原子世界與納米技術(shù)II.ppt

1、原子世界與納米技術(shù)II,原子世界探秘,目錄,一、原子世界探秘 1. 古代原子論（留基伯與德謨克里特） 2. 近代原子論（道耳頓） 3. 現(xiàn)代原子論 4. 打開原子世界大門 4.1 電子的發(fā)現(xiàn) 4.2 原子結(jié)構(gòu)模型探索 4.2.1 葡萄干蛋糕模型 4.2.2 原子有核模型 4.2.3 玻爾模型 4.2.4 原子結(jié)構(gòu)模型探索的再深入（電子云）,“原子”一詞，來自希臘語，它的原義是“不可分割的東西”，即是指構(gòu)成世界萬物的最終單元。 但是，時(shí)至今日，已沒有人再認(rèn)為原子不能再分割了?？茖W(xué)的進(jìn)展使人們不得不背離它的原義把它看作是可分的東西了。,一、原子世界探秘,描述簡(jiǎn)單現(xiàn)象，理解現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律； 在總結(jié)個(gè)

2、別方面特征的基礎(chǔ)上，形成初步的定量規(guī)律，并上升為初步的統(tǒng)一理論； 重復(fù)發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、搜集基本材料，為揭示更深刻的原理奠定基礎(chǔ)。,人們探索微觀世界的途徑：,原子論的發(fā)展歷史,從古希臘原子概念的提出，到今天形成科學(xué)的原子分子理論，原子分子科學(xué)構(gòu)成了整個(gè)自然科學(xué)的基礎(chǔ)，其科學(xué)概念已經(jīng)深入到日常生活的各個(gè)方面，并發(fā)揮著舉足輕重的作用。 廣義地說，原子論是用固定不變的粒子或單元組成的集合體來解釋各種復(fù)雜現(xiàn)象，其在自然科學(xué)中的應(yīng)用大獲成功。 原子論的發(fā)展歷史大致為： 哲學(xué)時(shí)期 科學(xué)時(shí)期 十七到十九世紀(jì)是上述兩個(gè)時(shí)期的過渡時(shí)期。,1. 古代原子論,古希臘的德謨克里特和中國春秋時(shí)代的墨子等人，先后提出了樸素的原

3、子論。但影響最深遠(yuǎn)地是留基伯和德謨克里特的原子論。 德謨克里特認(rèn)為存在著無限多個(gè)不可見的原子，原子不可分割，原子之間僅在大小、形狀和運(yùn)動(dòng)方面有著量的不同。物質(zhì)性質(zhì)的變化只是由于原子組合的改變?cè)斐傻?。原子本身的性質(zhì)則永不變化。 此觀點(diǎn)通過羅馬詩人盧克萊修的長(zhǎng)詩物性論傳播到拉丁語國家，并流傳于世。,留基伯與德謨克里特,留基伯 德謨克里特,2. 近代原子論,科學(xué)原子論的誕生道耳頓“科學(xué)原子論之父”道耳頓將拉瓦錫、玻意耳的研究成果同原子論的觀點(diǎn)結(jié)合起來，形成科學(xué)理論。 道爾頓認(rèn)為： 有多少種不同的化學(xué)元素就有多少種不同的原子； 同一種元素的原子在質(zhì)量、形態(tài)等方面完全相同； 查清原子的相對(duì)重量以及組成一

4、個(gè)化合物“原子”的基本原子的數(shù)目極為重要。 道爾頓在1803年10月下旬發(fā)表了他的第一張包括十四種元素在內(nèi)的原子相對(duì)質(zhì)量表。,道耳頓(John Dalton),道耳頓（John Dalton，17661844）英國化學(xué)家和物理學(xué)家。17931799年在曼徹斯特新學(xué)院任數(shù)學(xué)和自然哲學(xué)教授。1794年任曼徹斯特文學(xué)和哲學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員，1800年任學(xué)會(huì)秘書，18171818年任會(huì)長(zhǎng)。18351836年任英國學(xué)術(shù)協(xié)會(huì)化學(xué)分會(huì)副會(huì)長(zhǎng)。1816年當(dāng)選為法國科學(xué)院通訊院士。1822年當(dāng)選為英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。,3. 現(xiàn)代原子論,科學(xué)原子論確立后，定量化學(xué)的發(fā)展導(dǎo)致了一系列元素的發(fā)現(xiàn)。 1869年，門捷列夫在研究元

5、素特性的規(guī)律中發(fā)現(xiàn)了元素周期表。根據(jù)周期性，可以對(duì)元素的特性進(jìn)行判斷、預(yù)測(cè)新元素的存在等等。此后對(duì)微觀世界中原子的研究進(jìn)入了科學(xué)的軌道。,天然放射性的發(fā)現(xiàn)（ 1896年貝克勒爾）暗示出原子也存在內(nèi)部結(jié)構(gòu) 電子的發(fā)現(xiàn)（1897年湯姆孫）明確地揭示了原子是可分割的,重要的發(fā)現(xiàn),20世紀(jì)對(duì)原子結(jié)構(gòu)的研究揭示出原子是可變的、可分割的，原子由質(zhì)子、中子、電子組成，而質(zhì)子、中子則由更小的粒子組成。 基本粒子的性質(zhì)不同而且能相互結(jié)合組成比較穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)，原子之間能夠通過交換一定的組分如電子，而形成分子。所有這些過程都受著已知的力學(xué)和電磁定律的支配。 在現(xiàn)代原子論中，基本粒子可以轉(zhuǎn)化為輻射，反之亦然。在組成

6、更大的單元時(shí)，基本粒子也不一定保持自身不變。,原子論在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究中獲得巨大的成功，并推廣到其他的領(lǐng)域的研究中。 電學(xué)現(xiàn)象 黑體輻射 光電效應(yīng) “引力”量和“時(shí)間” 量的研究,4. 打開原子世界大門,4.1 電子的發(fā)現(xiàn) 4.2 原子結(jié)構(gòu)模型探索,4.1 電子的發(fā)現(xiàn),J.J.湯姆孫 (1856-1940)英國劍橋大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家1906年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 1897年4月30日，湯姆孫在英國皇家學(xué)會(huì)演講時(shí)宣布發(fā)現(xiàn)了電子。 1899年湯姆生正式把這種微粒叫做“電子”。電子的發(fā)現(xiàn)被科學(xué)界稱為十九和二十世紀(jì)之交的三大發(fā)現(xiàn)之一，湯姆生被譽(yù)為“電子之父”。 發(fā)現(xiàn)電子的意義是：1. 肯定了陰極射線是帶負(fù)電的粒

7、子；2. 揭示出原子內(nèi)部含有帶正電的部分和帶負(fù)電的部分；,4.2 原子結(jié)構(gòu)模型探索,葡萄干蛋糕模型 原子有核模型 玻爾模型 原子結(jié)構(gòu)模型探索的再深入,4.2.1 葡萄干蛋糕模型,“電子浸浮于均勻連續(xù)正電球體中”模型（ 1904 ） 原子是一個(gè)小球體，內(nèi)部充滿均勻分布的帶正電的流體，球內(nèi)液體中摻雜有若干電子，這些電子等間隔地排列在與正電球同心的圓周上，并以一定的角速度作圓周運(yùn)動(dòng)而發(fā)出電磁輻射。原子光譜反映的即是這些電子的輻射頻率。電子的總電量與液體的總電量等值反號(hào)，原子對(duì)外顯電中性。,湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型,模型成功之處 解釋了原子電中性； 解釋了原子為什么會(huì)發(fā)光； 據(jù)此模型可以估計(jì)原子的大小為1

8、0-8cm 可以得出原子中電子的數(shù)目等于周期表中原子序數(shù)的結(jié)論 討論了電子在原子內(nèi)的分布 模型缺陷所在 關(guān)于正電荷在原子內(nèi)的分布情況的猜測(cè),4.2.2 原子有核模型,此模型建立在粒子散射實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上 原子內(nèi)部并非是充滿的，它的大部分空間是空虛的，它的中間有一個(gè)體積很小質(zhì)量較大的帶正電的核，原子的全部正電荷以及它99%以上的質(zhì)量都集中在這個(gè)核上，帶負(fù)電的電子則以某種方式分布于核外的空間中。,盧瑟福模型（ 1911 ）,視頻：原子模型,模型成功之處 解釋了粒子散射實(shí)驗(yàn)； 揭示了帶正電的原子核的存在； 模型缺陷所在 無法解釋原子的穩(wěn)定性 無法解釋原子的線狀光譜 對(duì)電子位置、核外電子云之謎所引起的佯謬束

9、手無策,4.2.3 玻爾模型,N-玻爾（Niels Bohr 18851962） 丹麥物理學(xué)家 因發(fā)展量子理論并用于原子結(jié)構(gòu)、原子輻射研究的成果獲1922年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),4.2.3 玻爾模型,1913年玻爾建立在原子有核模型基礎(chǔ)上 核外電子只能在原子內(nèi)一些特定的穩(wěn)定軌道上運(yùn)行，并且在這些軌道上運(yùn)行時(shí)，電子不輻射能量，一個(gè)軌道對(duì)應(yīng)一個(gè)能量值，所以電子在原子內(nèi)不能具有任意能量，只能具有特定能量。原子的能量是不連續(xù)的，這些分立的能量稱之為能級(jí)。并且在離核較近的軌道上電子的能量較低。 電子從能量為E1的較高能級(jí)躍遷到能量為E2的較低能級(jí)，它將會(huì)放出能量為h的光子；反之，電子若吸收一能量為h的光子，

10、則將從能級(jí)E2躍遷到E1能級(jí)，且h = E1 - E2 。,模型成功之處：解釋了原子的穩(wěn)定性；說明了原子的線性光譜；在玻爾假設(shè)的基礎(chǔ)上人們從理論上推出原子線狀光譜的經(jīng)驗(yàn)公式，并且該假說在不久之后被弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。 模型缺陷所在：不能說明多電子原子的光譜和氫光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)。對(duì)能級(jí)的描述很能粗略，只有一個(gè)量子數(shù)。不能解釋原子核形成分子化學(xué)鍵的本質(zhì)。 玻爾理論雖引入了量子概念，但沒有擺脫經(jīng)典物理學(xué)的束縛，是經(jīng)典理論加上量子條件的混合物。,玻爾模型成功之處與缺陷所在,4.2.4 原子結(jié)構(gòu)模型探索的再深入,索末菲的修正（1916年） 電子軌道是橢圓形而不是圓形的，核位于這個(gè)橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上； 電子運(yùn)動(dòng)的軌道不應(yīng)當(dāng)在同一平面上，應(yīng)推廣到三維空間； 提出空間量子化的概念。 波粒二象性與電子云 玻爾理論提出十年后，人們認(rèn)識(shí)到原子里面的電子就其運(yùn)動(dòng)的基本特征來講，完全不同于繞著太陽旋轉(zhuǎn)的行星電子同其他微觀粒子一樣具有波粒二象性。 微觀粒子的運(yùn)動(dòng)軌道我們不可能確切地知道