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1、第一章质点运动学第一章质点运动学1 1 1 1 质点运动的述质点运动的述第一章第一章 原子的位形：卢瑟福模型原子的位形：卢瑟福模型2 2 卢瑟福模型的提出卢瑟福模型的提出问题的提出：问题的提出：原子是中性的，意味着原子中还有带正原子是中性的，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？何分布和运动的？J.J.Thomson的的“葡萄干面包葡萄干面包”模型：模型： 原子的正电荷均匀分布在整个原子球体内；电子原子的正电荷均匀
2、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。置有限个电子。Philipp Lenard的中性微粒模型：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，原子内部的电子和相应的正电荷组成中性微粒，取名取名“动力子动力子”(dynamids)，无数动力子浮游在原子，无数动力子浮游在原子内部的空间。内部的空间。第一章质点运动学第一章质点运动学1 1 1 1 质点运动的述质点运动的述第一章第一章 原子的位形：卢瑟福模型原子的位形：卢瑟福模型2 2 卢瑟福模型的提出卢瑟福模型的提出 Lenard曾研究阴极射
3、线，由于曾研究阴极射线，由于(真空度低真空度低)没有观没有观察到阴极射线的任何偏转，所以坚持察到阴极射线的任何偏转，所以坚持“以太以太”说。但说。但他在阴极射线管的末端嵌上厚为他在阴极射线管的末端嵌上厚为2.65m的薄铝箔，发的薄铝箔，发现在铝窗口会逸出射线。现在铝窗口会逸出射线。(1894年年)他们认为这又是以他们认为这又是以太说的有力证据，只有波才能穿越实物。太说的有力证据，只有波才能穿越实物。 1902年，勒纳德已经接受阴极射线是电子束的结论。年，勒纳德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
4、认为这事件说明金属中的原子并非实心球，其现象。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。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。进作用。勒纳德的模型未获得实验证实，影响不大。勒纳德的模型未获得实验证实，影响不大。第一章质点运动学第一章质点运动学1 1 1 1 质点运动的述质点运动的述第一章第一章 原子的位形：卢瑟福模型原子的位形：卢瑟福模型2 2 卢瑟福模型
5、的提出卢瑟福模型的提出长冈半太郎长冈半太郎(Hantaro Nagaoka)土星模型土星模型(1904年年)： 原子内的正电荷集中于中心，电子均匀的分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。布在绕正电球旋转的圆环上。* 在勒纳德薄窗实验结果的基础上提出的；在勒纳德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；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。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。致命弱点是无法满足经典理论提出的稳定性要求。 到到1910年，最有影响的模型还是年，最有影
6、响的模型还是J.J.Thomson的的模型。但是，一方面要满足经典理论对稳定性的要求，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另一方面，要能解释实验事实，而这两方面往往是矛盾的。盾的。第一章质点运动学第一章质点运动学1 1 1 1 质点运动的述质点运动的述第一章第一章 原子的位形：卢瑟福模型原子的位形：卢瑟福模型2 2 卢瑟福模型的提出卢瑟福模型的提出 在汤姆孙的原子模型中最重要的是原子内的电子数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。开始他估计n=1000A。为了检验这个数据，。为了检验这个数据，汤姆孙汤姆孙建立了散射
7、理论建立了散射理论并设计了并设计了X射线和射线和 射线实验，希望通射线实验，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。电子数目。 汤姆孙和他的学生通过实验判断，汤姆孙和他的学生通过实验判断，n与与A同数量级。同数量级。1910年，克劳瑟根据汤姆孙的年，克劳瑟根据汤姆孙的 散射理论，推证散射理论，推证n=3A；而卢瑟福根据；而卢瑟福根据 散射实验得到散射实验得到nA/2。 这是汤姆孙和他的学生对原子理论的一项贡献。这是汤姆孙和他的学生对原子理论的一项贡献。这项工作导致了这项工作导致了 大角度散射实验大角度散射实验证实了原子核证实了
8、原子核的存在。的存在。第一章质点运动学第一章质点运动学1 1 1 1 质点运动的述质点运动的述第一章第一章 原子的位形：卢瑟福模型原子的位形：卢瑟福模型2 2 卢瑟福模型的提出卢瑟福模型的提出 卢瑟福在研究卢瑟福在研究 射线对物质的作用时，发现射线对物质的作用时，发现 射射线在底片上形成的图像可以利用汤姆孙的散射理论线在底片上形成的图像可以利用汤姆孙的散射理论解释。解释。 1908年，卢瑟福的助手盖革年，卢瑟福的助手盖革(G. Geiger)在用闪烁在用闪烁法观察法观察 散射时，发现金箔的散射作用比铝箔的强。卢散射时，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
9、让瑟福建议盖革系统地考察不同物质的散射作用，并让学生马斯登学生马斯登(E. Marsden)协作工作。协作工作。 在在1909年观察到一个重要现象，就是年观察到一个重要现象，就是 粒子受铂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，的薄膜散射时，绝大多数和过去所观察的情况一样，平均只有平均只有23度的偏转，但也有约度的偏转，但也有约1/8000的的 粒子偏粒子偏转大于转大于90，其中有的接近，其中有的接近180。第一章质点运动学第一章质点运动学1 1 1 1 质点运动的述质点运动的述第一章第一章 原子的位形：卢瑟福模型原子的位形：卢瑟福模型2 2 卢瑟福模型的提出卢瑟福模型的提出 卢
10、瑟福对这一实验结果感到吃惊，因为这无法用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汤姆孙的实心带电球(即前面提到的即前面提到的“葡萄干面包模葡萄干面包模型型”)模型和散射理论解释。也不能用多次散射理论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：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，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。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：卢瑟福的
11、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。寸与整个原子相比是很小的。第一章质点运动学第一章质点运动学1 1 1 1 质点运动的述质点运动的述第一章第一章 原子的位形：卢瑟福模型原子的位形：卢瑟福模型2 2 卢瑟福模型的提出卢瑟福模型的提出v汤姆孙模型的定量估算：汤姆孙模型的定量估算： 在在rR时，两种时，两种模型的与球外带电粒模型的与球外带电粒子的相互作用是一样子的相互作用是一样的。的。 在在rR时，相时，相互作用就完全不同互作
12、用就完全不同了。了。对卢瑟福模型，对卢瑟福模型，当当 粒子非常靠近原粒子非常靠近原子核时，就有可能子核时，就有可能被反弹回来。被反弹回来。FFOORRrr两种不同电荷分布引起的不同相互作用两种不同电荷分布引起的不同相互作用第一章质点运动学第一章质点运动学1 1 1 1 质点运动的述质点运动的述第一章第一章 原子的位形：卢瑟福模型原子的位形：卢瑟福模型2 2 卢瑟福模型的提出卢瑟福模型的提出 对于汤姆孙模型，最大作用力发生于掠射，即对于汤姆孙模型，最大作用力发生于掠射，即r=R。即掠射对应着这种模型的最大偏转。即掠射对应着这种模型的最大偏转。Rpp pp pp=Ft取取R0.1nm第一章质点运动学第一章质点运动学1 1 1 1 质点运动的述质点运动的述第一章第一章 原子的位形：卢瑟福模型原子的位形：卢瑟福模型2 2 卢瑟福模型的提出卢瑟福模型的提出 如果如果 粒子是与原子中的电子碰撞，可以估算出粒子是与原子中的电子碰撞，可以估算出最大的偏转角最大的偏转角 因此，按照汤姆孙的模型，因此，按照汤姆孙的模型， 粒子散射后的最粒子散射后的最大的散射角大的散射角(保守估计保守估计) 即使多次散射，但产生大角度偏转的几率还是非即使多次散射，但产生大角度偏转的几率还是非常小；比如，产生常小；比如，产生90偏转的几率约为偏转的几率约为10-3500。
