《盧瑟福背散射分析》課件

盧瑟福背散射分析內(nèi)容提要盧瑟福背散射實(shí)驗(yàn)了解盧瑟福的著名背散射實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)揭示了原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)。原子結(jié)構(gòu)模型探索湯姆孫原子模型和盧瑟福原子模型之間的對(duì)比，以及它們?nèi)绾谓忉寣?shí)驗(yàn)結(jié)果。原子核的發(fā)現(xiàn)深入研究原子核的特性，包括它的尺寸、密度和組成，以及質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn)。盧瑟福實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介1911年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福進(jìn)行了一項(xiàng)著名的實(shí)驗(yàn)，即α粒子散射實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)為我們揭示了原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，并最終導(dǎo)致了現(xiàn)代原子模型的建立。該實(shí)驗(yàn)中，盧瑟福使用α粒子轟擊金箔，并通過(guò)觀察α粒子的散射軌跡來(lái)研究原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。阿爾法粒子在金箔上的傳播金箔金箔是一種非常薄的金屬箔，通常用作實(shí)驗(yàn)材料。阿爾法粒子阿爾法粒子是帶正電荷的粒子，由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成。傳播路徑當(dāng)阿爾法粒子穿過(guò)金箔時(shí)，它們會(huì)與金原子中的原子核發(fā)生相互作用。散射現(xiàn)象大多數(shù)阿爾法粒子會(huì)直接穿過(guò)金箔，但一些粒子會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)或反彈。原子模型的演化1道爾頓原子模型1808年，道爾頓提出原子模型，原子被視為不可分割的實(shí)心球體。2湯姆孫原子模型1904年，湯姆孫提出原子模型，原子被視為帶正電荷的球體，其中嵌入負(fù)電荷的電子。3盧瑟福原子模型1911年，盧瑟福通過(guò)背散射實(shí)驗(yàn)提出了新的原子模型，原子中心有一個(gè)帶正電荷的原子核，周?chē)h(huán)繞著負(fù)電荷的電子。湯姆孫原子模型湯姆孫原子模型也被稱(chēng)為“葡萄干布丁模型”。這個(gè)模型認(rèn)為原子是一個(gè)帶正電荷的球體，球體內(nèi)均勻分布著帶負(fù)電荷的電子，就像葡萄干嵌入布丁中一樣。盧瑟福的原子模型假設(shè)原子結(jié)構(gòu)原子中心存在一個(gè)帶正電的、質(zhì)量集中的小核，稱(chēng)為原子核。電子分布電子繞原子核運(yùn)動(dòng)，原子核與電子之間存在巨大的空隙。電荷平衡原子核的正電荷與電子所帶負(fù)電荷的絕對(duì)值相等，使得原子呈電中性。背散射實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)1放射源提供α粒子2金箔薄而均勻3探測(cè)器記錄α粒子散射角度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析結(jié)果1大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔，幾乎沒(méi)有改變方向。結(jié)果2一小部分α粒子發(fā)生輕微偏轉(zhuǎn)，改變了傳播方向。結(jié)果3極少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，甚至被反彈回來(lái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期的差異大多數(shù)粒子穿透金箔實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大多數(shù)阿爾法粒子穿透金箔，并沒(méi)有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這與湯姆孫模型的預(yù)言一致。少量粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)然而，一小部分阿爾法粒子發(fā)生了較大角度的偏轉(zhuǎn)，甚至出現(xiàn)了背散射現(xiàn)象，這與湯姆孫模型的預(yù)言相矛盾。湯姆孫模型無(wú)法解釋湯姆孫模型認(rèn)為原子是一個(gè)帶正電的球體，帶負(fù)電的電子均勻分布在球體中。該模型無(wú)法解釋為什么一小部分阿爾法粒子會(huì)發(fā)生較大角度的偏轉(zhuǎn)。原子核的發(fā)現(xiàn)背散射實(shí)驗(yàn)盧瑟福通過(guò)用α粒子轟擊金箔，觀察到少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，甚至被反彈回來(lái)。原子核存在實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)法用湯姆孫的原子模型解釋?zhuān)R瑟福推測(cè)原子中心存在一個(gè)帶正電的核，被稱(chēng)為原子核。原子核的結(jié)構(gòu)質(zhì)子帶正電荷的亞原子粒子，決定元素種類(lèi)。中子不帶電荷的亞原子粒子，影響原子核的穩(wěn)定性。原子核的大小10^-15米原子核的半徑約為10^-15米，比原子半徑小了約10萬(wàn)倍。10^5倍原子核的體積僅占原子體積的十萬(wàn)分之一。原子核的密度10^17高密度原子核的密度遠(yuǎn)大于原子本身，大約是水的密度的1017倍。10^-15尺寸原子核的尺寸約為10-15米，遠(yuǎn)小于原子本身。原子量的確定1相對(duì)原子質(zhì)量原子量是相對(duì)于碳-12原子質(zhì)量的相對(duì)質(zhì)量，用原子質(zhì)量單位（amu）表示。2計(jì)算方法原子量通常通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量，例如質(zhì)譜法，利用原子質(zhì)量與電荷比來(lái)確定。3影響因素原子核中質(zhì)子和中子的數(shù)量決定了原子的質(zhì)量，從而影響原子量。質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn)1919年，盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核，發(fā)現(xiàn)了一種新的粒子——質(zhì)子，它是原子核的組成部分，帶一個(gè)單位正電荷。1932年，查德威克用α粒子轟擊鈹核，發(fā)現(xiàn)了一種不帶電的粒子——中子，它也存在于原子核中，質(zhì)量略大于質(zhì)子。質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn)，揭示了原子核的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并為原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。核外電子的分布電子層電子在原子核外按照能量的不同，分布在不同的電子層上，每個(gè)電子層最多容納的電子數(shù)可以用公式2n^2計(jì)算。電子亞層每個(gè)電子層又可以細(xì)分為若干個(gè)亞層，每個(gè)亞層最多容納的電子數(shù)由其類(lèi)型決定。常見(jiàn)的亞層類(lèi)型包括s、p、d和f亞層。電子云電子在原子核外運(yùn)動(dòng)的軌跡無(wú)法確定，但可以通過(guò)電子云模型來(lái)描述電子在空間的概率分布。原子理論的發(fā)展1道爾頓原子模型1803年，道爾頓提出原子模型，認(rèn)為原子是不可分割的最小粒子，并解釋了化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)。2湯姆孫原子模型1897年，湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，并提出“棗糕模型”，認(rèn)為原子是一個(gè)帶正電的球體，上面鑲嵌著帶負(fù)電的電子。3盧瑟福原子模型1911年，盧瑟福通過(guò)α粒子散射實(shí)驗(yàn)推翻了湯姆孫模型，提出原子核式模型，認(rèn)為原子中心有一個(gè)帶正電的原子核，電子繞著原子核旋轉(zhuǎn)。4玻爾原子模型1913年，玻爾在盧瑟福模型的基礎(chǔ)上引入量子化概念，提出電子在原子核外只能在特定的能級(jí)上運(yùn)動(dòng)，并解釋了氫原子的光譜線(xiàn)。5現(xiàn)代原子模型20世紀(jì)30年代后，量子力學(xué)的發(fā)展導(dǎo)致了現(xiàn)代原子模型，該模型描述了電子在原子核外形成的電子云。原子粒子的分類(lèi)質(zhì)子帶正電荷的粒子，位于原子核內(nèi)，決定元素種類(lèi)。中子不帶電荷的粒子，位于原子核內(nèi)，影響原子核的穩(wěn)定性。電子帶負(fù)電荷的粒子，位于原子核外，參與化學(xué)反應(yīng)。原子結(jié)構(gòu)的描述原子結(jié)構(gòu)是描述原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成的一個(gè)模型，由原子核和核外電子構(gòu)成。原子核位于原子中心，包含質(zhì)子和中子，是原子的質(zhì)量中心。核外電子繞著原子核運(yùn)動(dòng)，并占據(jù)著不同的能級(jí)。原子結(jié)構(gòu)決定了物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)。量子論的引入1解決經(jīng)典物理無(wú)法解釋的現(xiàn)象例如黑體輻射、光電效應(yīng)等。2提出能量量子化概念能量以最小單位“量子”的形式存在，而不是連續(xù)變化的。3改變?nèi)藗儗?duì)物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)從宏觀世界到微觀世界，原子結(jié)構(gòu)和物質(zhì)性質(zhì)的本質(zhì)解釋發(fā)生了根本性變化。玻爾原子模型玻爾原子模型是丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾在1913年提出的一個(gè)原子模型，它結(jié)合了經(jīng)典物理學(xué)和量子力學(xué)的一些思想。模型假設(shè)電子只能在特定的軌道上運(yùn)動(dòng)，而這些軌道是離散的，并且電子在這些軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)不輻射能量。當(dāng)電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道時(shí)，會(huì)吸收或釋放特定能量的光子。量子力學(xué)方程方程描述薛定諤方程描述了粒子的波函數(shù)隨時(shí)間變化的方式。海森堡方程描述了量子算符隨時(shí)間變化的方式。海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理位置和動(dòng)量該原理表明，我們不可能同時(shí)精確地知道一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量。不確定性對(duì)其中一個(gè)量的測(cè)量越精確，對(duì)另一個(gè)量的測(cè)量就越不精確。量子性質(zhì)測(cè)不準(zhǔn)原理是量子力學(xué)的一個(gè)基本原理，它反映了微觀世界的本質(zhì)。波動(dòng)粒子二象性光具有波動(dòng)性，可以發(fā)生衍射和干涉現(xiàn)象。光具有粒子性，可以表現(xiàn)出光電效應(yīng)。電子也具有波動(dòng)性，可以發(fā)生衍射現(xiàn)象。電子云概念概率分布電子云描述了電子在原子核周?chē)\(yùn)動(dòng)的概率分布，而非確切位置。密度變化電子云的密度反映了電子在特定區(qū)域出現(xiàn)的概率，密度越高，概率越大。原子軌道與電子云1原子軌道描述原子中電子運(yùn)動(dòng)的區(qū)域。2電子云原子軌道空間內(nèi)電子出現(xiàn)概率的分布。3軌道形狀s軌道為球形，p軌道為啞鈴形。電子云分布與原子性質(zhì)電子云形狀電子云的形狀決定了原子的空間結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)。例如，s軌道呈球形，p軌道呈啞鈴形。電子云大小電子云的大小反映了電子在原子核周?chē)\(yùn)動(dòng)的范圍。電子云越小，電子越靠近原子核，原子半徑越小。電子云密度電子云密度越高，電子在該區(qū)域出現(xiàn)的概率越大。電子云密度與原子核的吸引力有關(guān)，影響著原子的化學(xué)性質(zhì)。原子結(jié)構(gòu)理論的應(yīng)用1化學(xué)反應(yīng)原子結(jié)構(gòu)理論解釋了化學(xué)鍵的形成，從而預(yù)測(cè)