数字电子技术第一章物质的结构

数字电子技术第一章物质的结构第一页，共四十三页，编辑于2023年，星期三物质的结构原子物理发展史初期理论的实验基础汤姆逊原子结构模型原子的核式结构(卢瑟福模型)氢原子的玻尔理论核外的电子结构原子核的结构第二页，共四十三页，编辑于2023年，星期三Thank

you!第三页，共四十三页，编辑于2023年，星期三原子物理发展史1.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所谓“原子”构成的。2.1666年，牛顿发现光谱，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。3.1808年，道耳顿阐明化学上的定义定律和倍比定律，提出“道耳顿原子结构”，开始原子学说的门径。第四页，共四十三页，编辑于2023年，星期三原子物理发展史4.1883年，法拉第电磁感应的提出，显示了电的基本单元的存在。5.1885年，巴耳末发现氢光谱线系的规律。6.1887年，赫兹发现光电效应。7.1895年，伦琴发现X射线。8.1896年，贝克勒尔发现放射性。9.1897年，汤姆逊证明电子的存在。10.1900年，普朗克在研究黑体辐射的基础上，提出量子论。第五页，共四十三页，编辑于2023年，星期三原子物理发展史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。11.1907年，汤姆逊提出“面包”式原子模型。12.1911年，卢瑟福提出并证实了原子的核式结构。13.1913年，玻尔理论发表。14.1925年，量子力学建立。第六页，共四十三页，编辑于2023年，星期三§1.1汤姆逊原子结构模型一电子的发现

1897年，汤姆逊通过阴极射线管的实验发现了电子，并进一步测出了电子的荷质比:e/m汤姆逊被誉为:“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人.”

图１汤姆逊正在进行实验

第七页，共四十三页，编辑于2023年，星期三二、汤姆逊原子模型－布丁模型1903年英国科学家汤姆逊提出“葡萄干蛋糕”式原子模型或称为“西瓜”模型－原子中正电荷和质量均匀分布在原子大小的弹性实心球内，电子就象西瓜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－电子在其平衡位置作简谐振动的结果，原子所发出的光的频率就相当于这些振动的频率。

第八页，共四十三页，编辑于2023年，星期三§1.2原子的核式结构(卢瑟福模型)

一盖革－马斯顿实验

(a)侧视图(b)俯视图。R:放射源；F:散射箔；

S:闪烁屏；B:金属匣α粒子：放射性元素发射出的高速带电粒子，其速度约为光速的十分之一，带+2e的电荷，质量约为4MH。散射：一个运动粒子受到另一个粒子的作用而改变原来的运动方向的现象。粒子受到散射时，它的出射方向与原入射方向之间的夹角叫做散射角。

第九页，共四十三页，编辑于2023年，星期三§1.2原子的核式结构(卢瑟福模型)

一盖革－马斯顿实验

实验结果：大多数散射角很小，约1/8000散射大于90°；极个别的散射角等于180°。这是我一生中从未有过的最难以置信的事件，它的难以置信好比你对一张白纸射出一发15英寸的炮弹，结果却被顶了回来打在自己身上－卢瑟福的话第十页，共四十三页，编辑于2023年，星期三二汤姆逊模型的困难

近似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r>R时，原子受的库仑斥力为：当r<R时，原子受的库仑斥力为：当r=R时，原子受的库仑斥力最大：近似2：只受库仑力的作用。

第十一页，共四十三页，编辑于2023年，星期三大角散射不可能在汤姆逊模型中发生,散射角大于3°的比1%少得多；散射角大于90°的约为10-3500.必须重新寻找原子的结构模型。解决方法：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。第十二页，共四十三页，编辑于2023年，星期三原子序数为Z的原子的中心,有一个带正电荷的核(原子核),它所带的正电量Ze,它的体积极小但质量很大,几乎等于整个原子的质量,正常情况下核外有Z个电子围绕它运动。三卢瑟福的核式模型第十三页，共四十三页，编辑于2023年，星期三第十四页，共四十三页，编辑于2023年，星期三第十五页，共四十三页，编辑于2023年，星期三定性地解释：由于原子核很小，绝大部分粒子并不能瞄准原子核入射，而只是从原子核周围穿过，所以原子核的作用力仍然不大，因此偏转也很小，也有少数粒子有可能从原子核附近通过，这时，r较小，受的作用力较大，就会有较大的偏转，而极少数正对原子核入射的粒子，由于r很小，受的作用力很大，就有可能反弹回来。所以卢瑟福的核式结构模型能定性地解释α粒子散射实验。三卢瑟福的核式模型第十六页，共四十三页，编辑于2023年，星期三原子的核式模型建立，只肯定了原子核的存在，但还不知道原子核外边的电子的具体情况，需要进一步研究。在这方面的发展中，光谱的观察提供了很多资料，这些资料是关于原子核外结构知识的重要源泉。光谱是电磁辐射(不论在可见区或在可见区以外)的波长成分和强度分布的记录；有时只是波长成分的记录。用光谱仪可以把光按波长展开，把不同成分的强度记录下来，或把按波长展开后的光谱摄成相片，后一种光谱仪称为摄谱仪。光谱仪用棱镜或光栅作为分光器，有各种不同的设计。三卢瑟福的核式模型第十七页，共四十三页，编辑于2023年，星期三原子光谱是原子发射的电磁辐射(包括红外区、可见光区和紫外区)的强度随着波长的分布。从氢气放电管可以获得氢原子光谱。人们早就发现氢原子光谱在可见区和近紫外区有多条谱线，构成一个很有规律的系统。谱线的间隔和强度都向着短波方向递减。电磁辐射包括诸如光波、热波、无线电波、微波、紫外线、X射线和γ射线等传播模式。因最初是由麦克斯韦用振荡电磁场理论解释的，所以这些辐射都叫做“电磁辐射”。三卢瑟福的核式模型第十八页，共四十三页，编辑于2023年，星期三自从1911年原子的核式结构被证实后，人们了解到半径大约为10-10米的原子中有一个带正电的核，它的半径是10-15米的数量级。但原子是中性的，从而推想原子核之外必定还有带负电的结构，这样就很自然想到有带负电的电子围绕着原子核运动，电子活动区域的半径应该是10-10米的数量级。在这样一个原子模型的基础上玻尔在1913年发展了氢原子的理论。§2

玻尔的原子模型第十九页，共四十三页，编辑于2023年，星期三NielsBohr(1885-1962)(NobelPrize,1922)量子化条件：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。而且只有当电子的角动量等于ｈ/2π整数倍的那些轨道才是可能的。频率条件：当原子发生跃迁时，将发射或吸收光子。玻尔假设第二十页，共四十三页，编辑于2023年，星期三n=1，2，3，…第二十一页，共四十三页，编辑于2023年，星期三第二十二页，共四十三页，编辑于2023年，星期三氢原子的电子轨道第二十三页，共四十三页，编辑于2023年，星期三氢原子能级

（-13.6，-3.40，-1.51，-0.85，-0.54eV）基态激发态第二十四页，共四十三页，编辑于2023年，星期三氢原子的玻尔理论轨道半径与n²成正比能量的绝对值与n²成反比电子在不连续的轨道上运动，原子所具有的能量也是不连续的，这种不连续的能量状态称为原子的能级。是电子与核结合成原子时，能量的减少值。任何时刻，一个原子中实现的只是一个轨道的电子运动，原子只具有与这运动相对应的能量，也就是只有一个能级。Hatom07m07an1.mov第二十五页，共四十三页，编辑于2023年，星期三结合能：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中的结合能。结合能的负值是什么？二者关系？第二十六页，共四十三页，编辑于2023年，星期三激发能：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。电离能：原子从基态激发到n=∞的状态所需要的能量。第二十七页，共四十三页，编辑于2023年，星期三§3

核外的电子结构(一)空间量子化1．主量子数n

原子核外的电子云是分层排布的，电子壳层可用主量子数表示。主量子数n取1，2，3，……等数值时，相应的电子壳层也可用K、L、M、N、0、P、Q等符号表示。n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。第二十八页，共四十三页，编辑于2023年，星期三§3

核外的电子结构(一)空间量子化2．角量子数L

原子中的任何一个电子在原子核附近空间出现的几率大小是有规律的，因此，电子云的大小形状也是有规律的。第二十九页，共四十三页，编辑于2023年，星期三实验表明：处于同一电子壳层中的电子，由于电子间的相互作用，可以有几种不同的运动状态，其能量也稍有不同。根据在同一电子壳层中电子所具有的能量及运动形式不同，又分成若干电子亚层，由角量子数L确定。在n确定后，L可取0，1，2，……，(n—1)，有n个不同的值。对应的电子亚层用s、p、d、f、s、h等符号来表示。(一)空间量子化第三十页，共四十三页，编辑于2023年，星期三主量子数n是决定原子能级的重要因素，而角量子数对应的s、p、d、f、s、h等对原子能级也有一定的影响。所以电子壳层(主量子数n)和亚层(角量子数L)决定了原子所具有的能量，即原子能级。

(一)空间量子化第三十一页，共四十三页，编辑于2023年，星期三3．磁量子数mL

由于原子是立体的，各种轨道平面的空间应有一定的取向。根据量子力学理论，原子的轨道平面的空间的可能取向也是不连续的。在角量子数L确定后，其量子轨道平面可有(2L十1)个不同的取向，这些轨道的量子数用mL表示。

(一)空间量子化第三十二页，共四十三页，编辑于2023年，星期三4．自旋量子数ms

电子绕原子核运动与地球绕太阳运动相似，除公转外还有自转，称为电子自旋。电子自旋有两个不同的取向，或者说，电子有两种自旋状态，其自旋方向相反。通常由向上箭头及向下的箭头表示。电子的自旋状态由自旋量子数ms决定，自旋量子数可取ms=±1/2。

(一)空间量子化第三十三页，共四十三页，编辑于2023年，星期三由以上所述可知，绕原子核运动的电子都可用四个量子数(n，L，mL，ms)来描述它们所处的状态。同样，这四个量子数确定后，便可知道电子所处的状态，即电子轨道的大小、形状，轨道平面在空间的取向和电子的自旋方向。

(一)空间量子化第三十四页，共四十三页，编辑于2023年，星期三主量子数n=1的壳层称为第一主壳层(K壳层)，n=2的壳层称为第2主壳层(L壳层)。以下类推，每个壳层又分为许多次壳层(亚层)，每一亚层又应有2(2L十1)个不同的量子态，即最多容纳2(2L十1)个电子，这一规律可把电子壳层容纳的最多电子数（2ｎ²）计算出来。(二)电子的壳层结构第三十五页，共四十三页，编辑于2023年，星期三原子核结构原子的性质是由它们的原子核的构成、原子序数及轨道电子的多少和排列方式决定的。原子核包含两类基本粒子，质子和中子。质子带有正电荷，中子不带电荷。由于电子带有负电荷，质子带有正电荷，且原子核内的质子数等于核外电子数，因此原子对外呈电中性。

第三十六页，共四十三页，编辑于2023年，星期三一个原子可以用符号ZAX来说明，其中X是元素的化学符号，A是质量数，定义为核子(质子和中子)的数目，Z是原子序数，即核内质子数。原子以这种方式表示亦可称为核素。例如，11H代表氢原子或核素，24He代表氦原子或核素。原子核结构第三十七页，共四十三页，编辑于2023年，星期三Anatomiscompletelyspecifiedbytheformula,whereXisthechemicalsymbolfortheelement,Aisthemassnumber,definedasthenumberofnucleons(neutronsandprotoninthenucleus),andZistheatomicnumber,denotingthenumberofprotonsinthenucleus(orthenumberofelectronsoutsidethenucleus).第三十八页，共四十三页，编辑于2023年，星期三原子核结构根据在核内中子数