原子核模型
原子核结构的模型与实验验证
原子核结构的模型与实验验证原子核结构是关于原子核内部组成的理论模型，并通过实验验证来确定其准确性。
在过去的一个世纪里，科学家们提出了多个不同的模型，如Rutherford模型、半经典模型和量子力学模型等。
本文将对这些模型进行介绍，并分析实验验证的历史和重要方法。
1. Rutherford模型Rutherford模型是20世纪初对原子核结构的第一个重要模型。
根据这个模型，原子核由带正电的质子组成，而质子的电荷量等于电子的电荷量，并且电子绕着核心进行运动。
这一模型得到了当时最新的实验结果的验证，如Rutherford的黄金箔散射实验。
通过这一实验证明了原子核的存在以及其在原子中的位置集中。
2. 波尔模型波尔模型在Rutherford模型的基础上做出了一定的发展。
根据这个模型，电子绕着原子核以特定的轨道运动，而且只能在特定的能级上存在。
这一模型解释了为什么原子不会崩溃，为后来的量子力学模型提供了重要的基础。
3. 半经典模型半经典模型是将经典物理与量子力学相结合的理论模型。
在这个模型中，原子核仍由带正电的质子组成，但电子的运动则按照量子力学的规律进行。
这一模型对于建立原子核的结构和性质提供了重要的参考。
4. 量子力学模型量子力学模型是目前对原子核结构最为准确的理论模型。
根据这个模型，原子核由质子和中子组成，质子带正电，中子电中性。
量子力学模型还引入了轨道运动的概念，其中的电子被描述为波函数而非经典粒子。
这一模型通过丰富的实验研究得到广泛验证，如中子衍射实验、电荷收集实验等。
5. 实验验证实验验证是确定原子核结构模型准确性的关键方法。
近一个世纪以来，科学家们借助于各种实验手段，不断深化对原子核结构的认识。
例如，通过粒子加速器产生高能粒子并进行轰击原子核的实验，可以观察到散射和碰撞过程中发生的各种现象，从而揭示了原子核的内部构成和性质。
此外，利用辐射探测器进行放射性衰变实验也是研究原子核结构的重要手段之一。
原子核式结构模型
原子核式结构模型
1 什么是原子核式结构模型
原子核式结构模型是指以原子核为中心，以其结构核素为外围组成的一种模型，是现代物理学提出的一种量子力学模型。
根据这种模型，原子核由质子和中子构成，其外围有质子、中子和费米子存在，使原子核具有特殊的结构。
2 原子核式结构模型的特点
1、核子的发明：今年是发现原子核的百年纪念，由爱因斯坦和玻尔在1905年提出核子模型，只有由正质子、负质子和中子组成。
2、结构特性：原子核由核子和核质子共同构成，核子质量极小，要比中子大2000倍以上，构成原子核的核质子的构成数量为其质量的比例，有的原子核还带有中性的费米子。
3、区别：原子核式结构模型与物理学里的分子模型完全不同，分子模型是以分子的中心的分子键为中心的，原子核式结构模型是以原子核的结构核素构成一个完整的模型。
3 原子核式结构模型的应用
原子核模型对物理学、化学、核物理学等多领域有重大影响，它可以解释原子中核子的形成、核素的变异等现象，为大规模原子核研究奠定了坚实的理论基础。
此外，它还可以用来解释原子构型的形成
以及其价态间的相互作用等，广泛应用于原子核反应和量子表现、原子与微粒子的测定等。
原子的核式结构模型定稿
电荷数 Z =质子数=原子序数
质量数 A =核子数
=质子数+中子数
1 1
H
X 元素符号表示： A Z
同位素：
质子数相同而中子数不同的原
2 1
H
子，叫同位素。其原子的核外电
子都相同，因而化学性质相同，
但物理性质不同。
3 1
H
课堂小结:
粒子散射实验现象及卢瑟福提出原子的核式结构模型:
原子的核式结构
十八章 原子结构
新课标高中物理选修3－5
原子复杂结构的发现过程
原子 (中性) 电子(一) 正电荷? 设想?
汤姆生 质是由不可分割的 微粒（叫原子）组 成。
2、100多年前
化学反应中原子的种类和数目 不变，化学上倍比定律的发现 等证实了物质的原子性结构， 认为原子是不可再分的、物质 是由原子组成的。
第四条现象可看出，α粒子在原子中碰到了比他质量 大的多的东西
在原子中心有一个很小的核，叫原子核． 原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里． 带负电的电子在核外空间绕着核旋转． 原子的核式结构的提出
三. 原子的核式结构的提出
α粒子穿过原子时，电子对α粒子运动的影响很小， 影响α粒子运动的主要是带正电的原子核。 而绝大多数的α粒子穿过原子时离核较远，受到的 库仑斥力很小，运动方向几乎没有改变，只有极少 数α粒子可能与核十分接近，受到较大的库仑斥力， 才会发生大角度的偏转 。
杰出贡献:1897年发现电子(荣获1906年诺贝尔物理奖)
汤姆生
一、汤姆孙的原子模型
汤姆孙认为：原子是一个球体；正电荷均匀 分布在整个球内，而电子都象布丁中的葡萄干 那样镶嵌在内。
“枣糕模型”
正电荷
原子的核式结构模型25张PPT
动画：α粒子散射
课堂小结
实验中发现极少数α粒子发生了大角度偏转，甚至反 弹回来，表明这些ɑ粒子在原子中某个地方受到了质量、 电量均比它本身大得多的物体的作用，可见：
1.原子中的正电荷、质量应都集中在一个中心上。 绝大多数α粒子不偏移→原子内部绝大部分是“空” 的。 2.少数α粒子发生较大偏转→原子内部有“核”存在。 3.极少数α粒子被弹回 表明：作用力很大；质量很大；电量集中。
教材习题解答
1、答：反射源:α粒子 金箔：被α粒子轰出的物质。 带有荧光屏的放大镜。整个装置置于真空中α
粒子打在银光屏上有微弱的光，由于放大镜能够 围绕金箔在一个圆周内运动，因此可以通过它观 察到穿过金箔后偏转角度不同的α粒子。
观察到的现象是:绝大多数α粒子穿过金箔后基 本上沿着原来方向前进，少数α粒子发生了大角 度偏转，偏转超过了90度，极少数像是被弹了回 来去。
原子
原 子核
电子
中子
质子
核外电子数
+ = 质量数A
中子数
质子数Z
原子序数 核电核数
高考链接
1、根据卢瑟福的原子核式结构模型，下列说 法正确的是（ D）
A.原子中的正电荷均匀分布在整个原子范围 内
B.原子中的质量均匀分布在整个原子范围内 C.原子中的正电荷和质量都均匀分布在整个原 子范围内 D.原子中的正电荷和几乎全部质量都集中在很 小的区域范围内
本节导航 一、 α粒子散射实验 二、原子核的电荷与尺度
一、α粒子散射实验
原子正负电荷分布的研究 汤姆生的原子模型
被a粒子散射实验否定 卢瑟福提出新的假设（核式结构模型）
数学推理 与实验事实的对照
卢瑟福（Lusefu）， 在他66年的生涯中，他阐 述了放射性衰变的理论， 鉴定出α粒子（氦核24He）、 β粒子（电子流-10e）和γ 射线（光子），发现了原 子核，第一次用人工的方 法将一种元素转变为另一 种元素。直接培养了11名 诺贝尔奖获得者。
原子核的壳模型全
③、由实验值知道
E l
能12 级在
能El级12 的下面，所以要求f(r)<0。
④、适当选择自旋—轨道耦合强度f(r)后，就可以解释全部的幻数。
对于原子情况：
2 1 dV (r) f(r)
2me2c2 r dr 这里V(r)可取库仑势：
V (r) ~
Ze 2
r
对于原子核的情况f(r)近似取同样的形式。
最简单的中心场势为方阱势，谐振子势及Woods-Saxon势，下面分别 讨论：
（1）、球方阱势
V (r) 0V0
r R(V0 0) rR
R---势阱半径
V0---势阱深度 （2）、球形谐振子势
V
(r)
1 2
m 2r 2
V0
（V0=Constant）
m--核子质量 (2V0 / mR 2 )1/ 2
5、自旋—轨道耦合
在谐振子势阱和方势阱的讨论中，我们都没有考虑核子的自旋和轨道耦合问题。
实验表明，核子的自旋—轨道耦合不但存在，而且这种耦合作用是很强的。
1949年，在大量实验事实的启示下，M.G.Mayer and J.H.D.Jensen独立提
出了强自旋—轨道耦合模型，使问题的解决有了关键性的突破。他们把方势阱和
对某一个确定的n,l相同的状态，能量都一样，因而某一给定l的2l+1个状 态，能量都相同。
由泡利不相容原理，对于自旋s=1/2的电子，它服从泡利原理。这样，在 能量相同的同一个l能级上总共可以容纳2(2l+1)个电子。
对于l=0,1,2,3,4,5,6,7,分别用s,p,d,f,g,h,I,j,…表示 ∴对于s能级，最多容纳的电子数N=2
第二，核中的核子的密度与原子中的电子密度相比，大得不可比拟，以致 核子在核中的平均自由程可以比核半径小得多，于是可以想象核子间似应不 断发生碰撞，因而很难理解在核子中的运动可以是各自独立的。
原子核式结构模型
原子核式结构模型原子核是原子的核心部分，由质子和中子组成。
原子核的结构可以使用原子核式结构模型来描述。
该模型最早由曼谷教授鲁特福德于1911年提出，通过实验验证得到了广泛认可。
本文将详细介绍原子核式结构模型及其主要特点。
原子核式结构模型的核心概念是原子核的存在和构成方式。
根据实验结果，鲁特福德提出了原子核中心存在着正电荷和质量集中的核，质子和中子是核的基本组成部分。
质子带有正电荷，中子没有电荷，两者的质量几乎相等。
原子核的直径约为10^-15米，而整个原子的直径约为10^-10米，原子核占据原子体积只有极小的比例。
在原子核式结构模型中，原子核由质子和中子组成。
质子和中子存在于核的特定位置，形成一个紧密排列的结构。
质子和中子通过强相互作用力紧紧地束缚在一起，使得原子核保持了相对稳定的结构。
质子和中子的数量决定了原子核的质量数，在同位素中，质子数相同而质量数不同的原子核被称为同位素。
原子核的正电荷主要来自于质子，而质子数量决定了原子核的电荷数。
原子核的电荷数和质量数不同构成了不同元素的原子核，以及同位素的不同核。
原子的核电荷数决定了原子的化学性质，是元素之间发生化学反应的重要因素。
由于原子核的直径极小，通过实验观察原子核结构是非常困难的。
鲁特福德利用了阿尔法粒子散射实验，发现阿尔法粒子在经过薄金属膜时会被散射。
根据散射角的测量结果，鲁特福德得出了原子核式结构模型。
通过计算散射粒子的运动和能量，他得出了原子核的直径和正电荷的分布情况。
原子核式结构模型的主要特点是原子核中心存在着具有正电荷和质量集中的核，质子和中子是原子核的基本组成部分。
原子核质量数通过质子和中子的数量决定，而电荷数通过质子的数量决定。
原子核的直径约为10^-15米，是原子体积的一小部分。
原子核通过强相互作用力将质子和中子紧密地束缚在一起，保持着相对稳定的结构。
总结起来，原子核式结构模型是对原子核的结构和构成方式的描述。
它通过实验证据得到了广泛认可，成为了解释原子核性质和行为的重要模型。
原子核式结构模型
12
一、对物质构成和微观构造旳认识过程
4、1923年，卢瑟福 粒子散射试验
试验成果分析： （1）绝大多数α粒子穿过金箔后,与原来 旳运动方向偏离不多（平均2º-3º）。 （2）少数α粒子发生了大角度旳偏转。 （3）极少数α粒子产生超出90º旳大角 度偏转，个别α粒子甚至被弹回。 讨论2：α粒子大角度偏转是不是撞到了
例2：试估算氢原子核旳密度（氢原子核半径为R＝1.210－15m）。
例3：请根据卢瑟福旳原子核式构造思索 粒子在穿过原子核时旳轨
迹有何特点，并画出其轨迹示意图。
四、作业
练习册：P22-P23
4、1923年，卢瑟福 粒子散射试验
试验成果分析： （1）绝大多数α粒子穿过金箔后,与原来 旳运动方向偏离不多（平均2º-3º）。 （2）少数α粒子发生了大角度旳偏转。 （3）极少数α粒子产生超出90º旳大角 度偏转，个别α粒子甚至被弹回。
讨论1：按照汤姆逊旳葡萄干蛋糕原子模 型，会不会出现试验成果（2）和（3）？
培养12位诺奖得主旳“核子科学之父”
1923年，卢瑟福取得该年度旳诺贝尔化学奖 1923年，卢瑟福旳助手索迪获诺贝尔化学奖； 1923年，卢瑟福旳学生阿斯顿获诺贝尔化学奖； 1923年，卢瑟福旳学生玻尔获诺贝尔物理奖； 1927年，卢瑟福旳助手威尔逊获诺贝尔物理奖； 1935年，卢瑟福旳学生查德威克获诺贝尔物理奖 1948年，卢瑟福旳助手布莱克特获诺贝尔物理奖 1951年，卢瑟福旳学生科克拉夫特和瓦耳顿，共同取 得诺贝尔物理奖； 1978年，卢瑟福旳学生卡皮茨获诺贝尔物理奖。
14
一、对物质构成和微观构造旳认识过程
4、1923年，卢瑟福 粒子散射试验
1923年，卢瑟福旳原子核式构造模型（假说）： （1）原子旳中心有一种很小旳核，叫做原子核 （2）原子旳全部正电荷和几乎全部质量都集中
原子核模型
原子核模型2、【原子核模型】（nuclear model）在实验基础上建立起来的描述原子核结构的唯象模型。
从20世纪30年代揭示出原子核的组分（即由质子和中子组成）开始，人们已经提出了多种核结构模型，如费米气体模型、液滴模型、壳层模型、综合模型、超导模型、相互作用玻色子模型等。
这些模型都能解释一部分实验事实，但不能统一地说明核的主要特征。
综合各种模型可以获得较为全面的原子核结构图像，其中影响比较大的核模型有：（1）液滴模型。
主要的实验事实依据是核的密度为很大的常数，显示核基本上是不可压缩的；原子核的比结合能近乎为常数，核的结合能正比于核子数，表明核力具有饱和性，核子只与邻近的几个核子相互作用。
这与宏观的液滴甚为相似。
（2）核壳层模型。
因研究幻数而提出的核模型。
（3）综合模型。
又称集体运动模型。
是在壳层模型和液滴模型的基础上发展起来的。
一方面考虑核作为集体的转动和振动，另一方面考虑每个核子又在一个变动的非球对称的平均势场中作独立运动，这两种运动还有相互影响。
相关内容模型分类从20世纪30年代认识核由质子和中子组成后，已经提出多种核结构模型，如费米气体模型、液滴模型、壳层模型、综合模型、超导模型、相互作用玻色子模型等等。
这些模型都能解释一定的实验事实，但不能说明另外一些事实，还没有一种结构模型能够统一说明各种事实。
综合各种模型可以获得比较全面的原子核结构的图像。
比较基本而影响颇大的核结构模型有：液滴模型①液滴模型。
主要的实验事实依据是核的密度为很大的常数，显示核基本上是不可压缩的；原子核的比结合能近乎为常数，核的结合能正比于核子数，表明核力具有饱和性，核子只与邻近的几个核子相互作用。
这与宏观的液滴甚为相似。
据此，30年代中期N.玻尔等人提出液滴模型，把原子核看成一个带电的不可压缩液滴，根据液滴的经典运动规律对原子核作动力学描述，并适当加入量子效应引起的修正；以后又逐步增加一些新的自由度，如将质子、中子分别看成两类流体，甚至将自旋取向不同也看成不同流体，并引入可压缩性、粘滞性等性质。
原子的核式结构模型
描述微观粒子运动的基本方程， 用于求解原子中电子的波函数和
能量。
原子轨道
由量子力学计算得出的电子在原子 中的概率分布区域，决定了元素的 化学性质。
自旋和磁矩
电子自旋和轨道运动产生的磁矩是 原子磁性的来源。
多电子原子中电子排布规律研究进展
泡利原理
确定每个电子状态的独特性，保证电子排布的稳 定性。
原子中心有一个带正电的原子核，电子绕核旋转。该模型预测了α粒子散射实 验的结果，即大多数α粒子穿过原子时不受影响，少数α粒子受到大角度偏转， 极少数α粒子被反弹回来。
实验结果与预测一致
α粒子散射实验结果与卢瑟福的核式结构模型预测相符，从而验证了该模型的正 确性。同时，其他相关实验结果也支持了核式结构模型的理论预测。
局限性
玻尔理论虽然成功地解释了氢原子光谱和类氢离子光谱，但对于复杂原子（多电 子原子）的光谱现象却无法解释。此外，玻尔理论也无法解释原子的化学性质和 化学键的形成。
03
原子核式结构模型具体内容
原子核组成与性质
原子核位于原子的中心，由质子和中 子组成。
原子核的半径约为原子半径的万分之 一，但质量却占原子总质量的99.9% 以上。
04
电子云密度越大，表明 电子在该区域出现的概 率越高。
能量层级
原子中的电子按照能量高低分 布在不同的能级上，每个能级 对应一定的电子云形状和取向
。
当电子从一个能级跃迁到另一 个能级时，会吸收或释放能量 ，表现为光的吸收或发射。
电子跃迁遵循一定的选择定则 ，如偶极跃迁选择定则、自旋
原子核的发现
卢瑟福根据α粒子散射实验现象提出了原子核式结构模型。在 原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷 和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空 间里绕着核旋转。
原子的核式结构模型(24张ppt)
汤姆生的原子模型
十九世纪末，汤姆生发现了电子，并知道电 子是原子的组成部分．由于电子是带负电的， 而原子又是中性的，因此推断出原子中还有带 正电的物质．那么这两种物质是怎样构成原子 的呢？
了汤 枣姆 糕生 模提 型出
汤姆生
汤姆生的原子模型
在汤姆生的原子 模型中，原子是一个 球体；正电核均匀分 布在整个球内，而电 子都象枣核那样镶嵌 在原子里面．
质子
中子 质子数
核子
电荷数
四.原子核的电荷与尺度
原子核的电荷和大小 根据卢瑟福的原子核式模型和α粒子散射 的实验数据，可以推算出各种元素原子核 的电荷数，还可以估计出原子核的大小。 （1）原子的半径约为10-10m、原子核半径 约是10-15m，原子核的体积只占原子的体积 的万亿分之一。 （2）原子核所带正电荷数与核外电子数以 及该元素在周期表内的原子序数相等。 （3）电子绕核旋转所需向心力就是核对它 的库仑力。
2.2 原子的核式结构模型
1897年，汤姆孙对阴极 射线研究，发现了电子， 说明原子是可再分，原 子是中性，可推断出原 子中还有带正电的物 质．那么这两种物质是 怎样构成原子的呢？
汤姆孙
19世纪末到20世纪的三十年代，对于电子、光 谱的深入研究以及放射性现象、中子、质子的 发现，引起物理观念的重大变革，创立了新的 理论，导致人们对原子和原子核认识的升华．
第一条现象说明，原子中绝大部分是空的 第二、三现象可看出，α 粒子受到较大的库仑力作用 第四条现象可看出，α粒子在原子中碰到了比他质量大的多 的东西
粒子散射实验
对α 粒子的运动方向不会发生明显影响；由于正 电荷均匀分布，α 粒子所受库仑力也很小，故α 粒子偏转角度不会很大．
原子的核式结构
原子的核式结构模型 课件
二、α粒子散射实验
卢
瑟
福
著名的 粒子散射实验装置
真空 放射源
ห้องสมุดไป่ตู้金箔
可转动的带 有荧光屏的 放大镜
二、α粒子散射实验
著名的 粒子散射实验装置
真空 放射源
金箔
可转动的带 有荧光屏的 放大镜
作用：
统计散射到各个方向的α粒子所占的比例， 可以推知原子中正负电荷的分布情况
二、α粒子散射实验
思考和讨论：
根据汤姆孙原子模型，α 粒 子可能的前进方向？
根据卢瑟福的原子结构模型，原子内 部是十分“空旷”的，举一个简单的例子：
10-10m 原子
体育场
原子核 10-15m
卢瑟福本人是一位伟大的物理学家，这是无需置疑的。但他同时 更是一位伟大的物理导师。
尼尔斯·玻尔：1922年诺贝尔物理奖得主，量子论的奠基人和象 征。在曼彻斯特跟随过卢瑟福。
保罗·狄拉克：量子论的创始人之一，1933年诺贝尔物理奖得主。 狄拉克获奖的时候才31岁，他对卢瑟福说他不想领这个奖，因为 他讨厌在公众中的名声。卢瑟福劝道，如果不领奖的话，那么这 个名声可就更响了。
汤姆生的原子模型
枣糕模型
汤姆生的原子模型： 原子是一个球体；正 电荷弥漫性地均匀分 布在整个球内，而电 子都象枣子那样镶嵌 在原子里面．
正电荷
这个模型不
久就被实验事
电子
实否定了
一、勒纳德电子束实验：
使电子束射到金属膜上
现象： 较高速度的电子束很容易穿透原子
推断： 原子不是一个实心球体
矛盾： 与汤姆孙的原子模型（实心）不符
原子中带正电部分的体积很小，但几 乎占有全部的质量——原子核，电子 在原子核的外面运动。
原子核模型专业知识讲座
❖ BCS-BEC cross over
1. 对核基态旳自旋和宇称旳解释
❖对于闭壳层外有一种核子（或有一种空穴） 旳情况，因为闭壳层内旳核子对角动量旳贡 献为零，原子核基态自旋和宇称就完全由闭 壳层外旳这个核子（或空穴）决定。
形旳原子核，这个平均场是一种有心场； ❖（3）每个核子在核内旳运动应该是各自独
立旳。
4. 核旳壳模型旳基本思想
❖把原子核中旳每个核子看作是在一种平均场 中运动，这个平均场是全部其他核子对一种 核子作用场旳总和，对于接近球形旳原子核 ，能够以为是一种近似旳有心场。
❖泡利原理不但限制了每一能级所能容纳核子 旳数目，也限制了原子核中核子与核子碰撞 旳概率，使得核子在核内有较大旳平均自由 程，即单个核子能被看作在核中独立运动。 所以，壳模型也叫独立粒子模型。
❖例如, 41Ca在闭壳层外有一中子在能级1f7/2上 （见图）。所以，其角动量肯定是7/2（以ћ 为单位，下同）；目前l=3(f态)，故宇称为负 ，与试验完全符合。
❖另某些例子见表
1. 对核基态旳自旋和宇称旳解释
奇奇核旳自旋则完全取决于最终一种奇中 子和奇质子之间耦合。因为中子和质子旳 自旋都是1/2，而轨道角总动量总是整数， 所以耦合成果肯定是整数。天然存在旳奇 奇核只有九个，其中四个是稳定核素，五 个是长寿命旳不稳定核素，涉及人工制备 旳全部奇奇核旳自旋都是整数，无一例外。
❖为了求得费米能量EF,就要懂得在EF能级以及
比EF低旳能级上一共有多少状态。或者，有
多少组（n x , n y , n z）,满足
(n2x、+n2 y+n2 z) ≦
卢瑟福提出的原子核式结构模型
卢瑟福提出的原子核式结构模型路得福提出的原子核模型又被称为“路得福球模型”，他建议原子核内部由紧凑的、正电荷很强的小电荷球，即质子构成。
该模型的构思来自对氢原子的研究：氢原子由单个质子和一个反电荷电子构成，它们之间有一种电场力与引力，质子之间也会有引力，但是比氢原子的引力小得多。
因此，可以假设，原子核也包含着质子，这些质子紧凑地围成一个球，电荷量正好相等，从而原子核得到了稳定。
在这个模型中，对原子核电荷与质点的关系有明确的定义：一个原子核中质点（质子）的数量正比于该原子核中电荷的数量，从而，原子核的电荷量就是质点的总数。
路得福球模型解释了大多数原子核的结构，特别是大量氢核的组成原理，但这也是一个完全有理想化的模型，并没有考虑到实际中可能存在的其他因素。
电场分布并不均匀，而一定存在一些电子在原子核中被磁场影响，这些因素都 undesrial 前半句路得福提出的原子核模型又被称为“路得福球模型”，他建议原子核内部由紧凑的、正电荷很强的小电荷球，即质子构成。
该模型的构思来自对氢原子的研究：氢原子由单个质子和一个反电荷电子构成，它们之间有一种电场力与引力，质子之间也会有引力，但是比氢原子的引力小得多。
因此，可以假设，原子核也包含着质子，这些质子紧凑地围成一个球，电荷量正好相等，从而原子核得到了稳定。
此外，该模型还解释了原子核的衰变及其产生的自由中子的原理：由于质子之间的库仑力依和相互作用，有时会形成真空洞，使质子能够从原子核中跃然而出，而另一个自由的中子又可以填补真空洞，使原子核的质点总数保持不变。
路得福球模型的这种解释，极大地为原子核衰变和中子的产生提供了理论基础和技术上的指导。
路得福球模型对20世纪初重要的原子核模型提出了重大贡献，并奠定了今天原子核物理研究。
原子核式结构模型
玻尔模型的实验验证
氢原子光谱
塞曼效应和斯塔克效应
玻尔模型成功解释了氢原子光谱的线 系和频率，与实验数据相符。
这些实验现象表明原子在强磁场或电 场中的行为符合玻尔模型的预测。
弗兰克-赫兹实验
该实验证实了原子内部存在分立的能 级，电子在原子中的运动是量子化的 ，从而验证了玻尔模型的正确性。
04
葡萄干布丁原子结构模 型
引入量子化概念后提出的模型，解释了氢 原子光谱的不连续性。
原子结构模型的意义
揭示了原子的内部结构和组成 元素之间的相互作用，为化学 和物理学的发展奠定了基础。
解释了元素的化学性质和它们 在化学反应中的行为，为化学 学科的发展提供了理论支持。
为研究更复杂的分子结构和化 学反应机理提供了重要的工具 和方法。
电子在原子内的分布 是随机的，没有固定 的轨道。
电子镶嵌在原子中， 像葡萄干一样分布在 布丁状的原子内。
葡萄干布丁原子结构模型的实验验证
汤姆孙的学生卢瑟福（E.Rutherford）进行了著名的α粒子散射实验，该 实验的结果与葡萄干布丁模型相矛盾。
卢瑟福发现，大部分α粒子穿过金箔后方向没有发生明显改变，但有极少 数α粒子发生了大角度偏转甚至被反弹回来。这表明原子内部存在一个带 正电荷的、体积很小、质量相对很大的中心，即原子核。
。
原子的全部正电荷和几乎全部质 量都集中在原子核里，带负电的 电子在核外空间里绕着核旋转。
卢瑟福原子模型的实验验证
01 02 03
α粒子散射实验
卢瑟福用α粒子轰击金箔，发现绝大多数α粒子穿过金箔后 仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转 ，并有极少数α粒子的偏转超过90°，有的甚至几乎达到 180°而被反弹回来。
初三物理原子核模型分析
初三物理原子核模型分析原子核是物质的基本组成单位，它的结构与性质一直以来都是物理学中的重要研究对象。
本文将从不同角度对原子核的模型进行分析，帮助读者更好地理解原子核的组成和特性。
一、丰富的原子核模型在物理学的发展过程中，人们提出了多种原子核模型，以试图解释原子核的结构。
其中最著名的模型包括：1. 卢瑟福模型卢瑟福模型是最早的原子核模型之一。
他认为原子核是一个质量集中在一个点上的小球体，而电子则围绕着核进行运动。
这个模型大大拓展了人们对原子结构的认识，但是无法解释原子核的稳定性和其它一些现象。
2. 波尔模型波尔模型是根据量子力学的思想提出的。
该模型认为原子核由质子和中子组成，并且电子以不同的能级存在。
这个模型比卢瑟福模型解释了更多的实验现象，对原子核的理解提供了更深的认识。
3. 核壳模型核壳模型是基于波尔模型的基础上提出的。
它认为原子核中的质子和中子的排布是有规律的，就像电子在原子中的排布一样。
这个模型对解释原子核中的核素稳定性和同位素存在的原因有着重要的意义。
二、核子的组成和性质原子核由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电。
质子和中子的质量相近，都约为1.67×10^-27千克，但质子的质量要稍大于中子。
同时，质子和中子在原子核中的排布也具有一定的规律性。
原子核的性质包括质量数、电荷数和自旋等。
质量数是指原子核中质子和中子的总数，通常用A表示。
电荷数即核电荷，等于质子的数量，通常用Z表示。
自旋是原子核的一种内禀性质，它决定了核的角动量、磁矩和核磁共振等现象。
三、核稳定性与核衰变在原子核模型中，我们可以看到一些核素比较稳定，而另一些则会发生衰变。
这种稳定性的差异与核内外力的平衡有关。
原子核内部的排斥力和吸引力相互作用，决定了核稳定性。
核内部的排斥力由质子之间的库仑斥力产生，而核内部的吸引力则是由核力产生的。
当这两种力能够平衡时，原子核就相对稳定。
当核内的库仑斥力过大时，就会发生核衰变，进一步转变为稳定的核态。
原子核模型及其研究方法
原子核模型及其研究方法人们对物质的探索和理解源远流长，由早期对事物感性认识逐渐转变为现代科学的定量化研究方法。
在物质成分的研究中，原子是最基本的单位，原子核则是原子的核心组成部分。
为了更好地了解原子核的结构和性质，人们不断推进原子核模型的研究方法，如：核轰炸、核荧光和质谱等技术。
一、原子核模型及其基本组成原子核是带电的，中心密集的、稳定的、球形或椭圆形的、直径在10-15米的原子结构中的核心部分。
其主要组成部分是质子和中子，两者合称为核子，其中质子是带正电的粒子，位于原子核的中心，而中子则不带电，占据质子周围空间。
由于原子核中质子和中子共同作用，维持着核子间的相互吸引力和排斥力的平衡状态，因此使得原子核呈现出稳定的结构。
原子核的结构还涉及到原子核的荷质比，即核子数目与质子数目的比值。
由于原子核带正电，质子数目多于中子，使得核子间的相互排斥力增大，这种作用也是核力的共同作用的结果，对于安定的核子来说，这个比值应该接近整数，所以发现了同位素。
二、引入原子核模型的历史经过在20世纪初期，由于实验研究的局限性，人们并不能够充分地了解原子核的性质和结构。
一些学者曾提出一些原子核模型假说，但是，这些假说并不全部都正确。
早期曾有卢瑟福提出奇想的“飞行的微小太阳系”的原子核模型，认为原子核是由类似太阳系的结构构成：原子核的中心有一极重的正荷体，周围绕着小的负荷体质子。
于1932年，查德威克、卡尔·戴维森发明的漩涡模型，直接纠正了卢瑟福的原子核模型及其他基于经典力学的原子核模型; 它们认为原子核是由一些环状运动的带电粒子所组成，这些粒子像流动着的电流一样，使原子核稳定且紧凑。
随着量子力学概念的发展，这种模型不再合适。
三、原子核模型的进化之路然而，到20世纪中期，随着量子力学的出现，原子核模型得到了极大的改观。
根据量子力学的基本原理和实验结果，学者提出了不同的原子核模型，如壳模型、模型、液滴模型等。
壳模型是由著名的理论物理学家玻尔及卡拉马提创立的，它把原子核看成像原子壳层结构一样，核子在不同的能级中，核子填充这些能级时，可以使能量最低反应最稳定的核子组合成闭壳层结构，能够提高原子核的稳定性。
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核力的主要性质
原子核的密度1014g/cm3。
核力是强相互作用:核力约比库仑力大100倍 核力的短程性：核力的力程为fm量级 核力的饱和性：核力具有饱和性 核力的电荷无关性：Fpp=Fnn=Fnp
核力 核力的主要性质
同位旋：把中子和质子看成是核子的两个不同状态， 用同位旋 t 描述核子处于中子或质子状态。 质子：t3 =1/2; 中子： t3 = -1/2 核子的总同位旋：
VLS VLS (r )l S
自旋-轨道耦合作用只存在于自旋三重态中
核力 核力的主要性质
核力的排斥力芯 核子相距0.8-2.0fm时，表现为吸引力 核子相距小于0.8fm时，表现为排斥力 核子相距大于10fm时，核力几乎完全消失 Vnp Vnn
Vpp
r
r
核力 核力的介子理论
3 ( h
2
2
)
3/ 2
费米能量
E F ,n
EF , p
9N 2 / 3 ( ) 2 2mn r0 4 A 2 9Z 2 / 3 ( ) 2 2m p r0 4 A
2
费米气体模型
核子的最大动能
9N 1/ 3 Pn ( ) r0 4 A 9Z 1/ 3 Pp ( ) r0 4 A
电磁力 现代物理学认为：电磁相互作用是带电粒子间交换“虚 光子”而产生的交换力。 虚粒子用于传递相互作用，因而总是限定在一定时空范 ee围内。 由于测不准原理，虚粒子可以 不满足能量-动量守恒。 A eB
e-
核力 核力的介子理论
媒介粒子的质量估计 最大能量转移：
c E t x / c x 虚粒子质量： m t xc
p
费米气体模型
费米气体模型
-B
V0
EF,n Ec EF,p
中子阱
质子阱
费米气体模型Biblioteka 费米能级En
h
2
2 (n x
8md
2 2 n y nz ) 2
费米半径
R
2
8mEF d h 6
2
2
状态数
N 状态
8mEF d
( h
2
2
)
3/ 2
费米气体模型
中子数
Nn
8m n E F , n d
中子结合能为幻数时极小
基于液滴模型的总结合能 在中子数或质子数为幻数
时，与实验值偏离最大
原子核的壳层模型
原子核的壳层模型
核素丰度 在自然界中，4He, 16O, 40Ca, 60Ni, 88Sr, 90Zr, 120Ba, 140Ce, 208Pb的含量明显比其附近核素的含量多； 在稳定核素中， 中子数N=20,28,50,82的中子素最多
原子核的壳层模型
质子数Z=20,28,50,82的稳定同位素的数目比 紧邻的元素多 结合能的变化
费米气体模型
核子的平均动能
E
0
PF
Ed 3 P d3P
PF
2 P 3 ( F ) 5 2m
0
原子核的平均动能
3 2 2 E (Z , N ) ( NPn ZPp ) 10m 3 2 9 2 / 3 N 5 / 3 Z 5 / 3 ( ) ( ) 2 2/3 10m r0 4 A
学习与思考
什么叫模型？模型就是奥地利的火车时
刻表。奥地利的火车经常晚点，乘客问列 车员：“你们干吗还要时刻表？！”列车 员回答：“有了时刻表才知道火车的晚点 呀！”
韦斯科夫
原子核的结构
核力 费米气体模型 原子核的壳层模型
原子核的集体模型
核力 核力的主要性质
T
t
i 1
A
i
同位旋第三分量：
1 A T3 t3i ( Z N ) Z 2 2 i 1
A
核力 核力的主要性质
同位旋
1 1 同位旋量子数满足： 2 Z N T 2 Z N 1 核基态同位旋： T T3 Z N 2
5.38 5.08 4.55 3.85 3.08 0.87 5.52 5.10 4.69 3.86 3.10 0.50 3/23/2+ 3/25/21/21/2+ 5/2+
电磁力：m = 0
t x
x
核力 核力的介子理论
核力介子
c 197fm MeV mc 100MeV x 2.0fm m m 273 . 3 m e 1947年发现介子：
介子质量估计：
2
0 m 264me
n
p
+
p n
p
p
p
n
0
p p n
中心力场：方阱势： 高斯势： 指数势：
V0 V (r ) 0 r rN r rN
2 V (r ) V0 exp(r 2 / rN )
V (r ) V0 exp(r / rN )
V (r ) V0 exp(r / rN ) r / rN
汤川势：
核力 核力的主要性质
核力的非中心成分 非中心力：
VT VT (r ) S12
ˆ ) 2S S12 6(S r
2 2
S S1 S 2
核力 核力的主要性质
核力的自旋-轨道耦合力成分 n-p散射：出射的中子部分极化，说明存在非中心力场。 但计算表明：仅非中心力场不能给出与实验相符的极化度。 自旋-轨道耦合力：
费米气体模型
对称能 设 Z-N= 则
1 1 N A(1 ), Z A(1 ) 2 A 2 A
原子核平均动能
2 3 9 2 / 3 5 (N Z ) E(Z , N ) ( ) A 2 10m r0 8 9 A 2
3/23/2+ 3/25/21/21/2+ 5/2+
17 8 O9
17 9 F8
核力 核力的主要性质
核力与自旋有关 D核：I = 1+ S 0
3S 3D 1+ 1
l 1 0 1 2
状态
1P 1
3S 3P 1
1
1
3D 1
核力 核力的主要性质
核力的非中心成分
d (3S1)= 0.87981 N dexp= 0.8574376 N d (3D1)= 0.310 N d =96% d (3S1)+ 4%d (3D1)