数字电子技术第一章物质的结构幻灯片.ppt
数字电子技术第一章物质的结构第1页，共43页，编辑于2022年，星期六物质的结构n原子物理发展史原子物理发展史n初期理论的实验基础初期理论的实验基础1.1.汤姆逊原子结构模型汤姆逊原子结构模型2.2.2.2.原子的核式结构原子的核式结构原子的核式结构原子的核式结构 (卢瑟福模型卢瑟福模型卢瑟福模型卢瑟福模型)n氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论n核外的电子结构核外的电子结构n原子核的结构原子核的结构第2页，共43页，编辑于2022年，星期六Thank you!第3页，共43页，编辑于2022年，星期六原子物理发展史n1.古希腊哲学家提出原始的原子学说，该学古希腊哲学家提出原始的原子学说，该学说认为物质是由简单、不可分割的基本单元说认为物质是由简单、不可分割的基本单元所谓所谓“原子原子”构成的。构成的。n2.1666年，年，牛顿牛顿发现光谱，后来这方面大发现光谱，后来这方面大量资料的积累成为探索原子结构的重要依据。量资料的积累成为探索原子结构的重要依据。n3.1808年，年，道耳顿道耳顿阐明化学上的定义定律阐明化学上的定义定律和倍比定律，提出和倍比定律，提出“道耳顿原子结构道耳顿原子结构”，开，开始原子学说的门径。始原子学说的门径。第4页，共43页，编辑于2022年，星期六原子物理发展史n4.1883年，年，法拉第法拉第电磁感应的提出，显示了电的基本电磁感应的提出，显示了电的基本单元的存在。单元的存在。n5.1885年，年，巴耳末巴耳末发现氢光谱线系的规律。发现氢光谱线系的规律。n6.1887年，年，赫兹赫兹发现光电效应。发现光电效应。n7.1895年，年，伦琴伦琴发现发现X射线。射线。n8.1896年，年，贝克勒尔贝克勒尔发现放射性。发现放射性。n9.1897年，年，汤姆逊汤姆逊证明电子的存在。证明电子的存在。n10.1900年，年，普朗克普朗克在研究黑体辐射的基础上，提出在研究黑体辐射的基础上，提出量子论。量子论。第5页，共43页，编辑于2022年，星期六原子物理发展史n化学已经阐明各种物体是由元素构成的，原子是元素的最小单化学已经阐明各种物体是由元素构成的，原子是元素的最小单元。化学方法，可以证明原子的大小和质量。元。化学方法，可以证明原子的大小和质量。n11.1907年，年，汤姆逊汤姆逊提出提出“面包面包”式原子模型。式原子模型。n12.1911年，年，卢瑟福卢瑟福提出并证实了原子的核式结构。提出并证实了原子的核式结构。n13.1913年，年，玻尔玻尔理论发表。理论发表。n14.1925年，量子力学建立。年，量子力学建立。第6页，共43页，编辑于2022年，星期六1.1 1.1 汤姆逊原子结构模型汤姆逊原子结构模型一一一一电子的发现电子的发现电子的发现电子的发现 18971897年，年，汤姆逊汤姆逊通过通过阴极射线管的实验发现了阴极射线管的实验发现了电子，并进一步测出了电电子，并进一步测出了电子的荷质比子的荷质比:e/me/m汤姆逊被誉为汤姆逊被誉为:“一位最先打一位最先打开通向基本粒子物理学大门开通向基本粒子物理学大门的伟人的伟人.”图汤姆逊正在进行实验图汤姆逊正在进行实验 第7页，共43页，编辑于2022年，星期六二二、汤姆逊原子模型汤姆逊原子模型布丁模型布丁模型布丁模型布丁模型19031903年英国科学家年英国科学家汤姆逊汤姆逊提出提出 “葡萄干蛋糕葡萄干蛋糕”式原式原子模型或称为子模型或称为“西瓜西瓜”模型模型原子中正电荷和质量均原子中正电荷和质量均匀分布在原子大匀分布在原子大小小的弹性实心球内的弹性实心球内，电子就象西瓜电子就象西瓜里的瓜子那样嵌在这个球内里的瓜子那样嵌在这个球内。该模型对原子发光现象的解释该模型对原子发光现象的解释电子在其平衡位置电子在其平衡位置作简谐振动的结果作简谐振动的结果，原子所发出的光的频率就相当原子所发出的光的频率就相当于这些振动的频率。于这些振动的频率。第8页，共43页，编辑于2022年，星期六1.2 1.2 原子的核式结构原子的核式结构原子的核式结构原子的核式结构 (卢瑟福模型卢瑟福模型卢瑟福模型卢瑟福模型)一一盖革盖革马斯马斯顿实验顿实验 (a)侧视图(b)俯视图。R:放射源；F:散射箔；S:闪烁屏；B:金属匣粒粒子子：放放射射性性元元素素发发射射出出的的高高速速带带电电粒粒子子，其其速速度度约约为为光光速速的的十十分分之之一一，带带+2+2e e的的电电荷荷，质质量量约为约为4 4M MH H。散散射射：一一个个运运动动粒粒子子受受到到另另一一个个粒粒子子的的作作用用而而改改变变原原来来的的运动方向运动方向的的现象现象。粒子受到散射时粒子受到散射时，它的出射它的出射方向与原入射方向之间的夹角方向与原入射方向之间的夹角叫做叫做散射角散射角。第9页，共43页，编辑于2022年，星期六1.2 1.2 原子的核式结构原子的核式结构 (卢瑟福模型卢瑟福模型卢瑟福模型卢瑟福模型)一一盖革盖革马斯马斯顿实验顿实验 实实验验结结果果：大大多多数数散散射射角角很很小小，约约1/8000散散射射大大于于90；极个别的散射角等于；极个别的散射角等于180。这这是是我我一一生生中中从从未未有有过过的的最最难难以以置置信信的的事事件件，它它的的难难以以置置信信好好比比你你对对一一张张白白纸纸射射出出一一发发15英英寸寸的的炮炮弹弹，结结果果却却被被顶顶了了回回来打在自己身上卢瑟福的话来打在自己身上卢瑟福的话第10页，共43页，编辑于2022年，星期六二二汤姆逊模型的困难汤姆逊模型的困难 近近似似1 1：粒子散射受电子的影响忽略不计，只须考虑原子中带正电而质量大的部分对粒子的影响。当当r rRR时，原子受的库仑斥力为：时，原子受的库仑斥力为：当当r rRR时，原子受的库仑斥力为：时，原子受的库仑斥力为：当当r r=R=R时，原子受的库仑斥力最大：时，原子受的库仑斥力最大：近似近似2 2：只受库仑力的作用。第11页，共43页，编辑于2022年，星期六 大大角角散散射射不不可可能能在在汤汤姆姆逊逊模模型型中中发发生生,散散射射角角大大于于3 3的的比比1%1%少少得得多多；散散射射角角大大于于9090的的约约为为10-3500.必必须须重重新新寻寻找原子的结构模型。找原子的结构模型。解决方法：解决方法：减少带正电部分的半径减少带正电部分的半径R，使作用力增大。困难：作用力F太小，不能发生大角散射。第12页，共43页，编辑于2022年，星期六原原子子序序数数为为Z的的原原子子的的中中心心,有有一一个个带带正正电电荷荷的的核核(原原子子核核),它它所所带带的的正正电电量量Ze,它它的的体体积积极极小小但但质质量量很很大大,几几乎乎等等于于整整个个原原子子的的质质量量,正正常常情情况况下下核核外外有有Z个个电子围绕它运动。电子围绕它运动。三三卢瑟福的核式模型卢瑟福的核式模型第13页，共43页，编辑于2022年，星期六第14页，共43页，编辑于2022年，星期六第15页，共43页，编辑于2022年，星期六定定性性地地解解释释：由由于于原原子子核核很很小小，绝绝大大部部分分 粒粒子子并并不不能能瞄瞄准准原原子子核核入入射射，而而只只是是从从原原子子核核周周围围穿穿过过，所所以以原原子子核核的的作作用用力力仍仍然然不不大大，因因此此偏偏转转也也很很小小，也也有有少少数数 粒粒子子有有可可能能从从原原子子核核附附近近通通过过，这这时时，r r较较小小，受受的的作作用用力力较较大大，就就会会有有较较大大的的偏偏转转，而而极极少少数数正正对对原原子子核核入入射射的的 粒粒子子，由由于于r r很很小小，受受的的作作用用力力很很大大，就就有有可可能能反反弹弹回回来来。所所以以卢卢瑟瑟福福的的核核式式结结构构模型能定性地解释模型能定性地解释粒子散射实验。粒子散射实验。三三卢瑟福的核式模型卢瑟福的核式模型第16页，共43页，编辑于2022年，星期六原原子子的的核核式式模模型型建建立立，只只肯肯定定了了原原子子核核的的存存在在，但但还还不不知知道道原原子子核核外外边边的的电电子子的的具具体体情情况况，需需要要进进一一步步研研究究。在在这这方方面面的的发发展展中中，光光谱谱的的观观察察提提供供了了很很多多资资料料，这这些些资资料料是是关关于于原原子子核核外外结结构构知知识识的重要源泉。的重要源泉。光光谱谱是是电电磁磁辐辐射射(不不论论在在可可见见区区或或在在可可见见区区以以外外)的的波波长长成成分分和和强强度度分分布布的的记记录录；有有时时只只是是波波长长成成分分的的记记录录。用用光光谱谱仪仪可可以以把把光光按按波波长长展展开开，把把不不同同成成分分的的强强度度记记录录下下来来，或或把把按按波波长长展展开开后后的的光光谱谱摄摄成成相相片片，后后一一种种光光谱谱仪仪称称为为摄摄谱谱仪仪。光光谱谱仪仪用用棱棱镜镜或光栅作为分光器，有各种不同的设计。或光栅作为分光器，有各种不同的设计。三三卢瑟福的核式模型卢瑟福的核式模型第17页，共43页，编辑于2022年，星期六原原子子光光谱谱是是原原子子发发射射的的电电磁磁辐辐射射(包包括括红红外外区区、可可见见光光区区和和紫紫外外区区)的的强强度度随随着着波波长长的的分分布布。从从氢氢气气放放电电管管可可以以获获得得氢氢原原子子光光谱谱。人人们们早早就就发发现现氢氢原原子子光光谱谱在在可可见见区区和和近近紫紫外外区区有有多多条条谱谱线线，构构成成一一个个很很有规律的系统。谱线的间隔和强度都向着短波方向递减。有规律的系统。谱线的间隔和强度都向着短波方向递减。电电磁磁辐辐射射包包括括诸诸如如光光波波、热热波波、无无线线电电波波、微微波波、紫紫外外线线、X射射线线和和射射线等等传播播模模式式。因因最最初初是是由由麦麦克克斯斯韦用用振振荡电磁磁场理理论解解释的，所以的，所以这些些辐射都叫做射都叫做“电磁磁辐射射”。三三卢瑟福的卢瑟福的核式模型核式模型第18页，共43页，编辑于2022年，星期六自自从从19111911年年原原子子的的核核式式结结构构被被证证实实后后，人人们们了了解解到到半半径径大大约约为为1010-10-10米米的的原原子子中中有有一一个个带带正正电电的的核核，它它的的半半径径是是1010-15-15米米的数量级。的数量级。但但原原子子是是中中性性的的，从从而而推推想想原原子子核核之之外外必必定定还还有有带带负负电电的的结结构构，这这样样就就很很自自然然想想到到有有带带负负电电的的电电子子围围绕绕着着原原子子核核运运动，电子活动区域的半径应该是动，电子活动区域的半径应该是1010-10-10米的数量级。米的数量级。在在这这样样一一个个原原子子模模型型的的基基础础上上玻玻尔尔在在19131913年年发发展展了了氢氢原原子子的的理论。理论。22 玻尔的原子模型第19页，共43页，编辑于2022年，星期六Niels Bohr Niels Bohr(1885-1962)(NobelPrize,1922)n量子化条件量子化条件：在原子内部存在一系列稳在原子内部存在一系列稳定的能量状态，当原子处在任一稳定能定的能量状态，当原子处在任一稳定能态时，电子绕原子核作圆周运动，虽有态时，电子绕原子核作圆周运动，虽有向心加速度，也不向外辐射能量。向心加速度，也不向外辐射能量。而且而且只有当电子的角动量等于只有当电子的角动量等于/2整数整数倍的那些轨道才是可能的。倍的那些轨道才是可能的。n频率条件频率条件：当原子发生跃迁时，将：当原子发生跃迁时，将发射或吸收光子。发射或吸收光子。玻尔假设第20页，共43页，编辑于2022年，星期六n=1，2，3，第21页，共43页，编辑于2022年，星期六第22页，共43页，编辑于2022年，星期六氢原子的电子轨道第23页，共43页，编辑于2022年，星期六氢原子能级（-13.6，-3.40，-1.51，-0.85，-0.54eV）基态基态激发态激发态第24页，共43页，编辑于2022年，星期六氢原子的玻尔理论n轨道半径与道半径与n成正比成正比n能量的能量的绝对值与与n成反比成反比n电子在不子在不连续的的轨道上运道上运动，原子所具有的能量，原子所具有的能量也是不也是不连续的，的，这种不种不连续的能量状的能量状态称称为原子原子的能的能级。是。是电子与核子与核结合成原子合成原子时，能量的减少，能量的减少值。n任何任何时刻，一个原子中刻，一个原子中实现的只是一个的只是一个轨道的道的电子运子运动，原子只具有与，原子只具有与这运运动相相对应的能量，也的能量，也就是只有一个能就是只有一个能级。H atom07m07an1.mov第25页，共43页，编辑于2022年，星期六n结合能：移走原子中的轨道电子所需结合能：移走原子中的轨道电子所需要的最小能量，叫做这个电子在原子要的最小能量，叫做这个电子在原子中的结合能。中的结合能。n结合能的负值是什么？二者关系？结合能的负值是什么？二者关系？第26页，共43页，编辑于2022年，星期六n激发能：处于基态或低激发态的氢原子激发能：处于基态或低激发态的氢原子与具有一定动能的外来电子碰撞，使氢与具有一定动能的外来电子碰撞，使氢原子发生跃迁，那么外来电子传递给氢原子发生跃迁，那么外来电子传递给氢电子的能量称为激发能。电子的能量称为激发能。n电离能：原子从基态激发到电离能：原子从基态激发到n=的状的状态所需要的能量。态所需要的能量。第27页，共43页，编辑于2022年，星期六3核外的电子结构(一一)空间量子化空间量子化1 1主主量量子子数数n n 原原子子核核外外的的电电子子云云是是分分层层排排布布的的，电子壳层可用主量子数表示。电子壳层可用主量子数表示。主主量量子子数数n n取取1 1，2 2，3 3，等等数数值值时时，相相应应的的电电子壳层也可用子壳层也可用K K、L L、M M、N N、0 0、P P、Q Q等符号表示。等符号表示。n n愈大，说明电子距核愈远，原子能级愈高。愈大，说明电子距核愈远，原子能级愈高。因此，主量子数是决定原子能级的主要因素。因此，主量子数是决定原子能级的主要因素。第28页，共43页，编辑于2022年，星期六3核外的电子结构(一一)空间量子化空间量子化2 2角角量量子子数数L L 原原子子中中的的任任何何一一个个电电子子在在原原子子核核附附近近空空间间出出现现的的几几率率大大小小是是有有规规律律的的，因因此此，电电子子云云的的大大小小形形状状也也是是有规律的。有规律的。第29页，共43页，编辑于2022年，星期六实实验验表表明明：处处于于同同一一电电子子壳壳层层中中的的电电子子，由由于于电电子子间间的的相相互互作用，可以有几种不同的运动状态，其能量也稍有不同。作用，可以有几种不同的运动状态，其能量也稍有不同。根根据据在在同同一一电电子子壳壳层层中中电电子子所所具具有有的的能能量量及及运运动动形形式式不不同同，又又分分成若干电子亚层，由角量子数成若干电子亚层，由角量子数L L确定。确定。在在n n确定后，确定后，L L可取可取0 0，1 1，2 2，(n n1)1)，有有n n个不同的个不同的值。对应的的电子子亚层用用s s、p p、d d、f f、s s、h h等符号来表示。等符号来表示。(一)空间量子化第30页，共43页，编辑于2022年，星期六主主量量子子数数n n是是决决定定原原子子能能级的的重重要要因因素素，而而角角量量子子数数对应的的s s、p p、d d、f f、s s、h h等等对原子能原子能级也有一定的影响。也有一定的影响。所以所以电子壳子壳层(主量子数主量子数n)n)和和亚层(角量子数角量子数L)L)决定了原子所具有决定了原子所具有的能量，即原子能的能量，即原子能级。(一)空间量子化第31页，共43页，编辑于2022年，星期六3 3磁磁量量子子数数m mL L 由由于于原原子子是是立立体体的的，各各种种轨道道平面的空平面的空间应有一定的有一定的取向取向。根根据据量量子子力力学学理理论，原原子子的的轨道道平平面面的的空空间的可能取向也是不的可能取向也是不连续的。的。在在角角量量子子数数L L确确定定后后，其其量量子子轨轨道道平平面面可可有有(2(2L L十十1)1)个不同的取向，个不同的取向，这这些些轨轨道的量子数用道的量子数用m mL L表示。表示。(一)空间量子化第32页，共43页，编辑于2022年，星期六4 4自自旋旋量量子子数数m ms s 电电子子绕绕原原子子核核运运动动与与地地球球绕绕太太阳阳运运动动相相似似，除除公公转转外外还还有有自自转转，称称为为电电子自旋子自旋。电电子子自自旋旋有有两两个个不不同同的的取取向向，或或者者说说，电电子子有有两两种种自自旋旋状状态态，其其自自旋旋方方向向相相反反。通通常常由由向向上上箭箭头头及向下的箭头表示。及向下的箭头表示。电电子子的的自自旋旋状状态态由由自自旋旋量量子子数数m ms s决决定定，自自旋旋量量子数可取子数可取m ms s=1/2=1/2。(一)空间量子化第33页，共43页，编辑于2022年，星期六由由以以上上所所述述可可知知，绕绕原原子子核核运运动动的的电电子子都都可可用用四四个个量量子子数数(n n，L L，m mL L，m ms s)来来描描述述它它们们所所处的状态。处的状态。同同样样，这这四四个个量量子子数数确确定定后后，便便可可知知道道电电子子所所处处的的状状态态，即即电电子子轨轨道道的的大大小小、形形状状，轨道平面在空间的取向和电子的自旋方向轨道平面在空间的取向和电子的自旋方向。(一)空间量子化第34页，共43页，编辑于2022年，星期六主主量量子子数数n=1n=1的的壳壳层层称称为为第第一一主主壳壳层层(K K壳壳层层)，n=2n=2的壳层称为第的壳层称为第2 2主壳层主壳层(L L壳层壳层)。以以下下类类推推，每每个个壳壳层层又又分分为为许许多多次次壳壳层层(亚亚层层)，每每一一亚亚层层又又应应有有2(22(2L L十十1)1)个个不不同同的的量量子子态态，即即最最多多容容纳纳2(22(2L L十十1)1)个个电电子子，这这一一规规律律可可把把电电子子壳层容纳的最多电子数（壳层容纳的最多电子数（2）计算出来。计算出来。(二)电子的壳层结构第35页，共43页，编辑于2022年，星期六 原子核结构原原子子的的性性质质是是由由它它们们的的原原子子核核的的构构成成、原原子子序序数数及轨道电子的多少和排列方式决定的。及轨道电子的多少和排列方式决定的。原原子子核核包包含含两两类类基基本本粒粒子子，质质子子和和中中子子。质质子子带带有有正电荷，中子不带电荷。正电荷，中子不带电荷。由由于于电电子子带带有有负负电电荷荷，质质子子带带有有正正电电荷荷，且且原原子子核核内内的的质质子子数数等等于于核核外外电电子子数数，因因此此原原子子对对外外呈呈电中性。电中性。第36页，共43页，编辑于2022年，星期六一一个个原原子子可可以以用用符符号号Z ZA AX X来来说说明明，其其中中X X是是元元素素的的化化学学符符号号，A A是是质质量量数数，定定义义为为核核子子(质质子子和和中中子子)的的数数目目，Z Z是原子序数，即核内质子数。是原子序数，即核内质子数。原原子子以以这这种种方方式式表表示示亦亦可可称称为为核核素素。例例如如，1 11 1H H代代表表氢氢原原子或核素，子或核素，2 24 4HeHe代表氦原子或核素。代表氦原子或核素。原子核结构第37页，共43页，编辑于2022年，星期六nAn atom is completely specified by the formula,where X is the chemical symbol for the element,A is the mass number,defined as the number of nucleons(neutrons and proton in the nucleus),and Z is the atomic number,denoting the number of protons in the nucleus(or the number of electrons outside the nucleus).第38页，共43页，编辑于2022年，星期六原子核结构n根据在核内中子数和质子数不同的比例，把原子分根据在核内中子数和质子数不同的比例，把原子分成以下类型：成以下类型：n同位素（同位素（isotope）：有相同的质子数而中子数）：有相同的质子数而中子数不同的原子不同的原子n同中子异核素（同中子异核素（isotone），有相同的中子数而），有相同的中子数而质子数不同的原子质子数不同的原子第39页，共43页，编辑于2022年，星期六原子核结构n根据在核内中子数和质子数不同的比例，把原子分成根据在核内中子数和质子数不同的比例，把原子分成以下类型：以下类型：n同量异位素（同量异位素（isobar），有相同的核子数而质子数），有相同的核子数而质子数不同的原子不同的原子n同质异能素（同质异能素（isomer），有相同的质子数和中子数，），有相同的质子数和中子数，只是能量状态不同，例如，只是能量状态不同，例如，（m代表高激态）是代表高激态）是 的同质异能素的同质异能素 第40页，共43页，编辑于2022年，星期六原子核结构n中子和质子以某些方式的结合可得到比中子和质子以某些方式的结合可得到比其他原子更加稳定的原子核。例如，在其他原子更加稳定的原子核。例如，在低原子序数范围内，稳定的元素通常具低原子序数范围内，稳定的元素通常具有相同的中子数和质子数。然而当原子有相同的中子数和质子数。然而当原子序数超过了序数超过了20，稳定原子核的中子质子，稳定原子核的中子质子比变成大于比变成大于1，并随原子序数的增加而增，并随原子序数的增加而增加。加。第41页，共43页，编辑于2022年，星期六几个有关的相对论公式1质量与速度的关系2动量与速度的关系 3质量与能量的关系 第42页，共43页，编辑于2022年，星期六原子核结合能如如果果把把原原子子核核的的质质量量与与构构成成原原子子核核的的核核子子(Z Z个个质质子子和和N N个个中中子子)的的静静止止质质量量总总和和加加以以比比较较，发发现现原原子子核核的的质质量量都都小小于于组组成成它的核子质量之和，这个差值称为原子核的质量亏损。它的核子质量之和，这个差值称为原子核的质量亏损。自自由由状状态态的的单单个个核核子子结结合合成成原原子子核核时时释释放放出出来来的的能能量量，称称为为原子核的结合能原子核的结合能。第43页，共43页，编辑于2022年，星期六
