PDF《原子物理学（讲稿）》

4 3 πr3(r 为原子半径),则有

4 3 πr3 NA = A ρ 由此得原子的半径公式: r = 3A 4πρNA 1/3 由此可以计算出不同原子的半径,举例如下表: 元素 质量数 A 质量密度 ρ(g/cm3) 原子半径 r(nm) Li

7 0.7 0.16 Al

27 2.7 0.16 Cu

63 8.9 0.14 S

32 2.07 0.18 Pb

207 11.34 0.19 在上面的叙述中,我们相当于假定了原子是球体,同时,我们直接假定这些球体的总体积就 是宏观物质的体积.这对于估算,问题不算很大.但是必须指出,这里说原子半径,其实非常不 严格的.通常对于估算的时候,我们对于讨论的术语只有一种直觉上的理解,而这些术语究竟是 什么意思,往往必须进行细心的研究才行. 以上计算说明,所有物质的原子的大小都只有几个埃.由分子运动论的方法,也可以得到类 似的结果. 这样,由许多迹象汇总在一起,得到这样一个观点,即认为元素是由原子组成的,而这些原 子的半径都约为 10?10 m. 1.1.2 电电电子 子 子的 的 的发 发 发现 现现1. 法拉第电解定律 电荷的 原子性 的第一个实验现象来自于法拉第(M. Faraday)的电解定律.1833 年,法 拉第在实验中发现,当电流通过导电的化合物溶液(电解质)时,有如下的定律: ―

3 ― (1)在一定时间内电极上释放出来物质(如氢、氧或者金属等)的质量 M 是和这段时间 内通过溶液的电量 Q 成正比的;

(2)当Q一定时,电极上释放出来的物质质量 M 和等价重量(也称为化合当量)成正 比.这里,等价重量定义为原子量 A 除以相应的化学价 v. 因此,法拉第电解定律可以归纳为: M = Q F A v (1.1) 式中,F 称为法拉第常数,在国际单位制(SI)中,它的值(1986 年)为F=9.648

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104 C ・ mol?1 法拉第认为在电解过程中导电溶液的原子或者原子团都携带一定量的电荷,带电的原子或者 原子团称为离子.电解定律意味着:1 mol 任何原子的单价离子永远带有相同的电量(即1个法 拉第).这暗示着存在电荷的基本单位.有些离子携带一个单位电荷,另外一些离子携带两个单 位电荷.正如亥姆霍兹(Helmholtz)所说 如果我们假设化学元素原子是存在的,则就不难得到 这样的结论,电荷无论正、负都是由基本电荷组成的,基本电荷的行为类似于电的原子. 最简 单的假设是,假定每一个原子带有电荷为 ev,这样,释放一摩尔物质所需要的电量就是 NAev, 因此有 M = NAev A Fv 对于一摩尔物质来说,M = A,所以: e = F NA = 9.648

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104 6.023 *

1023 ≈ 1.60 * 10?19 C

1881 年,G. J. Stoney 明确将这个基本电荷的携带者称为 电子 . 2. 电子的发现 以上只是理论上的推想.真正第一次从实验上确认电子的存在,是1897 年J. J. Thomson 作出的.实验示意图如下.阴极射线从阴极 C 发出后通过狭缝 A、B 成一狭窄的射线,再穿过 两片平行的金属板 D、E 之间的空间,最到到达右端带有标尺的荧光屏上.D 和E之间可以加 电场,放电管周围又可以加磁场.加电场 E 后,射线由 P1 点偏到 P2,由此可知阴极射线带有 负电.再加上一个方向和纸面垂直的磁场 B,使得束点再从 P2 回到 P1,这样磁力(Bev)和电 力(Ee)大小相等,方向相反.这样就可以计算出阴极射线的速度 v = E/B. ―

4 ― 去掉电场,由于磁场方向和射线运动方向垂直,将使得射线成一圆形轨迹,若此圆形轨迹 的半径为 r,则射线内的粒子(质量为 m)受到的离心力为 mv2/r,它一定和磁力 Bev 相等, 即mv2/r = Bev,由于 v 已经算出,由此可以求出荷质比 e/m = v/Br. 利用前面的法拉第电解定律,易知:9.648