第十四章 原子 原子核

第十四章 原子 原子核

第一节 原子

[知识要点]

（一）物质的组成

物质是由分子、原子组成的原子又由带正电的原子核和带负电的电子组成。 （二）电子的发现和汤姆孙的原子模型（西瓜模型）

19世纪末，英国物理学家汤姆孙研究伦琴发现的X射线，认为这种带负电的粒子是构成各种物质的共有成分，是原子的组成部分，人们把它叫做电子。

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电子电量 e=1.60219×10C

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电子质量 m=9.10953×10kg

20世纪初，汤姆孙提出原子模型：原子是一个直径约为10-10m的球体，正电荷均匀分布在整个球体中，带负电的电子就嵌在其中，如图14-1所示。

（三）a粒子散射实验和卢瑟福的原子核式结构模型（行星模型）

英国物理学家卢瑟福用a粒子轰击金箔的实验如图14-2所示，实验结果表明，绝大多数a粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进，但有少数发生了较大的偏转，并有极少数a粒子偏

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转超过90，有的甚至几乎达到180，被反弹回来，这就是a粒子散射现象。

卢瑟福在1911年提出原子的核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，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，如图14-3所示。

（四）玻尔的原子模型

1913年丹麦物理学家玻尔用普朗克提出的量子理论改造了卢瑟福的原子的核式结构模型，提出三条假设，从而建立了玻尔的原子模型，如图14-4所示。

三条假设：（1）原子只能处在一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然做加速运动，但并不对外辐射能量，这些状态就叫做定态。

（2）原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道半径绕核运动相对应。电子绕核运

动时，只有电子的动量和轨道半径的乘积等于h/2?的整数倍的那些轨道才是稳定的，即

mvr?nh （n=1,2,3,…） 2?式中 h——普朗克恒量； n——量子数。

（3）原子从能量Ei的定态跃迁到能是为Ef的定态时，它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量由两个定态的能量差决定，即

Hv=Ei-Ef

[疑难分析]

1.汤姆孙原子模型与卢瑟福原子模型的主要区别是什么？为什么说a粒子散射实验否定了汤姆孙的原子模型？

汤姆孙的原子模型认为带正电的物质均匀地分布在原子的球体内，而卢瑟福原子模型认为原子中的全部正电荷集中在原子中心的一个很小的原子核中；汤姆孙原子模型认为电子嵌在原子的球内，只能在自己的平衡位置附近振动，而卢瑟福原子模型认为电子在原子核外空间绕核旋转。

根据汤姆孙原子模型，正电荷在原子内是均匀分布的，电子的质量又很小，当a粒子穿过原子时，它受到两侧天电荷的斥力，有相当大的部分互相抵消，因而使a粒子的偏转的力不会很大。a粒子散射的实验结果是少数a粒子发生较大的偏转，并且有极少数a粒子的偏

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转超过90，有的甚至几乎达到180，这是汤姆孙模型所无法理解的。卢瑟福认为只有原子的几乎全部质量和正电荷都集中在原子中心的一个很小的区域，才有可能出现a粒子的大角度的散射如图14-5所示。

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2.根据a粒子散射实验，可以估计出原子核的直径约为10-10m。

若a粒子的动能是3.95MeV,若与金的原子核发生对心碰撞,问此a粒子最接近金核中心处的距离是多少？（a粒子带电量为2e，金的原子序数Z=79）

a粒子接近金原子核的过程中，由于受到库化斥力的作用，它的动能逐渐减少，变成了电势能，电势能逐渐增加。当a粒子接近金原子核的距离为d时，其动能全部转变为电势能。即 m余72m01t/Tm011Ze2KZe?()?()6Ek?Ep?K2e? 2222dd

2KZe22?9?109?79?(1.6?10?19)2?14所以 d???5.76?10(m) 6?19Ek3.95?10?1.6?10由此可知，金原子核的半径应小于5.76×10-14m。

[例题解析]

按卢瑟福的原子模型，氢原子的核外电子质量为m，电量为-e，作轨道半径为r的匀速圆周运动。求：

（1）电子运动的速率和动能； （2）电子绕核转动的频率

解：氢原子核对核外电子的库仑引力远大于它们之间的万有引力，万有引力不计。所以电子绕核转动的向心力是库仑引力。

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