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Geiger战Marsden发觉?粒子经原子散射后散射角大于

时间:2019-09-09    

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  卢瑟福1871年8月30日生于的纳尔逊,结业于大学和剑桥大学。 1898年到任马克歧尔大学物理学传授,达9年之久,这期间他正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传授。1908年因对放射化学的研究荣获诺贝尔化学。1919年任剑桥大学传授,并任卡文迪许尝试室从任。1931年英王授予他的桂冠。1937年10月19日逝世。 1.设想思惟 2、尝试安拆及成果 汤姆逊提出原子的布丁(pudding)模子,认为正电荷平均分布 正在半径为R 的原子内,电子像布丁镶嵌正在此中,如下左图 三、卢瑟福的原子模子及卢瑟福散射公式 1、卢瑟福的原子核式模子 1911年提出:原子由带正电荷并几乎拥有全数质量的细小核心核以及绕核运转的电子所构成。 问题:b 不克不及间接丈量,尝试可测散射到θ-θ+dθ的粒子数。 四、原子核大小估量 纳米材料又称为超微颗粒材料,由纳米粒子构成。纳米粒子也叫超微颗粒,一般是指尺寸正在1~100nm间的粒子, 1903年英国科学家汤姆逊提出 “葡萄干蛋糕”式原子模子或称为“布丁”模子。 汤姆逊正正在进行尝试 1.2 粒子的散射尝试和原子的核模子 一.汤姆逊原子模子 具体注释见讲义page:8 为研究原子内部的布局和电荷分布,人们很天然的想操纵高速粒子去轰击原子,按照入射粒子的散射环境来领会原子内部的景象。 二. 粒子散射尝试 1896年,贝克勒尔发觉了放射性现象,一种带正电的射线叫 射线。卢瑟福对 射线做了系统的研究,确认 射线现实上是高速活动的He++离子(1908,他还发觉了用粒子打正在荧光屏上,通过对发光次数的计数来确定粒子的数目。 散射:粒子流射入物体,取物体中的粒子彼此感化,沿各个标的目的射出的现象。 ?粒子带正电荷,是两粒带正电荷的质子和两粒中性的中子构成,相当于一个氦原子核。 粒子散射该当取原子内部正电荷分布环境相关! “正在我年轻时,我察看过 粒子的散射,而且盖革博士(帮手)正在我的尝试室中细心地研究了它。他发觉正在沉金属薄片中 粒子的散射一般是细小的,约一度摆布。有一天盖革走过来对我说,‘你能否认为跟我搞放射性方式的年轻人马斯登该当起头做一点研究?’我说,为什么不让他查看一下能否 粒子能有大角度的散射?’。。。” ……卢瑟福 a ( a) 侧视图 (b) 俯视图 R:放射源 F:散射箔 S:闪灼屏 B:圆形金属匣 A:带刻度圆盘 C:滑腻套轴 T:抽暇B的管 M:显微镜 尝试安拆和模仿尝试 成果:绝大大都散射角小于2度;约1/8000 散射角大于90度,有的几乎达180度。 大角散射是值得留意的现象。 Geiger和Marsden发觉?粒子经原子散射后散射角大于 的概率约为1/8000 1909年 “就像一枚15英寸的炮弹打正在一张纸上又被反射回来一样…” “It was almost as incredible as if you fired a fifteen-inch [Artillery] shell at a piece of tissue and it came back and hit you” E. Rutherford (1871-1937) 3、汤姆逊原子模子注释大角散射的坚苦 布丁模子 焦点模子 F v m P +Ze 按照布丁模子,原子只对擦过鸿沟(R)的α粒子有较大的偏转。 EK=5.0 MeV , Z(金)=79 ,θ max10-3弧度≈0.057o。 布丁模子下,单次碰撞不成能惹起大角散射! 多次散射呢? 多次散射惹起的偏转角仍很小,正在1度摆布。 要发生大于90o的散射,需要取原子核多次碰撞,其几率为10-2000!远小于尝试测得的大角度散射几率1/8000 。 “而当我做出计较时看到,除非采纳一个原子的大部门质量集中正在一个细小的核内的系统,不然是无法获得这种数量级的任何成果的,这就是我后来提出的原子具有体积很小而质量很大的焦点的设法。” ……卢瑟福 定性注释:因为原子核很小,绝大部门?粒子并不克不及对准原子核入射,而只是从原子核四周穿过,所以原子核的感化力仍然不大,因而偏转也很小,也有少数?粒子有可能从原子核附近通过,这时,r较小,受的感化力较大,就会有较大的偏转,而少少数正对原子核入射的?粒子,因为r很小,受的感化力很大,就有可能反弹回来。所以卢瑟福的核式布局模子能定性地注释α粒子散射尝试。 原子核式布局模子的提出是按照 α 粒子散射尝试中以小角散射为从也存正在大角散射. 2、卢瑟福散射公式 假定:单次散射;仅考虑粒子-核库仑;靶核不动 (1)单个α粒子被单个核散射景象 α粒子从无限远以对准距离b 射向原子核;正在核库仑力感化下,偏离入射标的目的飞向无限远,出射取入射标的目的夹角θ称散射角。这个过程称库仑散射。 ……库仑散射公式。 散射角θ取对准距离b相关。 具体推导见杨福家讲义P15 原子核 α粒子 对准距离 V/ θ 见周衍柏《理论力学教程》 Z为原子核的核电荷数 那些对准距正在b?b+db间,或者说,凡通过dσ环形面积的α粒子,散射后必定射向θ?θ+dθ对应的空心锥壳。 α粒子射到θ?θ+dθ角度的几率反比于环形面积。 dσ dσ为半径为b 到b+db的圆环面积 …………卢瑟福散射公式 d?:称为原子核的无效散射截面。具有面积量纲。 d?代表入射粒子被一个靶原子散射到θ标的目的d?内概率。 d?/d ?暗示散射到θ标的目的单元立体角内的概率。 (2)α粒子被靶散射到θ-θ+dθ的总截面 设 N 为靶的单元体积原子数,靶厚t,靶被打中的面积A。假设靶原子对射来的α粒子前后互不遮盖(对薄的金属箔成立)。则取一给定立体角dΩ响应的总散射截面: dΣ= NtA * dσ (3)n个α粒子中被靶散射到θ-θ+dθ的粒子数dn 被散射到dΩ立体角内的α粒子为 d?:代表了一个α粒子被一个核散射到θ-θ+dθ之间那么一个立体角dΩ内的几率,故无效散射截面也称做几率。……d?的物理意义. 记住此公式 该式能够做为微分离射截面的定义,即单元原子面密度下一个粒子被散射到立体角dΩ内的几率 将dn=Nntd?代入卢瑟福散射公式 可得 将 代入上式 此式能够计较出散射到某一角度范畴内的粒子数。 3、卢瑟福散射公式的尝试验证 1)统一? 粒子源,统一个靶 2)统一?粒子源,统一种材料的靶,统一散射角 3)统一个靶,统一个散射角 4)用统一个?粒子源,正在统一个散射角,对统一Nt值 参看讲义P14 1)--3)1913年盖革-马斯顿尝试; 4)1920年查德维克尝试 * * 卢瑟福是原子物理学中的牛顿 金斯 * * 卢瑟福公式忽略电子屏障感化,对小角度散射不合用。 盖革-马斯登尝试(1913年) 验证: 靶不变,粒子能量不变 改变靶厚 改变粒子能量 改变靶材 1920年 Chadwick改良仪器,测靶材原子序数 尝试确认了“核式模子”的准确性 * * ?粒子正在原子核的库仑场中径的偏转 b是对准距离,亦称碰撞参数,相当于入射?粒子取核无彼此感化时,离核的最小曲线距离。 总结卢瑟福的核式模子和卢瑟福散射公式 * * ?只发生单次散射; Coulomb散射过程的4个假定 ?只要库仑彼此感化; ?核外电子的感化能够忽略; ?靶核静止。 正在假定下由力学道理能够间接证明: E是入射?粒子的能量,Z为靶核电荷 * 空心圆锥体 ?粒子散射角取对准距离的关系 * * 靶:很薄的金属箔 核不彼此,都起散射感化。入射粒子最多被散射一次。 Rutherford公式 金箔的面积为A,厚度为t,单元体积中的原子数为N * * 进修取思虑 什么叫模子?模子就是奥地利的火车时辰表。奥地利的火车经常晚点,乘客问列车员:“你们干吗还要时辰表?!”列车员回覆:“有了时辰表才晓得火车的晚点呀!” ??(美籍奥裔物理学家)韦斯科夫 (1908–2002) 思虑:1、若何理解卢瑟福散射公式正在θ→00时发散?以及正在小角度时合适欠好? 2、 考虑靶的活动,卢瑟福公式若何写? 参考《原子物理学》,崔宏斌编,中国科学手艺大学出书社 1、正在散射角很小时,当??0时,1/sin4?/2? 对?很小时,其对准距离较大,而当b大于原子半径时,?粒子正在原子外面穿过,会商的单原子微分截面没成心义。由于原子是电中性的, ?粒子和原子间无库仑感化,别的这时也不再能够假设靶原子之间互不遮盖,所以卢瑟福散射公式不再成立。小角度散射现实上必定是多次散射的成果。因而,正在很小角度时尝试数据和公式不符归并不影响核式模子。 2、考虑靶的活动,卢瑟福公式若何写? 散射公式是正在假设原子核不动的前提下推出的,当考虑核的活动时,卢瑟福公式正在质心坐标系仍然成立。式中所有物理量都用质心系的数值。这时散射粒子的能量E也不再是入射能量E0了。对于弹性散射,若入射粒子的质量为m,靶原子的质量为M,则由动量和能量守恒能够导出 由式可知,E和散射角及靶原子质量M相关。正在散射角大于90度时,E和E0的不同比力大。当E0必然时,正在固定散射角下丈量散射粒子的能量E,能够确定靶原子的质量。由此能够确定靶原子的成分。对于散射角大于90度的散射叫做卢瑟福背散射,这种方式正在材料阐发中有良多的使用。 关于小角散射的问题 粒子正在散射角很小时,发觉卢瑟福公式取尝试有显著偏离。 其缘由为:小角散射对应较大的对准距离b,此时入射的粒子距原子核较远,正在?粒子取核之间还有电子,电子分布正在原子核的四周,电子所带的负电荷对原子核的电场有屏障感化,即粒子所遭到的无效电场要小,于是这时卢瑟福散射公式中的核电荷数z的数值,取大角散射(即?粒子距原子核较近时)有着较大的不同。成果就是取大角散射比拟,小角散射的数值要小的多。 取α粒子达到离原子核比来的距离,做为原子核半径上限的估量值。 角动量守恒定律 能量守恒定律 此时径向速度为零! 记住 将第二式中V/的表达式代入第一式和表达的b式(讲义(1)式),获得rm的方程,并用配分方程,取正值化简可得 * 原子物理学 * * 讲课教师: 讲授参考书 杨福家 杨福家,原子物理学(第四版),高档教育出书社。 崔宏斌,原子物理学, 中国科学手艺大学出书社。 * * 答疑时间:周一晚7:30-9:30 答疑地址:2523室,或者随时取教员联系 功课要求:功课所有人都必需完成并,把学号写正在功课本上 根基环境和要求 成就查核 * 1 日常平凡成就30分: 功课 20分: 完成环境10分(每少完成一次扣2分,少完成跨越5次无测验资历); 完成质量10分 (从功课做答上能判断抄袭或让人抄袭的环境每次扣2分,扣脚5次无测验资历); 出席10分: 无故缺席跨越1次(事假跨越2次)后每次扣2分,扣脚10分无测验资历。以点名签到为准。 2 测验成就70分:卷面测验成就(按百分70折算) * 什么是物理学? 物理学是研究物质世界最根基形态的科学 物理学研究的范畴 —— 物质世界的条理和数量级 物理学 (Physics) 质子 10-15 m 空间标准: 物 质 结 构 物质彼此感化 物质活动纪律 微不雅粒子 Microscopic 介不雅物质 mesoscopic 宏不雅物质 macroscopic 宇不雅物质 cosmological 类星体 10 26 m 时间标准: 根基粒子寿命 10-25 s 寿命 1018 s * E-15 E-12 E-09 E-06 E-03 1m E+03 E+06 E+09 E+12 E+15 E+18 E+21 E+24 E+27 最小 的细胞 原子 原子核 根基粒子 DNA长度 星系团 比来恒星的距离 太阳系 太阳 山 哈勃半径 超星系团 人 蛇吞尾图,抽象地暗示了物质空间尺寸的条理 * * 物理学的成长汗青 Maxwell方程 19世纪末物理学的成绩: 凡是(宏不雅、低速和弱引力)机械活动 Newton定律 吉布斯(美国) 1839-1903 电磁现象 光——电磁波 热现象 唯象理论 热力学 微不雅理论 统计物理学 (Boltzmann,Gibbs) 这两朵开出了近代物理的鲜花 * * “正在目前业已根基建成的科学大厦中,物理学家似乎只需做一些细碎的修补工做就行了;然而,正在物理学晴朗天空的远处,还飘着两朵令人不安的愁云。” ——《19世纪正在热和光的动力论上的暗影》,1900年4月27日于皇家科学院 寻找“以太”的失败 黑体辐射的紫外灾难 “山雨欲来风满楼” 量子论 Kelvin, W. Thomson (1824-1907) 英国 20世纪物理学的进号角角 * “正在初,发生了三次概念上的,它们深刻地改变了人们对物理世界的领会,这就是狭义(1905年)、广义(1916年)和量子力学(1925年)。” ——《爱因斯坦对理论物理学的影响》,1979年 近代物理 以取量子论为理论根本的物理学 杨振宁 (1922-) 基于宏不雅物质和低速活动物理经验而成立的概念和理论系统 典范物理 20世纪初物理学的 现代物理 以近代物理为根本向各个范畴渗入 * * 原子物理学的根基内容 微不雅 宏不雅 宇不雅 粒子 原子核 原子 气液固体 我们将以原子物理学为根本来展示近代物理的美 、量子论及其理论使用 根基彼此感化取活动纪律 物质布局各条理的性质取特点 根基问题取根基研究手法 决定 * * 本课程的内容放置 第一章 原子的根基环境 第二章 原子的能级和辐射 第三章 量子力学初步 第四章 碱金属原子和电子自旋 第五章 多电子原子 第六章 正在中的原子 第七章 原子的壳层布局 第七章 X射线简介和光谱学 第八章 原子核取粒子物理学 物理专业学生:40+8学时 专题8学时 第1个专题: 引力取学 第2个专题:固体发光(稀土发光材料) 第4个专题:自旋电子学 第3个专题:非线性物理 通俗班:物理学取新手艺 理论学时32+ * * 进修时应留意的几个问题 1、实践是查验谬误的独一尺度,以成长的目光看问题,万万不克不及套用宏不雅系统的纪律来对待微不雅系统问题。 2、注沉微不雅系统的根基概念的理解。“用本人的言语表达出来”;培育思虑的能力。 3、功课是课程的继续,请认实完成功课,培育本人阐发问题和处理问题能力。 第一章 原子的根基情况 1.1原子的质量和大小 一.原子的质量 1.原子质量单元和原子量 各类原子的质量各不不异,常用它们的相对值原子量。 原子质量单元: 原子量:原子包含1个原子质量单元(1u)数 H:1.0079 C:12.011 O:15.999 Cu:63.54 He原子的质量的算法:mHe=1u *4 2.原子的质量 元素 X 的原子质量为: A:一摩尔原子以克为单元的质量数(原子量)。 No暗示阿佛加德罗,No=6.022×1023/mol 对氢原子:MH =1.67367×10-27kg 3、阿佛加德罗No No是联系微不雅物理量取宏不雅物理量的纽带。 例:①No k=R 普适气体R,k:玻尔兹曼 ②No e=F 法拉第F=96486.7 C/mol 微不雅物理量通过No这个大取宏不雅物理量联系,告诉我们原子和现实上是何等的小。 二.原子的大小量级(Dimension of atoms) 将原子看做是,1摩尔原子占体积为 若是物质的密度为 ,A为原子量,则1摩尔原子拥有体积 例如 Li原子 A=7, =0.7, rLi=0.16nm; Pb原子 A=207, =11.34,rPb=0.19nm; 原子的半径都约为10-10 m即?的量级。 * 1mol金属镁是24g,其质量密度是1.74g/cm3,则镁 原子的半径: 大于线m,why? 这里假设原子是球形的,原子密堆积仍是有空地的。现实上圆球密堆积的空间拥有率是74.05% ,即剩下的百分比是空地。而计较的时候没有考虑空地,所以计较获得的半径偏大。这个公式左边乘以74.05%,如许计较获得的半径就和线、已知Ca原子的原子量为40,金属Ca的质量密度约为1.54g/cm3,假设单个Ca原子呈球形且金属Ca中不考虑原子的堆积形式,试简单估量Ca原子的半径,并取其半径线m进行比力,然后简单注释下缘由。 弥补功课题 2、正在以下的常识前提下,试估算1mol空气的密度? A.1mol空气中有0.78mol的氮气(N2)和0.22mol的氧气(O2) B.1mol任何气体的体积正在尺度情况下都约为22.4L * * 单元:10-12m (pm) 10-10 m即?的量级 1nm=10-9m * 慕尼黑 19世纪末 三大发觉——X射线年汤姆逊从如下图放电管中的阴极射线发觉了带负电的电子,并测得了e/m比。 见杨大族教材P:6 上图是J.J.Thomson所利用的阴极射线管的示企图,从阴极C发出的阴极射线(即电子束)经A、B狭缝成一狭小的射线,正在通过两片平行的金属板D、E之间的空间,最初达到左端带有标尺的荧光屏上。D和E之间能够加电场,放电管四周又可加。 以速度v颠末一个两块相距为d且板长为l的程度板,正在两板间无电势差时,电子打正在距离板核心L的荧光屏的P1处。当正在板上加有如图所示的V电势差,电子打正在荧光屏的P2处,P1和P2处正在垂曲距离上相距h。若是继续正在D、E之间的空间上加一个标的目的由纸面朝外的,并节制B的大小,能够使电子仍然打正在P1处。试通过如许的三次尝试丈量,判断阴极射线带正电仍是负电,同时利用V、h、d、L、B和l这些尝试上的宏不雅参数给出求该种射线的荷质比公式。 涉及到的: 阿伏加德罗NA=6.02×1023/mol N原子量为14,O原子量为16 * * 汤姆逊1897年利用的放电管示企图 狭缝A 、B彼此垂曲。 E 1. 不加电场,间接打到P1处 2. 加了如图所示的电场,打到P2处,判断带负电 3. 再加垂曲纸面向外的B,调整B的大小使电子 打正在P1处 4. 撤销电场E,仅仅保留B,会发生什么现象了? 速度 B _ + E (1)加电场:P1-〉P2 阴极射线)去电场:射线成一圆形轨迹 可求电子的荷质比 e/m 总结 e =1.602×10-19(c) me=9.109×10-31kg 3.电子的大小 质子质量: 原子物理中主要的两个纲之一。 从电子的静电固有能估量电子的典范半径: 飞米 1fm=10-15m 阿米 1am=10-18m 1 埃=10-10m * * 电子电荷和质量的现代值: e=149)×10-19C m=054) ×10-30kg for his work on the elementary charge of electricity and on the photoelectric effect The Nobel Prize in Physics 1923 Robert Andrews Millikan /constants国际科学和技法术据委员会的最新保举值(2006) * * 原子是物质布局的一个条理,介于和原子核之间。 1911年 Rutherford 原子核式布局模子 1913年 Bohr 原子量子理论 注释氢光谱 1923-1927 量子力学降生 成功注释原子现象 问题: 构成? 布局和彼此感化? 内部活动? 现代原子学说 若是我们坐正在20世纪初该若何研究原子并成立学说?? * * 科学是靠两条腿走,一是理论,一是尝试,有时一条腿走正在前面,有时另一条腿走正在前面,但只要利用两条腿,才能前进。 ——密立根,1923年,诺贝尔物理领时 *