第一章原子认识的发展和结构模型课件.ppt
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- 第一章 原子 认识 发展 结构 模型 课件
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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 电话电话:86843241;13082807788l第一节第一节 对原子认识的发展对原子认识的发展l第二节第二节 原子结构模型原子结构模型l第三节第三节 原子的基本参数原子的基本参数l附录附录 1 卢瑟福散射方法应用实例卢瑟福散射方法应用实例是什麽把它们是什麽把它们组合在一起?组合在一起?历史回顾历史回顾物质世界是由物质世界是由什麽组成的?什麽组成的?金、木、水、火金、木、水、火 、土、土?阴、阴、阳阳?公元前公元前384322年年 古希腊古希腊哲学家亚里士多德和泰勒哲学家亚里士多德和泰勒斯等提出斯等提出“四元素说四元素说”万物源于水万物源于水
2、自然现象归于自然物质自然现象归于自然物质水、水、空气空气、土、土、火、火 公元前公元前500400年年 古希腊人留古希腊人留基伯及其学生基伯及其学生德谟克利特德谟克利特等古希腊等古希腊哲学家首先提出哲学家首先提出“原子说原子说”万物是由大量的不万物是由大量的不可分割的微粒构可分割的微粒构成的,即成的,即原子原子 德谟克利特德谟克利特“原子原子”在沉睡了在沉睡了 2000 2000 多年后多年后科学概念球科学概念球 1803 1803 道尔顿道尔顿1803道耳顿原子道耳顿原子科学概念球科学概念球 提出近代原子学提出近代原子学说,他认为说,他认为原子原子是微小的不可分是微小的不可分割的实心球体割的
3、实心球体 英国化学及物理学家英国化学及物理学家1897U.K.Thomson 湯姆逊(1856-1940)实景照片实景照片P6陰極射線是帶負電的粒子陰極射線是帶負電的粒子阴极射线偏向正电极阴极射线偏向正电极陰極射線是帶負電的粒子陰極射線是帶負電的粒子阴极射线受磁场影响而偏向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)实验上认定实验上认定 :阴极射线是负电荷粒子阴极射线是负电荷粒子,荷质比是氢原子离子的荷质比是氢原子离子的10001000多倍多倍若电荷都为若电荷都为1 1个单位个单位,则
4、该粒子质量为氢原子则该粒子质量为氢原子的的1/18001/1800,比比氢原子小很多氢原子小很多.命名为命名为电子电子(现在精确值(现在精确值1/18401/1840)?电子是人类发现的第一个电子是人类发现的第一个比原子还小的比原子还小的粒子,从原子中出来粒子,从原子中出来,原子在强电场下可被原子在强电场下可被打破打破.突破了原子是组成物质最小突破了原子是组成物质最小“砖块砖块”的认识,的认识,促使人们向原子内部探索,掀起促使人们向原子内部探索,掀起了了“分裂原子分裂原子”的热潮。的热潮。汤姆逊汤姆逊1887 考夫曼,考夫曼,1890 舒斯特都曾得到过类似实验舒斯特都曾得到过类似实验结果结果,
5、但由于不相信阴极射线会是由粒子组成的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特别比原子还小很多,不可思议不可思议,没有勇气发表得没有勇气发表得到的结果。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当真理碰到鼻尖上的时候还没有得到真理的人的人”恩格斯恩格斯道耳顿原子道耳顿原子科学概念球科学概念球 电子的发现打破了电子的发现打破了湯姆逊原子模型正電荷電子湯姆逊均勻分布在球體內鑲嵌在球體內汤姆逊汤姆逊 英国物理学家英国物理学家 (1856-1940)原子电中性原子电中性原子原子=正电物质正电物质+电子电子汤姆逊汤姆逊“原子模型原子模型”把当时的实验结果和理论把当
6、时的实验结果和理论都综合进去了,都综合进去了,被公认为第一个比较完整的、被公认为第一个比较完整的、科学的原子模型,影响很大科学的原子模型,影响很大电子在平衡位置做电子在平衡位置做简谐振动,发射简谐振动,发射和吸收特定频率和吸收特定频率的电磁辐射的电磁辐射可以解释元素周期表某些事实,元素化学性质,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元素光谱线的差异等1903年,林纳(年,林纳(Lenard)在研究阴极射线被物在研究阴极射线被物质吸收的实验里发现质吸收的实验里发现“原子是十分空虚的原子是十分空虚的”1904年,长冈半太郎在此基础上提出年,长冈半太郎在此基础上提出了了“土星模
7、型土星模型”,但没有深入下去,但没有深入下去 正电荷集中于中心,正电荷集中于中心,电子分布在绕正电球电子分布在绕正电球旋转的园环上旋转的园环上1909至至1911年,年,英国物理学家卢瑟英国物理学家卢瑟福(福(18711937)和他的合作者和他的合作者们做了用们做了用“粒子轰击金箔的实验粒子轰击金箔的实验”否定了否定了“汤姆逊模型汤姆逊模型”第二节第二节 原子结构模型原子结构模型 粒子撞击金箔的实验粒子撞击金箔的实验 放射源放射源探测器探测器背散射粒子背散射粒子金箔金箔P12盖革盖革-马斯顿散射实验装置马斯顿散射实验装置 粒子撞击金箔的实验粒子撞击金箔的实验铅盒金箔 射线束荧光屏显微镜显微镜
8、放射源放射源(镭镭)改进的装置改进的装置302044ZerrRREZerRr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Rrr电子的质量很小,不到电子的质量很小,不到粒子的七千分之一,碰到它,就像飞行粒子的七千分之一,碰到它,就像飞行的子弹碰到一粒尘埃一样。的子弹碰到一粒尘埃一样。运动方向不会发生明显的改变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侧正电荷的斥力相当大一部分互相抵消,使消,使粒于偏转的力不会很大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-
9、3500 放射源(鐳)金箔小部分 粒子發生偏轉閃光大部分 粒子不發生偏轉極小部分 粒子發生角度很大的偏轉(180o)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金原子核金原子核(集中原子的集中原子的正电荷和质量正电荷和质量)粒子金原子大部分大部分沒有偏转沒有偏转原子核很小大角度偏转大角度偏转迎头撞击迎头撞击金原子核金原子核微小偏转微小偏转正电荷的原子核对正电荷的原子核对 粒子產生斥力粒子產生斥力R模型模型204ZeEr 距核愈近力愈大,可能被大角度散射距核愈近力愈大,可能被
10、大角度散射原子核原子核原子原子卢瑟福设想的原子卢瑟福设想的原子r 原子原子“行星行星”模型模型 19111911年年 原子中心有一个带正电荷的核,它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,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,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就象行星环绕太阳运转一样卢瑟福卢瑟福 英籍新西兰人(英籍新西兰人(18711937)负电荷分布在原子核周围负电荷分布在原子核周围,如何分布如何分布?原子不稳定?原子不稳定?卢瑟福散射实验结果表明卢瑟福散射实验结果表明:原子内正电荷集中在中心原子内正电荷集中在中心,并载有
11、原子绝并载有原子绝大部分质量大部分质量 99.99%以上以上 叫原子核叫原子核原子内部十分空旷原子内部十分空旷 原子原子10-10米米 原子核原子核 10-15米米假假定定 如果散射仅由静电如果散射仅由静电相互作用引起相互作用引起,则有则有:N=N0 n t(Ze2/40mv2)2/Sin4(/2)薄片厚度薄片厚度原子数原子数/cm3介电常数介电常数8.8510-12As/Vm散射粒子数反比于散射粒子数反比于 Sin4(/2)公式推导:自学公式推导:自学 P1421 卢瑟福散射公式卢瑟福散射公式P14 Rutherford 原子模型:类似行星绕太陽原子模型:类似行星绕太陽轨道半径轨道半径 r
12、可以是任意值,能量就可以是任意值,能量就应为連续,但是原子光谱却是一些应为連续,但是原子光谱却是一些不连续的亮线不连续的亮线:缺陷缺陷1:无法解释原子光谱:无法解释原子光谱能量是不连续能量是不连续軌道半径也是不连续軌道半径也是不连续 He的光谱线的光谱线电子軌道的崩潰电子軌道的崩潰缺陷缺陷2:无法解释原子的稳定性:无法解释原子的稳定性 园周运动为加速运动园周运动为加速运动 帶电粒子作加速度运动会放出能量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,原子全部崩溃正负电荷中和,原子全部崩溃卢瑟福模型卢瑟福模型原子光谱的经验规
13、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尼 玻尔(玻尔(1885-19621885-1962)丹麦物理学家丹麦物理学家 黑体辐射黑体辐射 “紫外灾难紫外灾难”热辐射量子热辐射量子 (1918 诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖)P32 什么叫黑体辐射什么叫黑体辐射?物体对什么光都吸收而无反射物体对什么光都吸收而无反射所有物体都发射热辐射所有物体都发射热辐射用不透明材料制成一空用不透明材料制成一空心容器,壁上开一小孔,心容器,壁上开一小孔,这个这个小孔小孔可看成可看成绝对黑体绝对黑体 绝对黑体的模拟绝对黑
14、体的模拟紅外線夜視鏡实验表明:实验表明:一切物体是以电一切物体是以电磁波的形式向外辐射能量磁波的形式向外辐射能量辐射的能量与温度有辐射的能量与温度有关,称之为关,称之为热辐射热辐射辐射和吸收的能量恰相等时称辐射和吸收的能量恰相等时称为为热平衡热平衡。此时温度恒定不变。此时温度恒定不变热电偶热电偶E(T,)光栅光谱仪T黑体 研究黑体辐射的实验装置示意图研究黑体辐射的实验装置示意图 维恩位移定律维恩位移定律bTm开米-310897.2b实验发现:实验发现:当绝对黑体的当绝对黑体的温度升高时,单色辐出度温度升高时,单色辐出度最大值对应的最大值对应的 m 向短波方向短波方向移动向移动 瑞利和琼斯瑞利和
15、琼斯用能量均分定理和用能量均分定理和电磁理论得出能量电磁理论得出能量密度:密度:*维恩根据经典热力学得出:维恩根据经典热力学得出:秒米焦耳/1070.32161-c开米-221043.1c),(0TM实验实验瑞利瑞利-琼斯琼斯维恩理论值维恩理论值T=1646k402),(ckTTMTcecTM2510),(-1893年年,维恩得到维恩得到E 的的关系式,关系式,系统偏离系统偏离单位时间单位单位时间单位面积黑体辐射面积黑体辐射的能量的能量对波长极短的紫外对波长极短的紫外部分辐射能量密度部分辐射能量密度 E E 完全违背实验事实完全违背实验事实经典物理不可避免经典物理不可避免 “紫外灾难紫外灾难”
16、“紫外灾难紫外灾难”19001905瑞利和金斯瑞利和金斯导出导出E 公式公式 即物体发射或吸收电磁辐射只能以即物体发射或吸收电磁辐射只能以“量子量子”方式进行,每个方式进行,每个能量子能量子的能量为的能量为:=h 其中其中 h=6.62610-3 4 Js 称为普朗克常数。称为普朗克常数。对于频率为对于频率为 的电磁辐射,物体只的电磁辐射,物体只能以能以 h 为单位为单位发射或吸收它。发射或吸收它。普朗克假设(普朗克假设(1900年)年)能量不连续的概念与经典能量不连续的概念与经典 物理学是物理学是完全不相容的!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普朗克导出了与实验结果极为
17、符合的普朗克公式 112/52)(-kThcTMehc 1900.12.14.-量子论诞生日量子论诞生日普朗克公式普朗克公式利用内插法将适用于短波的维恩利用内插法将适用于短波的维恩公式和瑞利公式和瑞利-金斯公式衔接起来金斯公式衔接起来1893年年,维恩得到维恩得到E 的的关系式,关系式,系统偏离系统偏离19001905瑞利和金斯瑞利和金斯导出导出E 公式公式单位时间单位单位时间单位面积黑体辐射面积黑体辐射的能量的能量对波长极短的紫外对波长极短的紫外部分辐射能量密度部分辐射能量密度 E E 完全违背实验事实完全违背实验事实经典物理不可避免经典物理不可避免 “紫外灾难紫外灾难”普朗克从理论上寻找对
18、公式的解释,发现只要假定辐射普朗克从理论上寻找对公式的解释,发现只要假定辐射能能不是连续变化不是连续变化,而只取某个单元能量的,而只取某个单元能量的整数倍跳跃变化整数倍跳跃变化,就可做出合理解释。就可做出合理解释。1900/12/141900/12/14 普朗克将能量不连续的假设普朗克将能量不连续的假设 报告了德国物理学会:报告了德国物理学会:热辐热辐射能量是一个基本单位量射能量是一个基本单位量 0 0=h=h 的整数倍的整数倍,h h 称做能量子称做能量子 即即 辐射能量取值辐射能量取值 n n 0 0 其中其中 n=0,1,2,3,4,5,n=0,1,2,3,4,5,由此,得到的公式能够很
19、好地与由此,得到的公式能够很好地与黑体热辐射黑体热辐射实验结果符合实验结果符合 并且并且 短波区短波区 维恩公式维恩公式 ;长波区长波区 瑞利瑞利-金斯公式金斯公式 普朗克用能量子假说导出的普朗克用能量子假说导出的黑体辐黑体辐射公式与实验结果精确相符射公式与实验结果精确相符,成为成为量子论的重要依据之一量子论的重要依据之一.两种观点的对比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!普朗克试图普朗克试图3 3次修改量
20、子论,甚至放弃自己次修改量子论,甚至放弃自己提出的能量量子概念,力图将其纳入经典物提出的能量量子概念,力图将其纳入经典物理范畴。理范畴。普朗克回忆这段经历说:普朗克回忆这段经历说:花费了花费了1515年的时间,付出了巨大年的时间,付出了巨大的精力,企图使基本作用量子与的精力,企图使基本作用量子与经典理论调和的努力纯属经典理论调和的努力纯属“徒劳徒劳无益无益”,“近乎一场悲剧近乎一场悲剧”。爱因斯坦(爱因斯坦(1878-1955)爱因斯坦第一个坚持能量量子论爱因斯坦第一个坚持能量量子论1905年提出年提出光量子光量子解释解释光电效应光电效应1907年年 解释了热容量量子性质解释了热容量量子性质1
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