原子和原子核PPT课件

图10-2 α粒子散射实验
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图10-3 α粒子散射实验结果
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1910年12月，卢瑟福对大角度散射过程 的受力关系进行计算，得出一个新的原子结 构设想——原子有核模型，如图10-4所示。
他认为 粒子是在同作为靶的金属箔的原 子一次碰撞中改变其方向的，因此原子中有 一个体积很小、质量很大的带正电荷的原子 核，它对带正电荷的 粒子的很强的排斥力使 粒子发生大角度偏转。原子核的体积很小， 其直径约为原子直径的万分之一至十万分之 一，核外是很大的空的空间，带负电的、质 量比核轻得多的电子在这个空间里绕核运动。
图10-4 卢瑟福原子模型
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1919年，卢瑟福 粒子去轰击氮、氟、钾等元素的原子核，结果都发现有一种 微粒产生，电量是1，质量是1，这样的微粒正是质子。因此，人们断定，质子是原 子核的组成部分。
一开始，人们认为原子核只是由质子组成的。但是，这不能解释核的质量和原 子核所带的电荷量。如果原子核只是由质子组成，那么，某种原子核的质量与质子 质量之比，应该等于这种原子核的电荷和质子电荷之比。实际上，绝大多数的原子 核的质量与质子质量之比都大于核的电荷与质子电荷之比。
原子核常用符号
A Z
X
表示，其中X为元素符号，A为原子核的质量数，Z
为原子核中的质子数。例如，42 He 代表质子数为2、质量数为4的氦核；92235 U 代
表电荷数为92、质量数为235的铀核。
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卢瑟福是因何提出原子有核模型结构的？
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卢瑟福的原子有核模型学说很好地解释了 粒子散射实验，初步建立 了原子结构的正确图景，但是和经典的电磁理论发生了矛盾：既然核外 电子没有被库仑力吸引到核上，它一定以很大的速度绕核运动，这样电 子会不停地辐射能量，自身的能量不断减少，最后“跌落”在原子核上，但 是这样的事情并没有发生。
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卢瑟福从1904年到1906年6月，做了许多 射线通过不同厚度的空气、云母片和 金属箔的实验。英国物理学家W.H.布拉格在1904－1905年也做了这样的实验。他们 发现，在此实验中 射线速度减慢，而且径迹偏斜了（即发生散射现象）。
在卢瑟福的指导下，盖革和青年研究生马斯顿于1909年3月用镭作放射源，进行 粒子穿射金属箔（先后用了金箔和铂箔）的实验，精心测量数量极少的大角度散射 粒子，如图10-2所示。结果发现约有八千分之一的入射 粒子发生大角度偏转，偏转 角平均为90°，其中有的甚至反弹回来，如图10-3所示。 粒子的这种超过90°的反常 的散射现象，使卢瑟福十分惊讶，虽然他事前对大角度散射做过一些推测。
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电子发现以后，人们普遍认识到电子是一切元素的原子的基本组成部分。 但通常情况下原子是呈电中性的，这表明原子中还有与电子的电荷等量的正 电荷，所以，研究原子的结构首先要解决原子中正负电荷怎样分布的问题。 从1901年起，各国科学家提出各种不同的原子模型。
第一个比较有影响的原子模型，是J.J. 汤姆生于1904年提出的“电子浸浮于均匀正 电球”中的模型。他设想，原子中正电荷以 均匀的密度连续地分布在整个原子中，原子 中的电子则在正电荷与电子间的作用力以及 电子与电子间的斥力的作用下浮游在球内， 这种模型被俗称为“葡萄干布丁模型（枣糕 模型）”，如图10-1所示。
放射性不是少数几种元素才有的，研究发现，原子序数大于82的所有元 素，都能自发的放出射线，原子序数小于83的元素，有的也具有放射性。这 种元素自发的放出射线的现象叫做天然放射现象。放射性的发现对于近代物 理学的发展具有极大的意义。
这个矛盾表明，从宏观现象总结出来的经典电磁理论不适用于微观 粒子。1913年，丹麦物理学家玻尔（1885—1962年）突破了经典物理学 的局限，提出了他的原子理论，其主要内容为：
原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳 定的，这些状态叫做定态。在每个状态中，原子的能量值都是确定的， 这个能量值叫做能级。
卢瑟福猜想原子核内可能还存在着另一种粒子，质量和质子相等，但是不带电， 他将这种粒子称为中子。卢瑟福的这种猜想被他的学生查德威克用实验证实。精确 的测量表明，中子的质量非常接近于质子的质量。发现中子以后，人们很快认识到 原子核是由质子和中子组成的，很多问题也得到了解释。
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原子核由质子和中子组成，质子带电，中子不带电，质子和中子统称为 核子。原子核所带的电荷等于核内质子所带电荷的总数，叫做原子核的质子 数，也称为电荷数，用Z来表示，原子核的质量数用A表示。
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原子可以从一个能级跃迁到另一个 能级。原子在由高能级向低能级跃迁时， 放出一个光子；在吸收一个光子或通过 其他途径获得能量时，则由低能级向高 能级跃迁，如图10.
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通常状态下，原子处于最低的能级，这时原 子的状态叫做基态。给物体加热或者有光照射物 体时，某些原子能够从相互碰撞或从入射光子中 吸收能量，从基态跃迁到较高的能级，这时原子 的状态叫做激发态。由于原子的能级是不连续的， 所以原子在跃迁时吸收或辐射的能量都不会是任 意的，这个能量等于原子跃迁时始末两个能级间 的能量差。以氢原子为例，如图10-6所示，如果 它的基态能量E1算是 13.6 eV，那么它的激发态的 能量E2、E3、E4∙∙∙∙∙∙分别为3.4 eV 、1.51 eV、 0.85 eV ∙∙∙∙∙∙当它从第一激发态跃迁到基态时， 辐射出的能量为 。
图10-6 氢原子的能级图
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1．如何用玻尔理论来解释原子的发光现象？ 2．氢原子从第二个激发态跃迁到基态时，辐射的能量是多少？
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原子核不仅具有复杂的结构，而且能够发生变化。天然放射现象就是原子 核的一种自发变化。
1896年，法国物理学家贝克勒尔发现，铀和含铀的矿物能够发出看不见 的射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光。物质发射射线的性质称为 放射性，具有放射性的元素称为放射性元素。
图10-1 汤姆生的葡萄干布丁模型
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汤姆生还认为，不超过某一数目的电子将对称地组成一个稳定的环或球 壳；当电子的数目超过一定值时，多余电子组成新的壳层，随着电子的增多 将造成结构上的周期性。因此他设想，元素性质的周期变化或许可用这种电 子分布的壳层结构作出解释。但他的原子模型很快被进一步的实验所否定， 因为不能解释 射线的大角度散射现象。