Thomson模型
α散射实验 Thomson模 型的失败 Rutherford模 型的提出
第一章：原子的位形：卢斯福模型
1-2-2 粒子散射实验
Thomson模型
α 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
α散射实验 Thomson模 型的失败
Rutherford模 型的提出
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第一章：原子的位形：卢斯福模型
Thomson模型 α散射实验 Thomson模 型的失败
实验装置如上图所示。放射源 R 中发出一细束α 粒 子，直射到金属箔上以后，由于各α 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α 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α 粒子数。从而可以研究α 粒 子通过金属箔后按不同的散射角θ 的分布情况。

1-1-3 电子的电荷和质量
密立根油滴实验 (1)(1910)
–测得电子电量为：e = 1.6×10-19 C (库仑) 电子质量 me = 9.1×10-31 kg –密立根首次发现了电荷的量子化 电荷只能是 e 的整数倍 e +(质子）的荷质比 –若知H mp me 1 m p 1836
不同原子的半径
元素 Li 原子量 7 质量密度 0.7 原子半径 0.16
原子
电子
关于卢 斯福
Al
Cu S Pb
27
63 32 207
2.7
8.9 2.07 11.34
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0.16
0.14 0.18 0.19
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关于原子得到了如下事实： （1） 原子半径的数量级为10-10m （2） 原子中的电子都是带负电的，而且电子的质量远 比原子小； （3） 原子是电中性的，因此必须含有一个正电荷 来平衡电子所带的负电荷； （4） 正电荷是以某种方式和原子的质量联系在一起； （5） 每一个原子所含有的电子数约为原子量的一半。
rR rR
R r
原子半径
1-2-3 解释 粒子散射实验(2)
• 带正电物质散射（汤氏模型）(2)
– 正电荷Ze对粒子(2e)的最大力
1 2 Ze 2 F 4 0 R 2
–散射角
p’

p
p
p p
–动量的变化~力乘以粒子在原子度过的时间2R/v
1-2-3 解释 粒子散射实验(3)
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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，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。
原子物理学
主讲教师：季永运 温州大学物理与电子信息工程学院
第一章 原子的位型: 卢瑟福原子模型
1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 背景知识 卢瑟福模型的提出 卢瑟福散射公式 卢瑟福公式的实验验证 行星模型的意义及困难
1-1 背景知识
1. 原子的发现
2. 电子的发现 3. 电子的电荷和质量 4. 原子的大小
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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，α粒子的最大偏转角可能是多少。
Rutherford模 型的提出
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第一章：原子的位形：卢斯福模型
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第一章：原子的位形：卢斯福模型
α 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 θ>90度，甚 至达到180度,发生背反射。α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
1-2-3 解释 粒子散射实验(4)
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α 粒子质量的1/8000, 带正电物质散射（汤氏模型）(4) –电子对α 粒子的偏转的贡献（对头撞）(1) 它的作用是可以忽略的,即使发生对头碰撞,影 动量、动能守恒 响也是微小的,当α 粒子与电子发生正碰时,可 1 1 1 2 2 以近似看作弹性碰撞,动量与动能均守恒 v 2 m v0 m v1 me ve , m v0 m v1 me e 2 2 2 入射的粒子 散射后的粒子 散射后的电子
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当原子学说逐渐被人们接受以后，人 们又面临着新的问题：原子是最小的粒子 吗？原子有多大？原子的内部有什 么？........
1-1-2 电子的发现
先看电子的发现。 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NA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。 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。斯迪尼提出，用“电子” 来命名这个电荷的最小单位。 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。
1-1-1 原子的发现
“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。 在十九世纪，人们在大量的实验中认识了 一些定律，如： 定比定律： 元素按一定的物质比相互化合。 倍比定律： 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。
–一次散射的散射角 10 rad –重复散射也不会产生大角度 重复散射为随机, 平均之后不会朝一个方向 特别不会稳定地朝某一方向散射 –汤姆逊原子模型与实验不符!
3
选择题
1.1.原子半径的数量级是: A.10-10 cm C.10-10 m B.10-8 m D.10-13 m
1.2.原子质量的数量级为:
p 2 me v0 2 m e 1 1 0 4 p m v0 m 4000
电子引起α 粒子的偏转角非常小 可以说几乎没有什么贡献
1-2-3 解释 粒子散射实验(6)
带正电物质散射（汤氏模型）(6)
– 粒子对金的散射角
E 5MeV Z=79
p 5 Z 4 Z 3 10 rad<10 rad<10 3 rad p E E
◆ 两个重要的无量纲常数之一，决定了原 子物理学的主要特征
1-1-3 电子的电荷和质量
原子质量单位 [u]
–1[u] ≡ 1个12C 原子质量/12
12克 12 N A
. 1 [克] 1.66 10 24 [克] NA
–原子质量 MA [u] = 原子量 [u] = A [u]
2 m v0 2 m v0 ve 2 v0 m me m p m v0 m v1 me ve 2 me v0
1-2-3 解释 粒子散射实验(5)
• 带正电物质散射（汤氏模型）(5)
–电子对α 粒子的偏转的贡献（对头撞）(2)
p m v0 m v1 me ve 2me v0 p m v0
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原子
电子
关于卢 斯福
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1-2 卢瑟福模型的提出
1. 原子正负电荷如何分布? 2. 粒子散射实验 3. 解释 粒子散射实验
第一章：原子的位形：卢斯福模型
1-2-1 原子正负电荷如何分布? (1)
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.
第一章：原子的位形：卢斯福模型 1-2 卢瑟福模型的提出
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 文迪许实验室主任。1931年英王 授予他勋爵的桂冠。1937年10月 19日逝世。
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t
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1-2-3 解释 粒子散射实验(1)
带正电物质散射（汤氏模型）(1)
– 原子的正电荷Ze对入射的 粒子(2e)产生的力