的化合物的生成给予定量的解释 ，反过来，许多实验也证实了原子学说；并且 人们发现气态物质参与的化学反应时的元素
3、的 重量与体积也遵循上述规律。盖吕萨克定律告诉我们，在每一种生成或 分解的气体中，组分和化合物气体的体积彼此 之间具有简单的整数比，与前述规律进行对比 ，我们可以得到这样的结论：气体的体积与其中所含的粒子数目有关。阿伏 伽德罗定律告诉我们，温同压下，相同体积的不同 气体含有相等数目的分子。原子电子关于卢 斯福结束目录nextback第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢斯福模型当原子学说逐渐被人们接受以后，人们 又面临着新的问题：原子有多大？原子的内部有什么？原子是最小的粒子吗？.在学习这门课的时候；一部分问题的谜 底会逐渐揭开，现在我们来粗略地估计一下 原子的大小。原子电子关于卢 斯福结束目
4、录nextback第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢斯福模型假设某固体元素的原子是球状的，半径为r米，原子之间是紧密地堆积在一起的。若该元素的原子量为A，那么1mol该原子的质量为A，若这种原子的质量密度为 ,那么A克原子的总体积为 ，一个原子占的有体积为 ，即 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：原子电子关于卢 斯福结束目录nextback第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢斯福模型元素原子量质质量密度原子半径Li 7 0.7 0.16Al 27 2.7 0.16Cu 63 8.9 0.14S 32 2.07 0.18Pb 207 11.34 0.19不同原子的半
5、径原子电子关于卢 斯福结束目录nextback第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢斯福模型电子的发现并不是偶然的，在此之前已有 丰富的积累。1811年，阿伏伽德罗（A.Avogadno）定律 问世，提出1mol任何原子的数目都是个。1833年，法拉第（M.Faraday）提出电解定 律，1mol任何原子的单价离子永远带有相同的 电量-即法拉第常数。原子电子关于卢 斯福结束目录nextback第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢斯福模型1874年，斯迪尼（G.T.Stoney）综合上述 两个定律，指出原子所带电荷为一个电荷的整 数倍，这个电荷是斯迪尼提出，用“电子”来 命名这个电荷的最小单位
6、。但实际上确认电子 的存在，却是20多年后汤姆逊的工作.1897年，汤姆逊（J.J.Thomson）发现电子 ：通过阴极射线管中电子荷质比的测量，汤姆 逊（J.J.Thomson）预言了电子的存在。原子电子关于卢 斯福结束目录nextback第一节：背景知识第一章：原子的位形：卢斯福模型卢瑟福1871年8月30日生于新西 兰的纳尔逊，毕业于新西兰大学 和剑桥大学。1898年到加拿大任马克歧尔大 学物理学教授，达9年之久，这期 间他在放射性方面的研究，贡献 极多。 1907年，任曼彻斯特大学物 理学教授。1908年因对放射化学 的研究荣获诺贝尔化学奖。1919 年任剑桥大学教授，并任卡文迪 许实
7、验室主任。1931年英王授予 他勋爵的桂冠。1937年10月19日 逝世。关于卢 斯福原子电子结束目录nextback第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型在汤姆逊(Thomson)发现电子之后,对于 原子中正负电荷的分布他提出了一个在当时 看来较为合理的模型.即原子中带正电部分均匀分布在原子体内, 电子镶嵌在其中，人们称之为“葡萄干面包模 型“.Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextback第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型为了检验汤姆逊模型是否正确,卢瑟福于 1911年设计了粒子散射实验,实验
8、中观察到 大多数粒子穿过金箔后发生约一度的偏转.但 有少数粒子偏转角度很大,超过90度以上, 甚至达到180度.对于粒子发生大角度散射的事实,无法 用汤姆逊(Thomoson)模型加以解释.除非原 子中正电荷集中在很小的体积内时，排斥力 才会大到使粒子发生大角度散射,在此基 础上,卢瑟福(Rutherford)提出了原子的核 式模型.Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextback第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型汤姆逊(Thomson)模型认 为,原子中正电荷均匀分布在 原子球体内，电子镶嵌在其 中。原子如同西瓜
9、，瓜瓤好 比正电荷，电子如同瓜籽分 布在其中。同时该模型还进一步假定，电子分布在分 离的同心环上，每个环上的电子容量都不相同 ，电子在各自的平衡位置附近做微振动。因而 可以发出不同频率的光，而且各层电子绕球心 转动时也会发光。这对于解释当时已有的实验 结果、元素的周期性以及原子的线光谱，似乎 是成功的。Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextback第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型粒子散射实验是卢斯福于1911年设计 的，后来根据实验的结果，卢斯福否定了 汤姆逊模型并提出了原子的核式模型Rutherford模 型
10、的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextback第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型实验装置如上图所示。放射源 R 中发出一细束粒 子，直射到金属箔上以后，由于各粒子所受金属箔中 原子的作用不同，所以沿着不同的方向散射。荧光屏S及 放大镜M可以沿着以F为中心的圆弧移动。当S和M对准某 一方向上,通过F而在这个方向散射的粒子就射到S上而 产生闪光，用放大镜M观察闪光，就能记录下单位时间内 在这个方向散射的粒子数。从而可以研究粒子通过 金属箔后按不同的散射角的分布情况。Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型
11、的失败结束目录nextback第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextback第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型粒子散射实验观察到：被散射的粒子大部分分布在小角度区域， 但是大约有1/8000的粒子散射角 90度，甚 至达到180度,发生背反射。粒子发生这么大 角度的散射，说明它受到的力很大。汤姆逊模型是否可以提供如此大的力？我 们来看一看这两个模型对应的力场模型Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录next
12、back第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型由于核式模型正电荷集中在原子中心很小 的区域，所以无限接近核时，作用力会变得 的很大，而汤姆逊模型在原子中心附近则不 能提供很强的作用力。下面我们通过计算来看一看，按照汤姆逊 模型，粒子的最大偏转角可能是多少。Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextback第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型假设有一个符合汤 姆逊的带电球体， 即均匀带电。那么 当粒子射向它时 ，其所受作用力:F(r)=Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Thomso
13、n模 型的失败结束目录nextback第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型对于汤姆逊模型而言，只有掠入射(r=R) 时,入射 粒子受力最大，设为 Fmax ，我们 来看看此条件下 粒子的最大偏转角是多少 ？如上图,我们假设 粒子以速度 V 射来,且 在原子附近度过的整个时间内均受到 Fmax 的 作用,那么会产生多大角度的散射呢?Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextback第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型解:由角动量定理得其中 表示粒子在原子附近度过的 时间.代入Fmax值,解得:所以tg值
14、很小,所以近似有(1)Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextback第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型上面的计算我们没有考虑核外电子的影响, 这是因为电子的质量仅为粒子质量的 1/8000,它的作用是可以忽略的,即使发生对头 碰撞,影响也是微小的,当粒子与电子发生正 碰时,可以近似看作弹性碰撞,动量与动能均守 恒Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextback第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型即解得所以上式化为所以(2)Rutherf
15、ord模 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextback第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型综合(1),(2)两式知如果以能量为5MeV的粒子轰击金箔,最大偏 转角为即在上述两种情形下,粒子散射角都很小,故 Tomson模型不成立Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextback第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型粒子散射实验否定了汤姆逊的原子模型， 根据实验结果，卢瑟福于1911年提出了原子的 核式模型。原子中心有一个极小的原子核，它集中了全 部的正电荷和几乎所有的质量，所有电子都分 布在它的周围.卢瑟福根据设想的模型，从理论上推导出 散射公式，并被盖革-马斯顿实验所验证，核 式模型从而被普遍接受。Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextback第二节：卢斯福模型的提出第一章：原子的位形：卢斯福模型Rutherford模 型的提出Thomson模型散射实验Thomson模 型的失败结束目录nextback第三节：卢斯福散射公式第一章：原子的位形：卢斯福
