原子原子核物理的发展精选PPT.ppt
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1、关于原子原子核物理的发展第1页,讲稿共87张,创作于星期日一一.原子模型的提出和发展原子模型的提出和发展 “原原子子”一一词词来来自自希希腊腊文文,含含义义是是“不不可可分分割割的的”。公公元元前前四四世世纪纪,古古希希腊腊哲哲学学家家德德谟谟克克利利特特(Democritus)Democritus)提提出出了了这这一一概概念念,并并把把它它当当作物质的最小单元。作物质的最小单元。1717世世纪纪,通通过过卡卡文文迪迪许许和和拉拉瓦瓦锡锡等等许许多多化化学学家家的的工工作作,发发现现了了水水可可分分解解为为氧氧和和氢氢两两种种元元素素;空空气气是是由由氧氧、氢氢和和氮氮等等元元素素混混合合而而
2、成成的的,燃燃烧烧只只不不过过是是元元素素和和氧氧起起激激烈烈反反应应等等等等。随随着着几几十十种种元元素素的的发发现现,英英国国化化学学家家道道尔尔顿顿提提出出了了新新的的原原子子学学说说。他他认认为为物物质质是是由由许许多多种种类类不不同同的的元元素素所所组组成成,元元素又由非常微小的,不可再分的、不能毁灭又不能创生的原子所组成。素又由非常微小的,不可再分的、不能毁灭又不能创生的原子所组成。第2页,讲稿共87张,创作于星期日 18071807年年,英英国国科科学学家家约约翰翰 道道尔尔顿顿(John John Dalton)Dalton)提提出出原原子子论论。他他认认为为原原子子类类似似于
3、于刚刚性性的的小小球球,它它们们是是物物质质世世界界的的基基本本结构单元,是不可分割的。结构单元,是不可分割的。道道尔尔顿顿用用他他的的学学说说说说明明了了化化学学中中的的物物质质不不灭灭定定律律等等。道道尔尔顿顿的的原原子子说说是是根根据据事事实实概概括括的的结结果果,能能够够用用来来研研究究和和发发现现新新的的现现象象,因因此此比比古古代代原原子子说说更更进进一一步。步。第3页,讲稿共87张,创作于星期日 1919世世纪纪后后半半期期,分分子子运运动动论论有有了了进进一一步步发发展展,人人们们逐逐步步建建立立起起近近代代的的原子分子学说。但是原子分子是否存在,一直没有用实验证实。原子分子学
4、说。但是原子分子是否存在,一直没有用实验证实。18971897年年汤汤姆姆逊逊发发现现了了电电子子,并并证证明明了了电电子子是是各各种种元元素素的的基基本本组组成成部部分分。19031903年年卢卢瑟瑟福福和和化化学学家家索索迪迪合合作作,通通过过实实验验发发现现了了一一种种物物质质可可以以变变成成另另一一种种物物质质,提提出出了了原原子子自自然然衰衰变变的的理理论论。这这些些事事实实打打破了道尔顿以来人们认为原子不可再分割的观念。破了道尔顿以来人们认为原子不可再分割的观念。19051905年年,爱爱因因斯斯坦坦用用分分子子运运动动论论的的观观点点从从理理论论上上解解释释布布朗朗运运动动获得成
5、功,他还提出了测定分子大小的新方法。获得成功,他还提出了测定分子大小的新方法。19081908年年,法法国国物物理理学学家家佩佩林林按按爱爱因因斯斯坦坦的的方方法法,用用实实验验测测定定了了分分子子的的大大小小,结结果果跟跟爱爱因因斯斯坦坦预预言言的的一一致致,终终于于在在科科学学界界确确认认了了现现代代分分子原子学说。子原子学说。第4页,讲稿共87张,创作于星期日 十十九九世世纪纪末末二二十十世世纪纪初初,一一些些实实验验现现象象相相继继发发现现,如如电电子子、X 射射线线和和放放射射性性元元素素的的发发现现表表明明原原子子是是可可以以分分割割的的,它它具具有有比比较较复复杂杂的的结结构构。
6、那那么么,原原子子是是怎怎样样组组成成的的?原原子子的的运运动规律如何?动规律如何?第5页,讲稿共87张,创作于星期日1898年,年,Thomson提出了提出了“布丁模型布丁模型”(也被称为也被称为“西瓜模型西瓜模型”)。第6页,讲稿共87张,创作于星期日19031903年年,德德国国物物理理学学家家林林纳纳德德(P.P.Lenard)Lenard)在在实验中发现实验中发现“原子内部是十分空虚的原子内部是十分空虚的”。P.Lenard(18621947),1905年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖得主。得主。在在P.P.LenardLenard的的基基础础上上,长长冈冈半半太太郎郎(Hantaro
7、Hantaro Nagaoka)Nagaoka)提提出出了了原原子子的的土土星星模模型型,认认为为原原子子内内的的正正电电荷荷集集中中于于中中心心,电电子子绕绕中中心心运运动动,但但他他没没有有深深入入下去。下去。长冈半太郎的土星模型长冈半太郎的土星模型第7页,讲稿共87张,创作于星期日长冈的土星模型长冈的土星模型Hantaro Nagaoka第8页,讲稿共87张,创作于星期日 1909年,英国物理学家卢瑟福(E.Rutherford)在他的学生盖革(H.Geiger)和马斯登(E.Marsden)的协助下,发现 粒子轰击原子时,大约每八千个 粒子中有一个被反射回来。汤姆逊模型无法对该实验结果
8、做出解释。卢瑟福根据实验结果于1911年提出了原子的“核式结构模型”(也被称为“卢瑟福行星模型”)E.Rutherford,1908年诺贝尔化学奖得主,外号:鳄鱼。原子核原子核电子电子卢瑟福原子卢瑟福原子模型模型第9页,讲稿共87张,创作于星期日卢卢瑟瑟福福的的“核核式式结结构构模模型型”可可以以解解释释 粒粒子子散散射射实实验验结结果果,因因此此比比汤姆逊模型更符合实际情况。汤姆逊模型更符合实际情况。第10页,讲稿共87张,创作于星期日第11页,讲稿共87张,创作于星期日卢瑟福手迹卢瑟福手迹第12页,讲稿共87张,创作于星期日卢卢瑟瑟福福的的“行行星星模模型型”的的虽虽然然可可以以解解释释
9、粒子散射实验结果,但该模型却粒子散射实验结果,但该模型却无法解释原子的稳定性无法解释原子的稳定性无法解释氢原子光谱的规律。无法解释氢原子光谱的规律。为为了了解解释释上上述述问问题题,卢卢瑟瑟福福的的一一个个学学生生丹丹麦麦物物理理学学家家尼尼尔尔斯斯 玻玻尔尔(Niles Niles Bohr)Bohr)在在卢卢瑟瑟福福的的“行行星星模模型型”的的基基础础之之上上于于19131913年提出了年提出了原子的量子理论,即原子的量子理论,即“玻尔模型玻尔模型”。+第13页,讲稿共87张,创作于星期日玻尔的原子模型玻尔的原子模型(Bohrs Atom)尼尔斯尼尔斯 玻尔玻尔(Niles Bohr),丹
10、麦人,二十世纪世界最伟大丹麦人,二十世纪世界最伟大的物理学家之一,量子理论的主要奠基人。的物理学家之一,量子理论的主要奠基人。1922年诺贝年诺贝尔物理奖得主。尔物理奖得主。第14页,讲稿共87张,创作于星期日 玻玻尔尔理理论论后后经经索索末末菲菲等等人人的的改改进进。索索末末菲菲从从实实验验事事实实出出发发,将将电电子子绕绕核核轨轨道道从从单单一一的的圆圆轨轨道道,推推广广到到椭椭圆圆轨轨道道。并并且且他他还还发发现现轨轨道道在在空空间间的的取取向向也也是是量量子子化化的的,从从而而引引入入了了主主量量子子数数、角角量量子子数数和和磁磁量量子子数数的的概概念念。19201920年年索索末末菲
11、菲又又引引入入了了第第四四个个量量子子数数。这这第第四四个个量量子子数数直直到到19251925年才被科学家弄清楚,原来是绕核旋转的电子的自旋量子数。年才被科学家弄清楚,原来是绕核旋转的电子的自旋量子数。19251925年年泡泡利利在在研研究究四四个个量量子子数数跟跟原原子子核核外外电电子子排排布布的的关关系系时时,发发现现了了泡泡利利不不相相容容原原理理:在在同同一一原原子子内内,在在一一个个原原子子中中不不可可能能有有两两个个或或两两个个以以上上的的电电子子具具有有完完全全相相同同的的四四个个量量子子数数(n,l,ml,ms)。利利用用玻玻尔尔、索索末末菲菲理理论论加加上上泡泡利利不不相相
12、容容原原理理可可以以成成功功地地解解释释核核外外电电子子的的排排布布。至此原子物理学完全建立了起来。至此原子物理学完全建立了起来。第15页,讲稿共87张,创作于星期日二二.原子核的放射性原子核的放射性 原原子子核核物物理理学学的的发发展展是是和和1919世世纪纪末末以以来来原原子子物物理理学学的的发发展展交交织织在在一一起起的的。自自18961896年年贝贝克克勒勒耳耳发发现现铀铀盐盐的的放放射射性性之之后后,一一些些科科学学家家着着手手寻寻找找其其他他新新的的放放射射性性元元素素。其其中中最最有有成成就就的的数数居居里里夫夫妇妇了了,通通过过他他俩俩的的艰艰苦苦努努力力,发发现现了了镭镭和和
13、钋钋。另另一一些些科科学学家家着着重重研研究究放放射射性性物物质质放放出出的的射射线线性性质质以以及及射射线线和和物物质质本本身身的的关关系系。研研究究工工作作也也取取得得了了累累累累硕硕果果。卢卢瑟瑟福福弄弄清清了了放放射射性性物物质质放放出出射射线线含含有有三三种种成成分分,即即射射线线、射射线线和和射射线线。并并弄弄清清了了射线带正电;射线带正电;射线带负电,射线带负电,射线不带电。射线不带电。第16页,讲稿共87张,创作于星期日18951895年年1111月月8 8日,德国物理学家伦琴日,德国物理学家伦琴(W.K.RW.K.Rntgen)ntgen)发现发现X X射线。射线。18961
14、896年年1 1月月2020日日,法法国国的的著著名名数数学学物物理理学学家家彭彭加加勒勒(J.J.H.H.Poincare)Poincare)在在法法国国科科学学院院的的会会议议上上介介绍绍了了X X射射线线的的发发现现情情况况。物物理理学学家家贝贝克克勒勒尔尔与与彭彭加加勒勒对对X X射射线线的的产产生生机机理理进进行了讨论。彭加勒猜测行了讨论。彭加勒猜测X X射线可能是伴随着荧光发出的。射线可能是伴随着荧光发出的。2.12.1、放射性的发现、放射性的发现第17页,讲稿共87张,创作于星期日 第第二二天天,H.H.BecquereBecquere就就开开始始对对X X射射线线与与荧荧光光的
15、的关关系系进进行行研研究究。18961896年年2 2月月2424日日他他在在一一篇篇报报告告中中描描述述到到:他他用用两两张张黑黑纸纸包包住住一一张张感感光光底底片片,在在黑黑纸纸上上放放一一块块铀铀盐盐板板,然然后后一一起起放放到到太太阳阳光光下下曝曝晒晒几几小小时时。显显影影之之后后,他他发发现现在在底底片片上上留留下下了了阴阴影影。这这似似乎乎“证证明明”了了彭加勒的猜测彭加勒的猜测 3 3月月2 2日日科科学学院院又又要要开开会会,贝贝克克勒勒尔尔想想在在会会上上报报告告自自己己的的研研究究工工作作,所所以以准准备备再再做做一一次次实实验验,但但2 2月月2626日日和和2727日日
16、巴巴黎黎是是阴阴天天,直直到到3 3月月1 1日日天天仍仍然然阴阴沉沉沉沉,太太阳阳始始终终没没露露面面。贝贝克克勒勒尔尔因因无无法法进进行行实实验验而而感感到到沮沮丧丧,但但没没想想到到却却因因祸祸得得福福,证证明明了了X X射射线线和和荧荧光光没关系。没关系。后后来来,贝贝克克勒勒尔尔研研究究了了不不同同状状态态下下的的铀铀盐盐,他他发发现现它它们们都都具具有有相相同同的的性性质质,它它们们发发出出的的是是一一种种不不同同于于荧荧光光和和X X射射线线的的新新射射线线。5 5月月1818日日,他他报报告告了他的研究结果。人们把他发现的射线称为了他的研究结果。人们把他发现的射线称为“铀射线铀
17、射线”。第18页,讲稿共87张,创作于星期日 贝克勒尔的发现由于居里夫妇的工作而得到了迅速的发展。贝克勒尔的发现由于居里夫妇的工作而得到了迅速的发展。18971897年年,居居里里夫夫人人选选择择放放射射性性作作为为自自己己的的博博士士论论文文题题目目。18981898年年,她她断断定定钍钍也也是是放放射射性性元元素素。居居里里夫夫人人相相信信,既既然然不不止止一一种种元元素素能能自自发发地地放放出出辐辐射射,肯肯定定它它具具有有普普遍遍性性。就就此此,她她提提出出了了具具有有普普遍遍意意义义的的“放放射射性性(Radioactivity)”Radioactivity)”这这个个崭崭新新的的概
18、念和术语。概念和术语。居居里里夫夫人人发发现现铀铀矿矿渣渣中中含含有有一一种种放放射射性性比比铀铀还还要要强强的的未未知知元元素素,18981898年年7 7月月居居里里夫夫人人从从沥沥青青铀铀矿矿中中提提取取出出了了一一种种新新的的放放射射性性元元素素,并并命命名名为为钋钋(Polonium)Polonium)。发发现现钋钋之之后后,居居里里夫夫妇妇开开始始了了科科学学史史上上最最艰艰难难、最最悲悲壮壮同同时时也也是是最最辉辉煌煌的的镭镭的的提提炼炼。苦苦战战四四年年之之后后,他他们们于于19021902年年从从数数吨吨矿矿渣渣中中提提炼炼出出了了0.10.1克克纯纯镭镭盐盐(氯氯化化镭镭)
19、,并测出了镭的原子量。,并测出了镭的原子量。第19页,讲稿共87张,创作于星期日19031903年,贝克勒尔、居里夫妇因放射性的研究被授予诺贝尔物理奖。年,贝克勒尔、居里夫妇因放射性的研究被授予诺贝尔物理奖。第20页,讲稿共87张,创作于星期日 居居里里夫夫人人,原原名名玛玛丽丽 斯斯可可罗罗多多 夫夫 斯斯 卡卡(Marie Marie Sklodowska)Sklodowska),18671867年年诞诞生生于于波波兰兰华华沙沙,19341934年年在在法法国国逝逝世世。曾曾获获19031903年年诺诺贝贝尔尔物物理理奖和奖和19111911年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。第第一一位位荣荣
20、获获诺诺贝贝尔尔奖奖的的女女科科学学家家;第第一一位位两两度度荣荣获获诺诺贝贝尔尔奖奖的的科科学学家家;迄迄今今为为止止,唯唯一一的的一一位位在在两两个个不不同同学学科科领领域域荣荣获获两两次次诺诺贝贝尔尔科科学学奖奖的的科科学学家家。她她和和丈丈夫夫是是第第一一对共同荣获诺贝尔奖的夫妻。对共同荣获诺贝尔奖的夫妻。她她还还是是一一位位伟伟大大的的母母亲亲,两两个个女女儿儿在在她她的的培培养养教教育育下都学有所成。下都学有所成。第21页,讲稿共87张,创作于星期日第22页,讲稿共87张,创作于星期日第23页,讲稿共87张,创作于星期日2.2 2.2、和和射线的研究射线的研究 18981898年年
21、,卢卢瑟瑟福福在在实实验验中中发发现现“铀铀射射线线”的的成成份份是是复复杂杂的的,其其中中至至少少包包含含两两种种不不同同的的辐辐射射,一一种种非非常常容容易易被被吸吸收收,他他称称之之为为射射线线;另另一一种种具具有较强的贯穿本领,称之为有较强的贯穿本领,称之为射线。他的这一成果发表于射线。他的这一成果发表于18991899年。年。1900 1900年,贝克勒尔通过实验确定年,贝克勒尔通过实验确定射线就是高速电子。射线就是高速电子。射射线线是是由由法法国国物物理理学学家家维维拉拉德德(Paul Paul Villard)Villard)于于19001900年年发发现现的的,后来被证实为一种
22、高频电磁辐射。后来被证实为一种高频电磁辐射。19031903年年,卢卢瑟瑟福福利利用用自自制制仪仪器器发发现现射射线线在在磁磁场场作作用用下下发发生生偏偏转转,并并从从方方向向上上断断定定射射线线粒粒子子带带正正电电。19091909年年,卢卢瑟瑟福福以以巧巧妙妙的的方方法法从从光谱上判断出光谱上判断出粒子就是氦原子核。粒子就是氦原子核。第24页,讲稿共87张,创作于星期日 19131913年年索索迪迪正正确确地地归归纳纳出出放放射射性性物物质质衰衰变变时时的的位位移移法法则则:放放出出射射线线时时,生生成成的的元元素素在在周周期期表表里里原原子子序序数数减减少少2 2。放放出出射射线线时时,
23、原原子子序序数数增增加加1 1。同同年年,英英国国物物理理学学家家莫莫塞塞莱莱通通过过对对各各种种元元素素X X射射线线特特征征谱谱的的研研究究,指指出出原原子子序序数数就就是是原原子子核核所所带带正正电电荷荷数数,这这一一发发现现对对元元素素周周期期表表构构造造理理论论的的发发展展起了相当大的推动作用。起了相当大的推动作用。H.Moseley(1887-1915)第25页,讲稿共87张,创作于星期日三三.几个著名的核反应几个著名的核反应 19021902年年,卢卢瑟瑟福福和和化化学学家家索索迪迪(F.F.Soddy)Soddy)合合作作,大大胆胆地地提提出出原原子子嬗嬗变变(atom ato
24、m transmutation)transmutation)假假说说。该该假假说说认认为为放放射射性性物物质质是是由由一一些些不不稳稳定定的的原原子子组组成成的的,每每单单位位时时间间都都有有确确定定的的一一部部分分原原子子通通过过发发射射(、和和)射射线线而而蜕蜕变变成成其其它它元元素素;也也就就是是说说,元元素素也也有有一一个个“进进化化”过过程。程。原原子子嬗嬗变变理理论论打打破破了了“原原子子是是不不可可分分割割的的”哲哲学学和和化化学学思思想想,确确立立了元素之间可以转换的观念。了元素之间可以转换的观念。在在此此之之前前,原原子子转转变变的的现现象象仅仅限限于于天天然然范范围围。人人
25、们们自自然然会会问问,是是否否有有可可能能用用人人工工的的方方法法进进行行原原子子转转变变,以以实实现现自自古古以以来来人人类类幻幻想想的的“点点石石成成金金”呢?呢?第26页,讲稿共87张,创作于星期日3.13.1 历史上第一个人工核反应历史上第一个人工核反应(导致质子的发现导致质子的发现)19191919年年,卢卢瑟瑟福福继继承承了了他他的的老老师师汤汤姆姆逊逊的的剑剑桥桥大大学学卡卡文文迪迪许许实实验验室室主主任任的的职职务务。同同年年他他采采用用如如下下装装置置利利用用212212PoPo放放出出的的粒粒子子去去轰轰击击N N原子,实现了历史上第一个人工核反应。原子,实现了历史上第一个
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