原子化學(xué)學(xué)是數(shù)學(xué)學(xué)專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程。它上承精典數(shù)學(xué)，下接量子熱學(xué)，屬于近代數(shù)學(xué)的范在內(nèi)容體系的描述上，原子化學(xué)學(xué)采用了普通化學(xué)的描述風(fēng)格，述說量子化學(xué)的基本概念和數(shù)學(xué)圖像，以及支配物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和變化的基本互相作用，并在此基礎(chǔ)上，借助量子力學(xué)的思想和推論，討論物質(zhì)結(jié)構(gòu)在原子、原子核以及基本粒子等結(jié)構(gòu)層次的性質(zhì)、特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。第1章原子的基本狀況原子化學(xué)課程分為三個(gè)層次：第一是成熟、已有定論的基本內(nèi)容，要求中學(xué)生把握并能運(yùn)用；第二是目前已取得最新研究成果，要求中學(xué)生把握其化學(xué)概念和數(shù)學(xué)圖像；第三對(duì)于前沿研究課題內(nèi)容，要求中學(xué)生了解其研究方向。在內(nèi)容上，它由原子化學(xué)和原子核兩部份組成。主要講授：總論、原子的基本狀況、原子的基態(tài)和幅射、量子熱學(xué)初步、堿金屬原子、多電子原子、磁場中的原子、原子的殼層結(jié)構(gòu)、X射線、原子核等九章內(nèi)容。第1章原子的基本狀況通過原子化學(xué)學(xué)課的學(xué)習(xí)，除了要把握原子世界的基本規(guī)律，培養(yǎng)良好的自學(xué)能力和科研素養(yǎng)，還要學(xué)習(xí)化學(xué)學(xué)家們那個(gè)創(chuàng)造性研究問題的思想和方式，進(jìn)而培養(yǎng)自己的創(chuàng)新能力。原子化學(xué)學(xué)的研究對(duì)象是電子、原子核、基本粒子。課程內(nèi)容具象無趣。為了幫助中學(xué)生構(gòu)建清晰的化學(xué)圖象，樹立鮮明的化學(xué)思想，在講授中我們充分發(fā)揮多媒體技術(shù)的優(yōu)勢，重現(xiàn)原子化學(xué)學(xué)重大發(fā)覺的化學(xué)過程，避免量子熱學(xué)復(fù)雜的物理估算，注重闡明基本概念和基本規(guī)律，構(gòu)建具體的數(shù)學(xué)模型，引導(dǎo)中學(xué)生主動(dòng)掌握所研究的對(duì)象，學(xué)會(huì)化學(xué)學(xué)的研究方式和研究思想，養(yǎng)成良好的自學(xué)習(xí)慣。
第1章原子的基本狀況研究對(duì)象原子化學(xué)學(xué)屬近代化學(xué)學(xué)課程，它是研究物質(zhì)在原子層次內(nèi)由哪些組成，它們怎樣作用，發(fā)生哪些樣的運(yùn)動(dòng)形態(tài)的理論。即主要研究原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)及有關(guān)問題。它是關(guān)于物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的一門科學(xué)。研究內(nèi)容由原子化學(xué)和原子核兩部份組成。原子化學(xué)部份從原子波譜入手，研究價(jià)電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；從元素周期律和X射線入手研究外層電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和排原子核部份主要研究核的整體性質(zhì)、核力、核模型、核衰變、核反應(yīng)、核能的開發(fā)和借助、以及基本粒子的一些知識(shí)。第1章原子的基本狀況研究方式：從波譜及實(shí)驗(yàn)資料入手，提出假定，建立模型，之后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后產(chǎn)生理論。正如恩格斯所說：“只要自然科學(xué)在思維著，它的發(fā)展方式就是假說。”原子化學(xué)學(xué)的發(fā)展歷史1.唐代的原子論：中國唐代的原子論（墨子-“端”）古埃及的原子論（德漠克利特）量子熱學(xué)和現(xiàn)代原子化學(xué)學(xué)（薛定諤、狄拉克）第1章原子的基本狀況原子化學(xué)學(xué)的地位、作用和研究前景1.原子化學(xué)學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用2.原子化學(xué)學(xué)在宇觀研究領(lǐng)域中應(yīng)用：星際分子、宇宙起源等3.原子化學(xué)學(xué)在激光技術(shù)及光電子研究領(lǐng)域的應(yīng)用4.原子化學(xué)學(xué)在生命科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用5.原子化學(xué)學(xué)物理研究領(lǐng)域的應(yīng)用學(xué)習(xí)原子化學(xué)學(xué)應(yīng)注意的問題1.實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)2.科學(xué)是逐漸地不斷地發(fā)展的3.對(duì)微觀體系不能要求都按宏觀規(guī)律來描述4.要擅于觀察、善于學(xué)習(xí)、善于動(dòng)腦、開拓進(jìn)取，不斷創(chuàng)新內(nèi)容：內(nèi)容：1、湯姆遜原子結(jié)構(gòu)模型2、原子的核式結(jié)構(gòu)3、盧瑟福散射理論4、原子的組成和大小5、盧瑟福核式結(jié)構(gòu)的意義和困難重點(diǎn)：重點(diǎn)：原子的核式結(jié)構(gòu)、盧瑟福散射理論第1章原子的基本狀況1.1背景知識(shí)1、原子“原子”一詞來自意大利文，意思是“不可分割的”。
在公元前4世紀(jì)，古埃及哲學(xué)家德漠克利特()提出這一概念，并把它看作物質(zhì)的最小單元。在十九世紀(jì)，人們在大量的實(shí)驗(yàn)中認(rèn)識(shí)了一些定理，如：定比定理：元素按一定的物質(zhì)比互相化合。倍比定理：若兩種元素能生成幾種化合物，則在這種化合物中，與一定質(zhì)量的甲元素化合的乙元素的質(zhì)量，互成簡單整數(shù)比。在此基礎(chǔ)上，1893年道爾頓（J.）提出了他的原子學(xué)說，他覺得1.一定質(zhì)量的某種元素，由極大數(shù)量的該元素的原子所構(gòu)成；2.每種元素的原子，都具有相同的質(zhì)量，不同元素的原子，質(zhì)量也不相同；3.兩種可以化合的元素，它們的原子可能按幾種不同的百分比化合成幾種化合物的分子。第1章原子的基本狀況按照道爾頓的原子學(xué)說，可以對(duì)簡單的無機(jī)物理中的化合物的生成給與定量的解釋，反過來，許多實(shí)驗(yàn)也否認(rèn)了原子學(xué)說；而且人們發(fā)覺氣態(tài)物質(zhì)參與的物理反應(yīng)時(shí)的元素的重量與體積也遵守上述規(guī)律。蓋呂薩克定理告訴我們，同溫同壓下，在每一種生成或分解的二氧化碳中，組分和化合物二氧化碳的容積彼此之間具有簡單的整數(shù)比，與前述規(guī)律進(jìn)行對(duì)比，我們可以得到這樣的推論：二氧化碳的容積與其中所含的粒子數(shù)量有關(guān)。阿伏伽德羅定理告訴我們，同溫同壓下，相同容積的不同二氧化碳富含相等數(shù)量的分子。
當(dāng)原子學(xué)說漸漸被人們接受之后，人們又面臨著新的問題：原子有多大？原子的內(nèi)部有哪些？原子是最小的粒子嗎？........第1章原子的基本狀況10假定某固體元素的原子是球形的，直徑為r米，原子之間是緊密地堆積在一起的。該元素的原子量為A，這么1mol該原子的質(zhì)量為A原子物理學(xué)題庫及答案，若這些原子的質(zhì)量密度為依此可以算出不同原子的直徑，如下表所示：原子大小的線度在10-10m=1=0.1nm數(shù)目級(jí)。一個(gè)原子的容積為第1章原子的基本狀況年，阿伏伽德羅（A.）定理問世，提出1mol任何原子的數(shù)量都是1874年，斯迪尼（G.T.）綜合上述兩個(gè)定理，強(qiáng)調(diào)原子所帶電荷為一個(gè)電荷的整數(shù)倍，并用“電子”來命名這個(gè)電荷的最小單位。但實(shí)際上確認(rèn)電子的存在，卻是20多年后湯姆遜（J.J.）的工作；1897年，湯姆遜（J.J.）發(fā)覺電子：通過陰極射線管中電子荷質(zhì)比的檢測，湯姆遜（J.J.）預(yù)言了電子的存在。2、電子電子的發(fā)覺并不是碰巧的，在此之前已有豐富的積累。1833年，法拉第（M.）提出電解定理，1mol任何原子的均價(jià)離子永遠(yuǎn)帶有相同的電量-即法拉第常數(shù)，第1章原子的基本狀況年，J.J湯姆遜通過陰極射線管的實(shí)驗(yàn)發(fā)覺了電子，并進(jìn)一步測出了電子的湯姆遜被譽(yù)為:“一位最先打開通向基本粒子化學(xué)學(xué)房門的偉人.”湯姆遜正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)第1章原子的基本狀況13陰極射線實(shí)驗(yàn)裝置示意圖陰極射線：抽去密封玻璃管里的空氣，裝上兩個(gè)金屬電極，外加高電流都會(huì)形成低壓放電，即二氧化碳導(dǎo)電現(xiàn)象，放電管對(duì)著陰極管壁上發(fā)生的幅射。
第1章原子的基本狀況14陰極射線實(shí)驗(yàn)裝置示意圖qE微粒的荷質(zhì)比為氫離子荷質(zhì)比的千倍以上陰極射線質(zhì)量只有氫原子質(zhì)量的千分之一還不到電子加電場E后，射線偏轉(zhuǎn)，求出荷質(zhì)比。第1章原子的基本狀況15電子電荷的精確測定是在1910年由R.A.密立根（）做出的，即知名的“油滴實(shí)驗(yàn)”。e=1.-19m=9.-31kg。質(zhì)量最輕的氫原子：1.67310-27kg原子質(zhì)量的數(shù)目級(jí)：10-27kg——10-25kg原子的直徑－10-1０m（0.1nm）第1章原子的基本狀況16盧瑟福1871年8月30日生于法國的納爾遜，結(jié)業(yè)于美國學(xué)院和劍橋?qū)W院。1898年到日本任馬克歧爾學(xué)院化學(xué)學(xué)教授，達(dá)9年之久，這期間他在放射性方面的研究，貢獻(xiàn)極多。1907年，任伯明翰學(xué)院化學(xué)學(xué)院士。1908年因?qū)Ψ派湮锢淼难芯繕s獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。1919年任劍橋?qū)W院院長，并任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室處長。1931年英王授予他侯爵的桂冠。1937年10月19日去世。1.2原子的核式結(jié)構(gòu)第1章原子的基本狀況171903年美國科學(xué)家湯姆遜提出“葡萄干面包”式原子模型或稱為“西瓜”模型，覺得原子中正電荷均勻分布在原子圓球內(nèi)，電子鑲嵌在其中。
原子就像獼猴桃，瓜瓤好比正電荷原子物理學(xué)題庫及答案，電子就像花生分布在其中。11、、湯姆遜原子模型湯姆遜原子模型同時(shí)該模型還進(jìn)一步假設(shè)，電子分布在分離的同心環(huán)上，每位環(huán)上的電子容量都不相同，電子在各自的平衡位置附近做微震動(dòng)。因此可以發(fā)出不同頻度的光，但是各層電子繞球心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也會(huì)發(fā)光。這對(duì)于解釋當(dāng)時(shí)已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、元素的周期性以及原子的線波譜，雖然是成功的。第1章原子的基本狀況18俯瞰圖。R:放射源；F:散射箔；S:閃動(dòng)屏；B:金屬匣粒子：放射性元素發(fā)射出的高速帶電粒子，其速率約為光速的非常之一，帶+2e的電荷，質(zhì)量約為4M散射：一個(gè)運(yùn)動(dòng)粒子遭到另一個(gè)粒子的作用而改變原來的運(yùn)動(dòng)方向的現(xiàn)象。粒子遭到散射時(shí)，它的出射方向與原入射方向之間的傾角稱作散射角。22、、粒子散射實(shí)驗(yàn)粒子散射實(shí)驗(yàn)α粒子散射實(shí)驗(yàn)是盧斯福于1911年設(shè)計(jì)的，后來依據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，盧斯福否定了湯姆遜模型并提出了原子的核式模型第1章原子的基本狀況19實(shí)驗(yàn)結(jié)果：大多數(shù)散射角很小，約1/8000散射小于90；極某些的散射角等于180。俯瞰圖。R:放射源；F:散射箔；S:閃動(dòng)屏；B:金屬匣實(shí)驗(yàn)裝置如上圖所示。
放射源R中發(fā)出一細(xì)束α粒子，直射到金屬箔上之后，因?yàn)楦鳓亮Ｗ铀芙饘俨性拥淖饔貌煌匝刂煌姆较蛏⑸洹Ｎ灩馄罶及放大鏡M可以順著以F為中心的圓弧聯(lián)通。當(dāng)S和M對(duì)準(zhǔn)某一方向上,通過F而在這個(gè)方向散射的α粒子就射到S上而形成閃光，用放大鏡M觀察閃光，才能記錄下單位時(shí)間內(nèi)在這個(gè)方向散射的α粒子數(shù)。因而可以研究α粒子通過金屬箔后按不同的散射角θ的分布情況。這是我一生中未曾有過的最無法置信的風(fēng)波，它的無法置信好比你對(duì)一張白紙射出一發(fā)15英寸的子彈，結(jié)果卻被頂了回去打在自己頭上－盧瑟福的話粒子散射實(shí)驗(yàn)粒子散射實(shí)驗(yàn)第1章原子的基本狀況20α粒子發(fā)生如此大角度的散射，說明它深受的力很大。湯姆遜模型是否可以提供這么大的力？我們來看一看這兩個(gè)模型對(duì)應(yīng)的力場模型因?yàn)楹耸侥Ｐ驼姾杉性谠又行暮苄〉膮^(qū)域，所以無限接近核時(shí)，斥力會(huì)顯得的很大，而湯姆遜模型在原子中心附近則不能提供很強(qiáng)的斥力。下邊我們通過估算來看一看，根據(jù)湯姆遜模型，α粒子的最大偏轉(zhuǎn)角可能是多少。第1章原子的基本狀況21當(dāng)rR時(shí)，原子受的庫侖作用力為：當(dāng)rR時(shí)，原子受的庫侖作用力為：當(dāng)r=R時(shí)，原子受的庫侖作用力最大：33、、湯姆遜模型的困難湯姆遜模型的困難對(duì)于湯姆遜模型而言，只有掠入射(r=R)時(shí),入射α粒子受力最大，設(shè)為Fmax，我們來瞧瞧此條件下α粒子的最大偏轉(zhuǎn)角是多少？假定有一個(gè)符合湯姆遜模型的帶電圓球，即均勻帶電。
這么當(dāng)α粒子射向它時(shí)，其所受斥力F(r)第1章原子的基本狀況22假定α粒子以速率v入射，但是在原子附近渡過的整個(gè)時(shí)間內(nèi)都遭到力Fmax的作用，這么會(huì)形成多大角度的散射呢？由動(dòng)量定律得其中，表示α粒子在原子附件渡過的時(shí)間代入FmaxREZeRmvZe第1章原子的基本狀況23里面的估算中為何沒有考慮核外電子的影響？這是由于電子的質(zhì)量僅為α粒子質(zhì)量的1/7300，它的作用是可以忽視的，雖然發(fā)生對(duì)頭碰撞，影響也是微小的。當(dāng)α粒子與電子發(fā)生正碰時(shí)，可以近似看作彈性碰撞，動(dòng)量和能量均守恒。