自然科学基础

1、自然科学基础 第七章第七章微观世界的探索微观世界的探索自然科学基础第一节：关于物质结构的思第一节：关于物质结构的思索索 自古以来，人们关于物质构成自古以来，人们关于物质构成的说法存在两种观点：的说法存在两种观点：v粒子粒子观点观点和和连续观点连续观点微观世界探秘微观世界探秘物质结构物质结构古代中国古代中国“五行说五行说”：金、木、水、火、土：金、木、水、火、土古希腊古希腊“四根说四根说”：火、水、土、气：火、水、土、气古希腊德莫克利特：原子论古希腊德莫克利特：原子论1661年英国玻意耳提出元素的概念年英国玻意耳提出元素的概念英国化学家道尔顿英国化学家道尔顿(1800年)：原子是元素的最小单元：

2、原子是元素的最小单元自然科学基础 1800年道尔顿原子论原子 atom不可分割的“莫破” 原子看做是物质坚不可破的最小基元 分子是由原子组成，原子则不能用任何化学 手段加以分割和改变。自然科学基础物质结构物质的态 分子聚集起来所形成的物质，可以具有四种状态， 它们是气态、等离子态、液态和固态自然科学基础物质的多种形态 通常情况下，人们从外观上看，认为物质有固体、液体、气体三种形态。但是，从物质内部的微观世界来看，物质就远不止三态。 结晶态 液晶态 等离子态 超导态 准晶体 或称准结晶体,固体家族的另类物质 根本上改变了化学家们对固态物质的构想自然科学基础探索物质结构的奥秘探索物质结构的奥秘世界

3、上万物种类繁多，形态各异，共性、特性在哪里？隐藏于物质多样性背后的统一性要在微观层次中去寻求！自然科学基础微观世界探秘微观世界探秘物质结构物质结构诺贝尔物理奖获得者费曼： “如果发生一场大灾难，所有的科学知识都将被毁灭，只剩下一句话给后代，什么语句可用最少的字句传递最多的信息？我相信,是原子的假说即万物都是由原子(微小粒子)组成的,他们永恒地运动着,并在一定距离之外，相互吸引；而被挤压在一起时则相互排斥。在这一句话里包含了有关这世界巨大数量的信息。”自然科学基础对基本粒子认识的发展过程：对基本粒子认识的发展过程：20002000多年前：土、气、水、火多年前：土、气、水、火17001700多年前

4、：硫磺、盐、水银多年前：硫磺、盐、水银200200多年前：原子多年前：原子2020世纪世纪5050年代：原子核年代：原子核2020世纪世纪7070年代：基本粒子（几百个）年代：基本粒子（几百个）现在：夸克、轻子现在：夸克、轻子自然科学基础开启微观世界研究的门户开启微观世界研究的门户 -三大发现三大发现三大发现三大发现: X射线的发现射线的发现 放射性的发现放射性的发现 电子的发现电子的发现自然科学基础x射线的发现：射线的发现：(1895年年) 伦琴(德国)在做发电管实验时，用黑纸包住放电管，但远处的一种荧光材料BaPt(CN)6竟发出荧光，这个由阴极射线激发，不知来历的光被叫做“x” 光 伦琴

5、夫人手指骨轮廓的照片自然科学基础 18951895年，年， 伦琴在巴伐利亚的维尔茨堡大学发现了伦琴在巴伐利亚的维尔茨堡大学发现了X X射线。射线。当时他发现阴极射线管发出新射线。他将这种射线命名为当时他发现阴极射线管发出新射线。他将这种射线命名为X X射线，因为他当时还不知道这种射线的属性，而射线，因为他当时还不知道这种射线的属性，而“X”X”正是正是代表未知数的数学代号。代表未知数的数学代号。仅仅几周之后，仅仅几周之后， 第一张第一张X X光照片问世，照片上显示出光照片问世，照片上显示出人手的骨骼图像。伦琴的发现很快被医学界作于诊断疾病、人手的骨骼图像。伦琴的发现很快被医学界作于诊断疾病、探

6、查体内异物。探查体内异物。伦琴由于发现了伦琴由于发现了X X射线，射线， 在在19011901年获得第一次诺贝尔年获得第一次诺贝尔物理学奖金。他的这一发现宣布了现代物理学时代的到来，物理学奖金。他的这一发现宣布了现代物理学时代的到来，使医学发生了革命。使医学发生了革命。 自然科学基础放射性的发现：放射性的发现：(1896年年) 贝克勒尔想用日光代替阴极射线来激发x光，天阴未做成，他把能发磷光的样品K2UO2(SO4)2用黑纸包好等天晴后再做，但却发现抽屉中上面的底片感光了，反复再做证实现象可重复，且是含铀物质发出的光所致-天然放射性的发现。 居里夫人提炼出了Po和Ra。自然科学基础放射性现象的

7、发现贝克勒尔皮埃尔.居里玛丽.居里自然科学基础 1898年，居里夫妇发现“钋”，接着又发现“镭”，于1903年与贝可勒尔分享了诺贝尔物理学奖金。 射线：、自然科学基础唯一的三次获诺贝尔奖的家庭唯一的三次获诺贝尔奖的家庭1903年年 诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖 居里夫妇居里夫妇(皮埃尔皮埃尔.居里居里) (玛丽玛丽.居里居里)1911年年 诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖 (玛丽玛丽.居里居里)1935年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖 (约里奥约里奥.居里居里) (伊莲娜伊莲娜.居里居里) 笫一位获诺贝尔奖的妇女笫一个两次获诺贝尔奖的妇女唯一的三次获诺贝尔奖的家庭自然科学基础 电子的发现(汤姆逊实验)(189

8、7年)自然科学基础 1919世纪是电磁学大发展的时期世纪是电磁学大发展的时期, , 到七、八到七、八十年代电气工业开始有了发展十年代电气工业开始有了发展, , 发电机、变压发电机、变压器和高压输电线路逐步在生产中得到应用，然器和高压输电线路逐步在生产中得到应用，然而，漏电和放电损耗非常严重，成了亟待解决而，漏电和放电损耗非常严重，成了亟待解决的问题。同时，电气照明也吸引了许多科学家的问题。同时，电气照明也吸引了许多科学家的注意。这些问题都涉及低压气体放电现象，的注意。这些问题都涉及低压气体放电现象，于是，人们竞相研究与低压气体发电现象有关于是，人们竞相研究与低压气体发电现象有关的问题。的问题。

9、阴极射线阴极射线是低压气体放电过程中出现是低压气体放电过程中出现的一种奇特现象，对其本性的研究导致了的一种奇特现象，对其本性的研究导致了英国英国学派的微粒说学派的微粒说和和德国学派的以太论德国学派的以太论。 电子的发现电子的发现自然科学基础 阴极射线是德国物理学家阴极射线是德国物理学家J.J.普吕克尔在普吕克尔在18581858年年利用低压气体放电管研究气体放电时发现的利用低压气体放电管研究气体放电时发现的 . .从低从低压气体放电管阴极发出的电子在电场加速下形成的压气体放电管阴极发出的电子在电场加速下形成的电子流。阴极可以是冷的也可以是热的，电子通过电子流。阴极可以是冷的也可以是热的，电子通

10、过外加电场的场致发射、残存气体中正离子的轰击或外加电场的场致发射、残存气体中正离子的轰击或热电子发射过程从阴极射出。热电子发射过程从阴极射出。 阴极射线阴极射线自然科学基础 18971897年年J.J.J.J.汤姆孙汤姆孙根根据放电管中的阴极射线在据放电管中的阴极射线在电磁场电磁场和和磁场磁场作用下的轨作用下的轨迹确定阴极射线中的迹确定阴极射线中的粒子粒子带带负电负电，并测出其，并测出其荷质比荷质比，这在一定意义上是历史上这在一定意义上是历史上第一次发现电子，第一次发现电子，1212年后年后R.A.R.A.密立根用密立根用油滴实验油滴实验测测出了电子的出了电子的电荷电荷。电子的发现电子的发现1

11、856-19401856-1940英国剑桥大学英国剑桥大学实验物理学家实验物理学家 自然科学基础电子的发现电子的发现- -汤姆孙汤姆孙1. 1. 测阴极射线的电荷测阴极射线的电荷 2. 2. 使阴极射线在静电场中偏转。使阴极射线在静电场中偏转。 3. 3. 测阴极射线的荷质比。从以上两实验测阴极射线的荷质比。从以上两实验, , 汤姆生已可明确无误地证明阴极射线是由某汤姆生已可明确无误地证明阴极射线是由某种带负电的微粒组成。这种微粒是什么，汤种带负电的微粒组成。这种微粒是什么，汤姆生进一步对阴极射线的荷质比进行了大量姆生进一步对阴极射线的荷质比进行了大量的测量。最后得到阴极射线微粒的质荷比为的测

12、量。最后得到阴极射线微粒的质荷比为1010-11-11千克千克库仑库仑, , 比氢离子的质荷比比氢离子的质荷比1010-8-8千千克克库仑小千倍。库仑小千倍。自然科学基础阴极射线应用阴极射线应用 电子示波器中的示波管、电子示波器中的示波管、电视电视的的显像管显像管、电子电子显微镜显微镜等都是利用阴极射线在电磁场作用下偏转、等都是利用阴极射线在电磁场作用下偏转、聚焦以及能使被照射的某些物质聚焦以及能使被照射的某些物质, ,如如硫化锌硫化锌发荧光发荧光的性质工作的的性质工作的. .高速的阴极射线打在某些金属靶极高速的阴极射线打在某些金属靶极上能产生上能产生X X射线射线，可用于研究，可用于研究物质

13、物质的的晶体晶体结构。阴结构。阴极射线还可直接用于切割、极射线还可直接用于切割、熔化熔化、焊接焊接等。等。 在在1919世纪末年，物理学有三项重大的实验发现，世纪末年，物理学有三项重大的实验发现，这就是这就是X X射线、放射性和电子。电子的发现具有更伟大射线、放射性和电子。电子的发现具有更伟大的意义，因为这一事件使人们认识到自然界还有比原的意义，因为这一事件使人们认识到自然界还有比原子更小的实物。电子的发现打开了通向原子物理学的子更小的实物。电子的发现打开了通向原子物理学的大门大门 , ,人们开始研究原子的结构人们开始研究原子的结构 .自然科学基础v 电子的发现，揭示了原子也有内部结构，电子的

14、发现，揭示了原子也有内部结构，打破了人们一直认为的原子是最小单元的传打破了人们一直认为的原子是最小单元的传统观念。统观念。v 电子是如何在原子里电子是如何在原子里“安身安身”呢？呢？自然科学基础第二节第二节 原子结构原子结构自然科学基础18971897年，年，汤姆逊（英国）汤姆逊（英国） 发现所有原子都含发现所有原子都含有带负电的粒子有带负电的粒子电电子。汤姆逊的原子模型子。汤姆逊的原子模型象带正电的象带正电的“蛋糕蛋糕”里里夹着许多带负电的夹着许多带负电的“葡葡萄干萄干”自然科学基础19071907年，年，卢瑟福卢瑟福（英）（英） 做了著名的做了著名的 粒子散粒子散射实验，表明正电荷在原射实

15、验，表明正电荷在原子的中心，负电荷（电子）子的中心，负电荷（电子）在正电荷周围运动，就象在正电荷周围运动，就象飞蛾在灯泡四周乱飞那样。飞蛾在灯泡四周乱飞那样。原子的大部分是空空洞洞原子的大部分是空空洞洞的空间。的空间。自然科学基础原子核的发现原子核的发现1907年 卢瑟福等人通过粒子对原子核的散射实验否定了汤姆逊模型 “这是我一生中最不可思议的事件。这就象您对着卷烟纸射出一颗15英寸的炮弹，却被反弹回来的炮弹击中一样地不可思议”1910年 正电球的直径小于原子作用球的直径 只有承认原子有核，才能解释这一现象自然科学基础19131913年，年，玻尔（丹麦）玻尔（丹麦） 提出原子中心的这个正提出原

16、子中心的这个正电荷叫原子核，它几乎占去电荷叫原子核，它几乎占去了原子的全部质量，但体积了原子的全部质量，但体积却很小，电子（其质量可忽却很小，电子（其质量可忽略不计）象行星绕太阳公转略不计）象行星绕太阳公转那样围绕着原子核高速运转，那样围绕着原子核高速运转，是个是个“小太阳系小太阳系”自然科学基础 氢原子光谱氢原子光谱自然科学基础 早在早在1717世纪，牛顿就发现了日光通过三世纪，牛顿就发现了日光通过三棱镜后的色散现象，并把实验中得到的棱镜后的色散现象，并把实验中得到的彩色彩色光带光带叫做叫做光谱光谱自然科学基础一、光谱一、光谱 光谱光谱是电磁辐射（不论是在可见光区域还是电磁辐射（不论是在可见

17、光区域还是在不可见光区域）的波长成分和强度分布的是在不可见光区域）的波长成分和强度分布的记录。有时只是波长成分的记录。记录。有时只是波长成分的记录。发射光谱可分为两类：发射光谱可分为两类：连续光谱连续光谱和和明线光谱。明线光谱。1.1.发射光谱发射光谱物体发光直接产生的光谱叫做物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。发射光谱。自然科学基础v（1 1）连续光谱）连续光谱 v连续分布连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续光谱。的光谱叫做连续光谱。炽热的固体、液体炽热的固体、液体和高压气体和高压气体的发射光谱是连续光谱。例如的发射光谱是连续光谱。例如白炽灯丝发出的

18、光、烛焰、炽热的钢水发白炽灯丝发出的光、烛焰、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。出的光都形成连续光谱。自然科学基础（2 2）明线光谱）明线光谱 只含有一些只含有一些不连续的亮线不连续的亮线的光谱叫做的光谱叫做明线光谱。明线光谱中的亮线叫谱线，各条谱明线光谱。明线光谱中的亮线叫谱线，各条谱线对应不同波长的光。线对应不同波长的光。稀薄气体或金属的蒸气稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱的发射光谱是明线光谱。明线光谱是由游离状是明线光谱。明线光谱是由游离状态的原子发射的，所以也叫原子的光谱。实践态的原子发射的，所以也叫原子的光谱。实践证明，原子不同，发射的明线光谱也不同，每证明，原子不同，发射的明线光谱也

19、不同，每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此因此明线光谱的谱线也叫原子的特征谱线。明线光谱的谱线也叫原子的特征谱线。自然科学基础（3 3）吸收光谱）吸收光谱v 高温物体发出的白光（其中包含连续分布高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的原子的发射光谱中的一条明线相对种原子的原子的发射光谱中的一条明线相对应。这表

20、明，应。这表明，低温气体原子吸收的光，恰好低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光就是这种原子在高温时发出的光。因此吸收。因此吸收光谱中的暗谱线，也是原子的特征谱线。太光谱中的暗谱线，也是原子的特征谱线。太阳的光谱是吸收光谱。阳的光谱是吸收光谱。自然科学基础自然科学基础（4 4）光谱分析）光谱分析 由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定的化学组成。这种方法叫做据光谱来鉴别物质和确定的化学组成。这种方法叫做光谱分析。光谱分析。v 原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连续性，原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连续性

21、，所以光谱分析也可以用于探索原子的结构。所以光谱分析也可以用于探索原子的结构。自然科学基础氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。二、氢原子光谱二、氢原子光谱自然科学基础 卢瑟福原子核式模型无法解释氢原子光谱卢瑟福原子核式模型无法解释氢原子光谱的规律。的规律。按经典理论电子绕核旋转，作加速运按经典理论电子绕核旋转，作加速运动，电子将不断向四周辐射电磁波，它的能量动，电子将不断向四周辐射电磁波，它的能量不断减小，从而将逐渐靠近原子核，最后落入不断减小，从而将逐渐靠近原子核，最后落入原子核中。轨道及转动频率不断变化，辐射电原子核中。轨道及转动频率不断变化，辐射电

22、磁波频率也是连续的，磁波频率也是连续的， 原子光谱应是连续的原子光谱应是连续的光谱。实验表明原子相当稳定，这一结论与实光谱。实验表明原子相当稳定，这一结论与实验不符。实验测得原子光谱是不续的谱线。验不符。实验测得原子光谱是不续的谱线。自然科学基础v提出的原因：提出的原因：经典电磁理论认为经典电磁理论认为 电子绕核作高速圆周运动，电子绕核作高速圆周运动， 发出连续电磁波发出连续电磁波 连续光谱，连续光谱， 电子能量电子能量 坠入原子核坠入原子核原子湮灭原子湮灭v事实：事实： 氢原子光谱是线状（而不是连续光谱）；氢原子光谱是线状（而不是连续光谱）； 原子没有湮灭。原子没有湮灭。丹麦物理学家丹麦物理学家N.BohrN.Bohr玻尔理论玻尔理论自然科学基础玻尔理论的要点：玻尔理论的要点：(1)在原子中，电子不能沿着任意轨道绕核旋转，在原子中，电子不能沿着任意轨道绕核旋转，而只能沿着符合一定条件的轨道旋转。电子在而只能沿着符合一定条件的轨道旋转。电子在轨道上运动时，不吸收或放出能量，处于一种轨道上运动时，不吸收或放出能量，处于一种稳定状态。稳定状态。 通常原子所处的能量最低状态通常原子所处的能量最低状态(电子在离核电子在离核较近较近, ,能量较低轨道上运动能量较低