中国科学技术大学：《原子物理学》课程教学资源（课件讲稿）第一章 原子模型初探（主讲：朱林繁）

第一章原子模型初探 1.1原子论及原子的一般特性 1.2电子的发现和汤姆逊的原子模型 1.3 α粒子散射实验和卢瑟福原子模型 1.4玻尔原子模型 1.5类氢原子体系 1.6弗兰克-赫兹实验

第一章 原子模型初探 1.1 原子论及原子的一般特性 1.2 电子的发现和汤姆逊的原子模型 1.3 粒子散射实验和卢瑟福原子模型 1.4 玻尔原子模型 1.5 类氢原子体系 1.6 弗兰克-赫兹实验

1.1原子论及原子的一般特性 1.1.1原子论的发展历史 一、中国古代的原子论 原子论： √《尚书》 (前1046-前771年) :“五行说” 老子（约前571-471）《道德经》：“道生一，一生二，二生三，三 生万物” 墨子（约前468-376）：“端，体之无序而最前者也”；“端，无间 也”；“非半弗著斤(kan)则不动，说在端” 子思（前483-402)：“语小，天下莫能破焉” 惠施（前390-317)：“至小无内，谓之小一” 无限可分： √公孙龙（前320-250）：“一尺之捶，日取其半，万世不竭

1.1 原子论及原子的一般特性 1.1.1 原子论的发展历史 一、中国古代的原子论  《尚书》（前1046前771年） ：“五行说”  老子（约前571471 ） 《道德经》：“道生一，一生二，二生三，三 生万物”  墨子（约前468376） ：“端，体之无序而最前者也”；“端，无间 也”；“非半弗著斤（kan）则不动，说在端”  子思（前483402） ：“语小，天下莫能破焉”  惠施（前390317） ：“至小无内，谓之小一”  公孙龙（前320250）：“一尺之捶，日取其半，万世不竭”。 原子论： 无限可分：

二、古希腊的原子论 原子论： √ 德谟克利特（约前460-371）：一切物质都是由分立的原子组成，原 子这种微粒是不可再分的 无限可分： /亚里士多德（约前384-322)：物质是连续的，是可以无限分割的。 三、近代 1806年，法国普鲁斯脱“定组成定律（定比定律)”：一种化合物， 不论它是如何制备的，其组成的元素间都有一定的质量比； 1807年，英国道尔顿“倍比定律”：在化学反应中，每种化合物都有 一定不变的组成，各化合物中元素的量都成一定的整数比； 1808年，道尔顿“原子论”：物质是由少数几种原子组成，同种元素 的原子都具有相同的质量和性质，不同元素原子的性质和质量各不相 同，且原子在一切化学变化中不可再分； 1808年，盖·吕萨克“简比定律”； 1811年，阿伏伽德罗定律； 1826年的布朗运动实验； 1833年法拉第提出的电解定律； 1869年门捷列夫的元素周期表.… 19世纪末，原子论被普遍接受！

 德谟克利特（约前460371）：一切物质都是由分立的原子组成，原 子这种微粒是不可再分的  亚里士多德（约前384322）:物质是连续的，是可以无限分割的。 原子论： 无限可分： 二、古希腊的原子论  1806年，法国普鲁斯脱“定组成定律 （定比定律）”：一种化合物， 不论它是如何制备的，其组成的元素间都有一定的质量比；  1807年，英国道尔顿“倍比定律”：在化学反应中，每种化合物都有 一定不变的组成，各化合物中元素的量都成一定的整数比；  1808年，道尔顿“原子论”：物质是由少数几种原子组成，同种元素 的原子都具有相同的质量和性质，不同元素原子的性质和质量各不相 同，且原子在一切化学变化中不可再分；  1808年，盖吕萨克“简比定律” ；  1811年，阿伏伽德罗定律；  1826年的布朗运动实验；  1833年法拉第提出的电解定律；  1869年门捷列夫的元素周期表… 三、近代 19世纪末，原子论被普遍接受！

1.1.2原子的经典性质 食盐 ,) A m= NA Fe、Au、Ag、Cu的半径分别为1.56、1.74、1.65、1.45A。 原子量u:1u=1.66053873(13)×10-27kg。 原子的质量分布范围在1~300u

1.1.2 原子的经典性质 1/3 1 2 A A r N        A A m N  Fe、Au、Ag、Cu的半径分别为1.56、1.74、1.65、1.45Å。 原子量u: 1u=1.66053873（13）10-27kg。 原子的质量分布范围在1~300 u

1.2电子的发现和汤姆逊原子模型 一、电子发现的历史背景 √19世纪末“原子论”被广泛接受 19世纪中叶麦克斯韦方程组的建立 √ 气体放电现象的研究 1879克鲁克斯管的出现 二、阴极射线荷质比的测量 (a) B 波？粒子？ CEnquires to Science Museum 图1.2.1汤姆逊（J.J.Thoms0m,1856-1940),英国

1.2 电子的发现和汤姆逊原子模型  19世纪末“原子论”被广泛接受  19世纪中叶麦克斯韦方程组的建立  气体放电现象的研究  1879克鲁克斯管的出现 一、电子发现的历史背景 二、阴极射线荷质比的测量 + _ C A B D E (a) 图1.2.1 汤姆逊（J. J. Thomson, 1856-1940），英国 波？粒子？

y=y+y2 1 at"+attz 2 d2y qV1L-1/2 m VIL md U V qVIL dB mdv2 L (b) 荧光屏 9= yD m dlL B2 t 7.6×1010Ckg 阴极射线的电荷量是氢离子的1000倍； 阴极射线的质量是氢离子的千分之一 1.758820174×1011C/Kg 原子是可分的！

t1 t2 L l +_ y1 y2 y 荧光屏 m  (b) t1 t2 L l +_ y1 y2 y 荧光屏 m  (b) 1 2 2 1 1 22 2 12 1 / 2 2 y y y at at t qV l qV l L l md md qVlL md                   2 q d y m VlL  V dB   2 q V m dlLB  ｙ 7.6 1010C/kg 1.758820174 1011C/kg 阴极射线的电荷量是氢离子的1000倍； 阴极射线的质量是氢离子的千分之一 原子是可分的！

电子是否存在于所有原子中呢？ √把阴极射线管充上不同的微量气体，例如二氧化碳、空气、氢气等，发现： 阴极射线的荷质比与所充气体无关。 /改变阴极的材料，分别改用铝、铁、铜等做阴极，发现： 阴极射线的荷质比与阴极材料无关。 极射线这种粒子！→ 电子 2的1000倍。 测量出阴极射线所带的电荷与氢离子所带的电荷 淮一的一个可能的漏洞！完美的实验！ DAT ANG.NET 由乙 威尔逊，1927诺贝尔物理奖 问题： 电子和正电荷部分如何构成原子？ 正电荷 汤姆逊原子模型 电中性、原子大小、稳定性、部分光谱 图1.2.3汤姆逊的原子模型

 把阴极射线管充上不同的微量气体，例如二氧化碳、空气、氢气等，发现： 阴极射线的荷质比与所充气体无关。  改变阴极的材料，分别改用铝、铁、铜等做阴极，发现： 阴极射线的荷质比与阴极材料无关。 意味着所有原子中都有阴极射线这种粒子！ 唯一的漏洞： 阴极射线的电荷量可能是氢离子的1000倍。 测量？ 1899年，汤姆逊用威尔逊云室，测量出阴极射线所带的电荷与氢离子所带的电荷 相同。 图1.2.3 汤姆逊的原子模型 堵住了唯一的一个可能的漏洞！完美的实验！ 问题： 电子和正电荷部分如何构成原子？ 汤姆逊原子模型 电中性、原子大小、稳定性、部分光谱 电子是否存在于所有原子中呢？ 电子 威尔逊，1927诺贝尔物理奖

成功原因： 承认阴极射线是粒子 历史条件具备：真空技术的发展 √ 敢于突破旧观念的束缚 不断进取（改变气体、阴极材料、测出电子电荷） 电子发现的过程： 放电实验 实验 新问题 发现问题：阴极射线的本质？ 分析 提出假说： 阴极射线是粒子 假说 实验证实：测量荷质比 新实验 验证假说 验证假说 1 新问题：电子普遍存在？ 理论 新实验： 验证假说 理论

 承认阴极射线是粒子  历史条件具备：真空技术的发展  敢于突破旧观念的束缚  不断进取（改变气体、阴极材料、测出电子电荷） 成功原因： 电子发现的过程： 放电实验 发现问题：阴极射线的本质？ 提出假说：阴极射线是粒子 实验证实：测量荷质比 验证假说 新问题：电子普遍存在？ 新实验：验证假说 理论 实验 新问题 分析 假说 新实验 验证假说 理论

问题： 实验显示，每一个原子都有非常多的光谱线，而不是有限的几条！ 汤姆逊原子模型在当时获得了广泛的认 The Nobel Prize in Physics 1906 "in recognition of the great merits of his theoretical and experimental investigations on the conduction of electricity by gases" 学生： 卢瑟福（1908年诺贝尔化学奖) 威尔逊（1927年诺贝尔物理奖) 汤姆逊（G.P.Thomson,1937年诺贝尔物理) 电子透过多晶金箔的衍射图

实验显示，每一个原子都有非常多的光谱线，而不是有限的几条！ 问题： 汤姆逊原子模型在当时获得了广泛的认可！ The Nobel Prize in Physics 1906 "in recognition of the great merits of his theoretical and experimental investigations on the conduction of electricity by gases" 学生： 卢瑟福（1908年诺贝尔化学奖） 威尔逊（1927年诺贝尔物理奖） 汤姆逊（G. P. Thomson, 1937年诺贝尔物理）

1.30粒子散射实验和卢瑟福原子模型 粒子散射实验的历史背景 √汤姆逊原子模型被广泛接受 √放射性的发现 1.3.1粒子散射实验 卢瑟福(E.Rutherford, 1871-1937),新西兰 Q粒子束 荧光屏 显微镜 放射源 金箔 √绝大多数粒子经过金属箔的散射 后，只有很小角度的偏转，偏转 角度小于2° √有大约1/8000的粒子的散射角 度大于90°

放射源 金箔 1.3 粒子散射实验和卢瑟福原子模型  汤姆逊原子模型被广泛接受  放射性的发现 粒子散射实验的历史背景 1.3.1 粒子散射实验 卢瑟福（E. Rutherford， 1871-1937），新西兰  绝大多数粒子经过金属箔的散射 后，只有很小角度的偏转，偏转 角度小于2；  有大约1/8000的粒子的散射角 度大于90