物理竞赛强基计划讲座：卢瑟福模型的建立与困难

物理竞赛、强基计划讲座 卢瑟福模型的建立与困难 §1 背景知识 第一章 原子的位形：卢瑟福模型 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。 §1 背景知识 第一章 原子的位形：卢瑟福模型 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。 §1 背景知识 第一章 原子的位形：卢瑟福模型 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。 §1 背景知识 第一章 原子的位形：卢瑟福模型 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。 §1 背景知识 第一章 原子的位形：卢瑟福模型 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。 §1 背景知识 第一章 原子的位形：卢瑟福模型 (2) 电子的电荷和质量 §1 背景知识 第一章 原子的位形：卢瑟福模型 （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。 §1 背景知识 第一章 原子的位形：卢瑟福模型 (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。 §1 背景知识 第一章 原子的位形：卢瑟福模型 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。 §1 背景知识 第一章 原子的位形：卢瑟福模型 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