《原子物理习题》课件.ppt

1、原子物理电子课件原子物理电子课件本章知识要点回顾本章知识要点回顾2.卢瑟福核式模型卢瑟福核式模型的成功和困难告诉我们的成功和困难告诉我们:一个一个模型的成功在于它能用一种模型的成功在于它能用一种比较直观的图像比较直观的图像,抓住研究问题的主要矛盾抓住研究问题的主要矛盾,所得到的结果与实验所得到的结果与实验相符相符,模型的这种特点也预示它必然有其模型的这种特点也预示它必然有其局限性局限性,甚至会带来新的难以解决的困难甚至会带来新的难以解决的困难,从而迎来新的从而迎来新的物理学革命物理学革命.1.电子的发现电子的发现不仅打破了原子不可分的经典不仅打破了原子不可分的经典物质观物质观,为打开微观世界研

2、究的大门作出了重为打开微观世界研究的大门作出了重大贡献大贡献,而且对物理学的发展产生重要影响而且对物理学的发展产生重要影响.1$卢瑟福的核式结构的意义和困难卢瑟福的核式结构的意义和困难:意义意义:提出核式结构提出核式结构;提供以散射作为研究物质结构的提供以散射作为研究物质结构的方法方法;可作为材料分析的手段可作为材料分析的手段;困难困难:无法解释原子的稳定性、同一性、再生性无法解释原子的稳定性、同一性、再生性.#.1897年汤姆孙通过阴极射线管确认电子的存在年汤姆孙通过阴极射线管确认电子的存在,并测得并测得e/m,由此提出由此提出“葡萄干面包葡萄干面包”模型模型;$.1910年密立根通过著名的

3、年密立根通过著名的“油滴实验油滴实验”测测得电子的电荷得电子的电荷,并提出电荷量子化并提出电荷量子化;#1911年卢瑟福提出年卢瑟福提出“核式结构模型核式结构模型”,并被盖并被盖革和马斯顿的革和马斯顿的 散射实验做验证散射实验做验证;2基本常数或者数据基本常数或者数据:电子电量电子电量:电子质量电子质量:质子质量质子质量:原子单位原子单位:原子大小量级：原子大小量级：191.6 10eC 319.11 10emkg 271.6726 10pmkg 2711.66 10ukg 1010m 库仑散射公式库仑散射公式:202,224aZebctgaE 其其中中为为库库伦伦散散射射因因子子fmMeVn

4、meVe44.144.1402阿伏伽德罗常数阿伏伽德罗常数 NA=6.022 1023mol-13卢瑟福散射公式卢瑟福散射公式:微分散射截面表示微分散射截面表示单位面积单位面积内垂直入射内垂直入射一个一个 粒子被粒子被一个原子核一个原子核散射到散射到 角方向角方向单位立体角单位立体角内的概率内的概率.24()()16sin2cddNadNntd 散射粒子数入射粒子数单位面积的靶原子数测量所取的立体角截面单位截面单位:靶靶(b)和毫靶和毫靶(mb),也可用平方米或平方厘米也可用平方米或平方厘米.1b=103mb=10-24cm2=10-28m24原子核大小：原子核大小：2024mZeraE入射到

5、靶核上的粒子被散射到入射到靶核上的粒子被散射到 方向方向d 立体角内的立体角内的概率概率dntntdddNdNc)()(5课堂习题课堂习题一、选择题一、选择题:2如果用相同动如果用相同动量量的质子和氘核同金箔产生散射的质子和氘核同金箔产生散射,那么用质那么用质子作为入射粒子测得的金原子半径上限是用氘核子作为入射子作为入射粒子测得的金原子半径上限是用氘核子作为入射粒子测得的金原子半径上限的几倍？粒子测得的金原子半径上限的几倍？A.2 B.1/2 C.1 D.4C1.1.分别用分别用MeV的质子和氘核（所带电荷与质子相同，但的质子和氘核（所带电荷与质子相同，但质量是质子的两倍）射向金箔，它们与金箔

6、原子核可能达质量是质子的两倍）射向金箔，它们与金箔原子核可能达到的最小距离之比为：到的最小距离之比为：.1/4;.1/2;.;.B63 3.一强度为一强度为I的的 粒子束垂直射向一金箔，并为该金箔所散射。粒子束垂直射向一金箔，并为该金箔所散射。若若=90对应的瞄准距离为对应的瞄准距离为b，则这种能量的，则这种能量的 粒子与金核可粒子与金核可能达到的最短距离为：能达到的最短距离为：A.b;B.2b;C.4b;D.0.5b。B4 4.在同一在同一 粒子源和散射靶的条件下观察到粒子被散射在粒子源和散射靶的条件下观察到粒子被散射在90和和60角方向上单位立体角内的粒子数之比为：角方向上单位立体角内的粒

7、子数之比为：A4：1 B.1：2 C.1：4 D 1：8C75.在进行卢瑟福理论实验验证时，发现小角度散射与理论不在进行卢瑟福理论实验验证时，发现小角度散射与理论不符，这说明：符，这说明：A.原子不一定存在核式结构原子不一定存在核式结构;B.散射物太厚散射物太厚;C.卢瑟福理论是错误的卢瑟福理论是错误的;D.小角散射时小角散射时,一次散射理论不适一次散射理论不适用用。6.6.原子核式结构模型的提出是根据原子核式结构模型的提出是根据 粒子散射实验中粒子散射实验中 A.绝大多数绝大多数 粒子散射角接近粒子散射角接近180;B.粒子只偏粒子只偏23度度.C.以小角散射为主也存在大角散射以小角散射为主

8、也存在大角散射,D.以大角散射为主也存在小角散射以大角散射为主也存在小角散射.DC87.7.卢瑟福由卢瑟福由 粒子散射实验得出原子核式结构模型时，粒子散射实验得出原子核式结构模型时，所依据的理论基础是：所依据的理论基础是：A.普朗克能量子假设普朗克能量子假设;B.爱因斯坦的光量子假设爱因斯坦的光量子假设;C.狭义相对论狭义相对论;D.经典理论。经典理论。8.8.盖革和马斯登使能量为盖革和马斯登使能量为5MeV的的 粒子束垂直射至厚粒子束垂直射至厚度为度为1 m的金箔（的金箔（Z=79），已知金），已知金 箔的数密度为箔的数密度为5.9 1022cm-3,他们测得散射角大于他们测得散射角大于90

9、的概率为：的概率为：A.10-2;B.10-4;C.10-6;D.10-10。BD99.9.密立根是通过以下方法来测定电子电荷的：密立根是通过以下方法来测定电子电荷的：A.测量电子束在电场和磁场中的偏转测量电子束在电场和磁场中的偏转;B.利用威尔逊云室利用威尔逊云室,测定过饱和蒸汽雾滴的数目和总电量测定过饱和蒸汽雾滴的数目和总电量;C.测量极小带电油滴在重力、空气浮力和阻力以及已知电测量极小带电油滴在重力、空气浮力和阻力以及已知电场作用下运动时的收尾速率场作用下运动时的收尾速率;D.采用电解方法测量电解一定量物质所需要的电量采用电解方法测量电解一定量物质所需要的电量C 1010卢瑟福的卢瑟福的

10、 粒子散射实验说明了：粒子散射实验说明了：（A）能级的存在；能级的存在；（B）原子核的存在；原子核的存在；（C）核自旋的存在；核自旋的存在；(D)电子的存在。电子的存在。B 10二、二、填空题填空题:1在在 粒子散射实验中粒子散射实验中,粒子大角散射的结果说明了粒子大角散射的结果说明了_ 否定了汤姆孙原子模型，支持卢瑟福建立了原子的核式结构模型。否定了汤姆孙原子模型，支持卢瑟福建立了原子的核式结构模型。2.2.氢原子的质量约为氢原子的质量约为_ MeV/c23.3.原子核式结构模型的提出是根据原子核式结构模型的提出是根据 粒子散粒子散射实验中射实验中 粒子的粒子的_。大角散射大角散射 4.一原

11、子质量单位定义为一原子质量单位定义为 原子质量原子质量的的 。C1/12938938115 5.1911年卢瑟福根据年卢瑟福根据 粒子在原子内的粒子在原子内的_散射现象，而提出了原子的散射现象，而提出了原子的 _ _ 结构模型。结构模型。6.6.在认识原子结构，建立原子的核式模型的进程中，在认识原子结构，建立原子的核式模型的进程中，_ 实验起了重大作用。实验起了重大作用。大角度大角度核式核式 粒子散射粒子散射12 卢瑟福的原子核式结构模型卢瑟福的原子核式结构模型:在原子的中心有在原子的中心有一个原子核一个原子核,它集中了原子的几乎所有质量和全它集中了原子的几乎所有质量和全部的正电荷部的正电荷,

12、电子绕着原子核旋转电子绕着原子核旋转.简答题简答题:1简述卢瑟福原子有核模型的要点简述卢瑟福原子有核模型的要点.13计算题计算题:1.试问试问4.0MeV的的 粒子与金核（粒子与金核（Z=79）对心碰撞时）对心碰撞时的最小距离是多少的最小距离是多少？fmfmMeVMeVeEZEZearm88.5644.10.47924242020214fmctgMeVMeVfmctgEZectgEZectgabkk8.224557944.124242212202022 2.动能为动能为5.00MeV5.00MeV的的 粒子被金核以粒子被金核以90 散射时，它的瞄准散射时，它的瞄准距离（碰撞参数）为多大？若金箔

13、厚距离（碰撞参数）为多大？若金箔厚1.0 m，则入射，则入射 粒子粒子以大于以大于90 散射（称为背散射）的粒子数是全部入射粒子散射（称为背散射）的粒子数是全部入射粒子的百分之几？（已知：金原子的原子序数为的百分之几？（已知：金原子的原子序数为Z=79,原子量原子量为为A=197；密度为；密度为.解解:(1)直接根据库仑散射公式可得直接根据库仑散射公式可得15datMNNdNntNAcsin22sin162422(2)方法一方法一:若有若有N个个 粒子打到金箔上粒子打到金箔上,在在d 方向上测方向上测得的粒子数为得的粒子数为dN=Nnt cd 已知金的摩尔质量为已知金的摩尔质量为M=197g/

14、mol,金的密度为金的密度为=18.88g/cm3,则原子核的数密度则原子核的数密度n=NA/Vm=NA/(M/)=NA/M 粒子束以大于粒子束以大于90散射的粒子数为散射的粒子数为16大于大于90散射的粒子数与全部入射粒子的比为散射的粒子数与全部入射粒子的比为5222232242104.9)2sin14sin1(42sin)2(sin24sin22sin16atMNdatMNdatMNNNAAA17522104.9btMNbntNNA方法二：方法二：根据碰撞参数根据碰撞参数b与散射角的关系与散射角的关系,可知当可知当 90时时,b()b(90),即对于每个靶核即对于每个靶核,散射角大于散射角

15、大于90的入射粒子位于的入射粒子位于b()b(90)的圆盘截面内的圆盘截面内,该截该截面面积为面面积为 c=b2(90),则则 粒子束以大于粒子束以大于90散射的散射的粒子数为粒子数为N=Nnt b2大于大于90散射的粒子数与全部粒子数之比为散射的粒子数与全部粒子数之比为183 3.试问：试问：4.5MeV的的 粒子与金核对心碰撞时的最小粒子与金核对心碰撞时的最小距离是多少？若把金核改为距离是多少？若把金核改为7Li核，则结果如何？核，则结果如何？（已知：金原子的原子序数为（已知：金原子的原子序数为Z=79）解解:(1)直接根据书中的公式直接根据书中的公式(4-2)可得可得fmfmMeVMeV

16、eEZEZearm6.5044.15.479242420202(2)若改为若改为7Li核核,靶核的质量靶核的质量m不再远大于入射粒子质不再远大于入射粒子质量量m,这时动能要用质心系的能量这时动能要用质心系的能量Ec.kkLiHeLikcEEAAAEmmmvmmmmvmE117212122fmfmMeVMeVeEZEZearcc0.344.11175.43242420202min19MeVfmMeVfmrZeEmk25.160.77944.14024 4.假定金核半径为假定金核半径为7.0fm7.0fm试问试问：（：（1）入射质子需要入射质子需要多少能量，才能在对头碰撞时刚好到达金核的表面多少能

17、量，才能在对头碰撞时刚好到达金核的表面（已知金原子的原子序数为（已知金原子的原子序数为Z=79）？）？(2)若金核改为若金核改为铝核，使质子在对头碰撞时刚好到达铝核的表面，那铝核，使质子在对头碰撞时刚好到达铝核的表面，那么，入射质子的能量应为多少？设铝核半径为么，入射质子的能量应为多少？设铝核半径为4.0fm解：解：(1)质子与金核对头碰撞时的最小距离为质子与金核对头碰撞时的最小距离为kmEZear024所以入射质子需要的能量为所以入射质子需要的能量为注意注意:对于质子入射对于质子入射,与与 粒子相比粒子相比,原子序数为原子序数为120(2)若改为铝核若改为铝核,靶核的质量不再远大于入射粒子的

18、质量靶核的质量不再远大于入射粒子的质量,这时需用质心系的能量这时需用质心系的能量Ec,质子和铝核对头碰撞时的质子和铝核对头碰撞时的最小距离为最小距离为cmEZear024kcEmmmvmmmmvmE212122所以入射质子需要的能量为所以入射质子需要的能量为MeVfmMeVfmrZemmEmmEmck2.90.41344.1)28271(4)1()1(02213)290cot260cot(20021NN5 5.一束一束 粒子垂直射至一重金属箔上，试求粒子被金粒子垂直射至一重金属箔上，试求粒子被金属箔散射后，散射角大于属箔散射后，散射角大于60 的粒子数与散射角大于的粒子数与散射角大于90 的粒

19、子数之比的粒子数之比.解解:对于每个靶核对于每个靶核,散射角大于散射角大于 角的入射粒子位于角的入射粒子位于bb()的圆盘截面内的圆盘截面内,该截面面积为该截面面积为 C=b2(),则则 粒子束大于粒子束大于 角散射的粒子数为角散射的粒子数为 N=Nnt b2().(式中式中b=a*ctg(/2)/2)则散射角大于则散射角大于60的的 粒子粒子数与散射角大于数与散射角大于90的粒子数之比为的粒子数之比为2222304224220242220601084.130sin1)3.54792()44.1(2sin1)42()4(2sin1)42()41()(.cmMeVnmeVEZeEZedd6.设设

20、 粒子是钋源放射的粒子是钋源放射的,能量为能量为5.3MeV,散射体为金箔散射体为金箔,厚度为厚度为1 m,密度为密度为=1.93 104kg/m3,Z=79,A=197,试试求求:(1)粒子通过金箔在粒子通过金箔在60角方向的卢瑟福微分散射角方向的卢瑟福微分散射截面截面;(2)散射角大于散射角大于90的所有的所有 粒子占全部入射粒子粒子占全部入射粒子的百分比的百分比解解:(1)由卢瑟福散射公式可得由卢瑟福散射公式可得2352422422105.82sin16sin22sin16dantdantNdN(2)由卢瑟福散射公式得散射角大于由卢瑟福散射公式得散射角大于90度的所有粒子度的所有粒子占全部入射粒子的百分比占全部入射粒子的百分比24