《放射物理与防护》教学ppt课件：1第一章：物质的结构

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,放射物理与防护,Radiation physics and protection,放射物理与防护,放射物理,Radiation physics,防 护,protection,放射物理 Radiation physics,物质的结构,原子结构回顾,在长期的科学实验过程中，人们一直在探索物质的基本结构，最终归纳出了近代物质结构的原子学说，其中内容包括以下几个方面,：,1.物质是由分子组成。,分子是物质能独立存在的最小单元,物质的结构原子结构回顾在长期的科学实验过程中，人们一直在探,物质的结构,原子结构回顾,2.,分子是由什么组成的？,同种元素的原子具有相同的化学性质，不,同元素的原子的性质不同；,3.,分子和原子都处于不停的运动中。,原子是元素的最小单元，是用任何化学方法不能分解的最小粒子。,物质的结构原子结构回顾2.分子是由什么组成的？原子是元素的,物质的结构,原子结构回顾,一、原子的基本状况,目前已知的地球元素有,119,种。,其中,93,种是地球上天然存在的；,其中,26,种是人造元素。,原子是元素的最小单位，虽然它非常微小，但是它仍然具有很复杂的结构。,物质的结构原子结构回顾一、原子的基本状况,物质的结构,原子结构回顾,原子的组成：,原子核,:,小而致密。,由中子和质子组成。,电 子,:,核外高速绕行。,物质的结构原子结构回顾原子的组成：,物质的结构,原子结构回顾,电子,质子,中子,原子核,物质的结构原子结构回顾电子质子中子原子核,物质的结构,原子结构回顾,原子核带正电荷，核外电子带负电荷。,在正常情况下，,因此整个原子对外呈现中性。,+,物质的结构原子结构回顾,物质的结构,原子结构回顾,原子核比原子要小很多，核半径仅为原子半径的万分之一到十万分之一，原子核的几何截面积仅为原子的百亿分之一。,物质的结构原子结构回顾,原子结构,-,粒子散射实验,二、原子结构,1904,年 汤姆逊模型,枣糕模型,电子,中子质子,原子结构-粒子散射实验二、原子结构枣糕模型电子中子质子,原子结构,-,粒子散射实验,二、原子结构,卢瑟福的,粒子散射实验,R,F,S,M,观测,粒子散射的仪器装置示意图,粒子：它带有两个单位的正电荷。（也就是氦原子核）,原子结构-粒子散射实验二、原子结构RFSM观测粒子散,原子结构,-,粒子散射实验,实验结果,1,、绝大多数,粒子穿过金箔后仍沿直线前进；,2,、少数,粒子发生了较小的偏转；,3,、极少数,粒子的偏转超过,90,，有的甚至几乎达到,180,而被反弹回来。,原子结构-粒子散射实验实验结果,原子结构,-,粒子散射实验,枣糕模型学说,粒子,原子结构-粒子散射实验枣糕模型学说粒子,原子结构,-,粒子散射实验,粒子,？,原子结构-粒子散射实验粒子？,原子结构,-,粒子散射实验,核式结构模型,枣糕模型,原子结构-粒子散射实验核式结构模型枣糕模型,原子结构,-,粒子散射实验,粒子,原子结构-粒子散射实验粒子,原子结构,-,粒子散射实验,分析：,粒子穿过原子时，电子对,粒子运动的,影响很小，影响,粒子运动的主要是带正电,的原子核对其产生的斥力。,原子结构-粒子散射实验分析：,原子结构,-,粒子散射实验,1.大多数的,粒子穿过原子时离核较远，受,到的斥力很小，运动方向几乎没有改变。,2.少数,粒子离核的距离稍近，受到斥力发生了,小角度的偏移。,3.极少数,粒子与核十分接近，受到较大斥力，,发生大角度的偏转或是反弹。,原子结构-粒子散射实验,原子结构,-,粒子散射实验,粒子散射实验的意义,汤姆逊模型不能说明实验中大角散射的事实，从而为卢瑟福提出的原子核式模型提供了依据。,原子结构-粒子散射实验,原子结构,-,粒子散射实验,1911,年 卢瑟福,核式模型,原子结构-粒子散射实验1911年 卢瑟福核式模型,原子结构,-,粒子散射实验,从实验观察到的散射角可以推算出正电体的大小为,10,15,10,14,米，而原子半径是,10,10,米，所以称之为原子核（,atomic nucleus,）。,原子结构-粒子散射实验,原子结构,-,粒子散射实验,卢瑟福被公认为是二十世纪最伟大的实验物理学家，在放射性和原子结构等方面，做出重大贡献。,原子结构-粒子散射实验,物质的结构,氢原子光谱的实验规律,氢原子光谱的实验规律（课下阅读）,通过光谱分析，原子光谱是线状光谱，反,映了原子内部结构的规律性。,原子光谱是原子发射的电磁辐射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。,物质的结构氢原子光谱的实验规律 原子光谱是原子发射的电磁辐,物质的结构,氢原子光谱的实验规律,氢原子光谱的谱线系可用一个通式表达为：,=R,H,1/K,2,+1/n,2,_,物质的结构氢原子光谱的实验规律氢原子光谱的谱线系可用一个通,原子结构,波尔提出假设的原因,原子的核模型指出，原子是由带正电荷的原子核和绕核运动的电子组成的，但这种模型与经典力学理论有两个尖锐的矛盾：,原子结构波尔提出假设的原因,原子结构,波尔提出假设的原因,1.,绕核运动的电子具有加速度，根据经典,力学理论，做加速运动的带电粒子应自动的,放出辐射，因而电子能量将逐渐减少，电子,会逐渐靠近原子核，最终被原子核吸收，从,而这样的原子应该是不稳定的系统；,原子结构波尔提出假设的原因 1.绕核运动的电子具有加速,原子结构,波尔提出假设的原因,2.,根据经典电动力学理论，电子放出辐,射的频率应等于绕原子核运动的频率，由,于电子的能量在连续运动中只能逐渐减,少，从而辐射的频率也应该逐渐变化，这,又与实验观察到的线状原子光谱相抵触。,原子结构波尔提出假设的原因 2.根据经典电动力学理论，电,原子结构,波尔的假设,为了对上述矛盾作出合理的解释，在原子的核式模型和原子光谱实验的基础上，波尔提出了两点基本假设：,原子结构波尔的假设为了对上述矛盾作出合理的解释，在原子的核,原子结构,波尔的假设,1.,原子内部存在一系列稳定的能量状态,E,1,E,2,E,3,En,。当原子处在任一稳定状态,时，电子绕原子核做圆周运动，虽有向心加,速度，却不向外辐射能量。一切能量的改变,都是由于吸收或发出辐射的结果，但是，只,能从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态，,而不能任意改变；,原子结构波尔的假设 1.原子内部存在一系列稳定的能量状态,原子结构,波尔的假设,2.,原子从一能量为,E,n,的稳定状态到另一能量,为,E,k,的稳定状态时，发射（或吸收）具有一,定频率的单色光，其频率为：,h,为普朗克常数,原子结构波尔的假设 2.原子从一能量为En的稳定状态到另一,原子结构,波尔的假设,原子状态,间的跃迁,E,1,E,2,E,3,辐射光子,吸收光子,原子结构波尔的假设原子状态E1E2E3辐射光子吸收光子,原子结构,波尔的假设,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（,energy level,）。,(P6,上的公式,1-11),n=1,的状态能量最低也最稳定，称为基态。,n=2,的能量状态称为第一激发态，,n=3,的能量状态称为第二激发态等等。,原子结构波尔的假设电子在不连续的轨道上运动，原子所具有的能,电子处于n=1的量子轨道时，原子的状态称为基态，当吸收了能量后，电子就过渡到n2的轨道，这一过程称为激发，原子的这种状态称为激发态,氢原子轨道及状态的过渡图,电子处于n=1的量子轨道时，原子的状态称为基态，当吸收了能量,放射物理与防护教学ppt课件：1第一章：物质的结构,原子结构,波尔的假设,电子在不同轨道上的能量大小与其所在的,轨道数有关，内层轨道的能级低，外层轨道,能级高。正常情况下，电子先填满内层轨,道，然后依次向外填充，这时原子处于最低,能量状态（能量最低原理）。,原子结构波尔的假设,原子结构,波尔的假设,当内层轨道电子从外界得到能量时会转移,到能量较高的外层轨道上去,此时的原子处于,不稳定状态,(,受激态,),根据能量最低原理,内层,轨道空位立刻有外层电子填充并释放能量,.,原子结构波尔的假设,原子结构,基态,：原子处于最低能量状态，电子运行时如既不向外界辐射也不向外界吸收能量，处于基态的原子最稳定。,受激态,：电子吸收了一定大小的能量后（某两个能级差的能量），电子跳跃到一更高的能级轨道上，此时原子不稳定，称受激态。,原子结构基态：原子处于最低能量状态，电子运行时如既不向外界,原子结构,跃迁,：外层轨道电子或自由电子填充空位，同时放出一个能量为,hv,的光子。（该光子的能量大小取决于两轨道之间的能级差）,电离,：电子吸收了足够大的能量而摆脱原子核的束缚而成为自由电子。,原子结构跃迁：外层轨道电子或自由电子填充空位，同时放出一个能,原子结构,hv,基态 受激态 基态,激发 跃迁,原子结构,原子结构,当原子从基态 到受激态再回到基态时，它将发射（或吸收）具有一定频率的单色光子，其频率为：,E,2,E,1,=,（,h,为普朗克常数）,h,原子结构当原子从基态 到受激态再回到基态时，它将发射（或吸收,原子结构,原子结构,原子结构,原子核外电子结构,一、空间量子化,主量子数,n,角量子数,l,(,轨道角动量量子数,),磁量子数,m,l,（轨道方向量子数）,自旋量子数,m,s,原子结构原子核外电子结构一、空间量子化,原子结构,原子核外电子结构,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。,核外电子按一定轨道高速绕核运行。通常每个轨道上只有一个电子，由于其运行受到多个参数的影响，故参数相近的电子近乎在同样的空间运行，这个容纳多个轨道的空间范围称为电子层。,原子结构原子核外电子结构主量子数n核外电子按一定轨道高速绕,原子结构,原子核外电子结构,主量子数,n,取,1,2,3,，,数值时，相应的电,子壳层可用,K,、,L,、,M,、,N,、,O,等符号表示。,各层轨道电子均有特定的能量。,主量子数,n,愈大，说明电子距核愈远，原,子能级愈高。,主量子数,n,是决定原子能级的重要因素。,原子结构原子核外电子结构主量子数n取1,2,3，数值时，,原子结构,原子核外电子结构,角量子数,l,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,。,原子结构原子核外电子结构 角量子数 l,原子结构,原子核外电子结构,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。,原子结构原子核外电子结构,原子结构,原子核外电子结构,磁量子数,m,l,由于原子是立体的，各种轨道平面的空间应有一定的取向。,原子结构原子核外电子结构,原子结构,原子核外电子结构,自旋量子数,m,s,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。电子的自旋状态由自旋量子数,m,s,决定，自旋量子数,m,s,可取,m,s,=12,原子结构原子核外电子结构电子绕原子核运动与地球绕太阳运动相,原子结构,原子核外电子结构,绕原子核运动的电子都可用四个量子数,（,n,，,l,，,m,l,，,m,s,）,来描述它们所处的状态。,原子结构原子核外电子结构,原子结构,原子核外电子结构,二、电子的壳层结构,泡利不相容原理,在同一原子中,不能有两个或两个以上的,电子具有,4,个完全相同的量子数。也就是说，,一个量子态最多只容纳一个电子。,原子结构原子核外电子结构二、电子的壳层结构,原子结构,原子核外电子结构,主量子数为,n,的主壳层中，最多容纳的电子数为,原子结构原子核外电子结构主量子数为n的主壳层中，最多容纳的,原子结构,原子核外电子结构,壳层 能级次序 各能级的电子数 满壳层,电子总数,K 1s 2 2,L 2s,2p 2,6 10,M 3s,3p 2,6 18,N 4s,3d,4p 2,10,6 36,O 5s,4d,5p 2,10,6 54,P 6s,4f,5d,6p 2,14,10,6 86,Q 7s,5f,6d,2,14,10,原子结构原子核外电子结构壳层 能级次序 各能级的电,原子结构,原子核外电子结构,三、原子核外壳层电子的结合能,原子核对核外电子有很强的吸引力，离核,最近的,K,层电子所受引力最大。,显然，要从原,子中移走,K,电子所需能量也最多，外层电子受,核的引力较小，移走外层电子所需能量也较,少。,原子结构原子核外电子结构三、原子核外壳层电子的结合能,原子结构,原子核外电子结构,通常把移走原子中某壳层轨道电子所需要,的最小能量，称为该壳层电子在原子中的结,合能,(blinding energy),。,原子结构原子核外电子结构,原子结构,原子核外电子结构,原子结构原子核外电子结构,物质的结构,原子核结构,一,、原子核组成,原子核的结构,：质子（,proton,）和中子,(neutron),。,通常又把质子和中子统称为核子,。,中子不带电荷,每个质子带1个单位的正电荷,物质的结构原子核结构中子不带电荷每个质子带1个单位的正电荷,物质的结构,原子核结构,原子核,中子,质子,核子,物质的结构原子核结构原子核中子质子核子,物质的结构,原子核结构,原子核所带电荷数由质子数决定。核电荷数用,Z,表示。,核电荷数,(Z)=,核内质子数,=,核外电子数,其中,X,表示原子，,A,为质量数；,Z,为质子数,(,即原子序数,),物质的结构原子核结构原子核所带电荷数由质子数决定。核电荷数,物质的结构,原子核结构,质量数,(A)=,质子数,(Z)+,中子数,(N),只要知道上述,3,个数中任意,2,个，就可推算出另,1,个的数值来。如钨原子核内有,74,个质子，质量数为,184,，则中子数为：,N=A Z=184 74=110,碘的原子质量数为,131,，核内具有,53,个质子，则中子数为：,N=A Z=131 53=78,物质的结构原子核结构 质量数(A)=质子数(Z)+中子,物质的结构,原子核结构,根据在核内中子数和质子数不同的比例，可,以把原子分为以下几种类型：,同位素：质子数相同，中子数不同；,同中子异核素：中子数相同质子数不同；,同量异位素：核子数相同而质子数不同；,同质异能素：中子数质子数都相同，只是能量状态不同。,物质的结构原子核结构根据在核内中子数和质子数不同的比例，可,物质的结构,原子核结构,同位素,(isotope),质子数相同，中子数不同；,几乎所有元素都有同位素。,所有不同类型的原子，即所有同位素统称为核素。,已知的,119,种元素有,2000,余种同位素。,物质的结构原子核结构同位素(isotope),物质的结构,原子核结构,例如氢元素,H,，,H,在元素周期表中处于同一位置，因质量数不同它有三种核素，分别为氕、氘、氚。但它们的原子序数相同，可互称同位素。,重氢和超重氢是制造氢弹的原材料。,物质的结构原子核结构例如氢元素H，H在元素周期表中处于同,物质的结构,原子核结构,氢的同位素,H-1,Z=1，N=0,H-2,Z=1，N=1,H-3,Z=1，N=2,氕,氘,氚,不含中子的氢原子,氘含有一个中子，是重氢,氚则含有两个中子，是超重氢,物质的结构原子核结构氢的同位素H-1H-2H-3氕氘氚不含,物质的结构,原子核结构,氢元素,H,的三种核素，氕、氘、氚。,各自的质量数是多少？,质量数(A)=质子数(Z)+中子数(N),物质的结构原子核结构氢元素H的三种核素，氕、氘、氚。质量,原子核结构,原子核结合能,二、原子核结合能,相对论质能关系,E,代表能量,m,代表质量,c,代表光速（,3*10,8,m/s,）,原子核结构原子核结合能二、原子核结合能,原子核结构,原子核结合能,原子核的质量与结合能,所有原子核的质量都小于构成它的核,子质量之和，两者之差成为原子核的质,量亏损。,原子核结构原子核结合能原子核的质量与结合能,原子核结构,原子核结合能,原子核的结合能,与质量亏损相联系的能量，表示自由状态,的单个核子结合成原子核时所释放出来的能,量，称为原子核的结合能。,原子核结构原子核结合能原子核的结合能,原子核结构,原子核结合能,显然结合能愈大，核子结合成原子核时放,出的能量也愈大，核的结合状态就愈紧密，,相应要拆散这个核就愈困难。,原子核结构原子核结合能,原子核结构,原子核自旋,三、原子核自旋与核磁旋,原子核的自旋,原子核具有一定的质量和大小，故可将其看做球体。同电子一样，大多数原子核具有自旋特性。,原子核自旋情况由核的自旋量子数,I,来表征。,原子核结构原子核自旋三、原子核自旋与核磁旋,原子核结构,原子核自旋,核的自旋量子数,I,，只能取整数或半整数，即只能取,0,，,1/2,，,1,，,3/2,，,的取值与构成原子核的中子数和质子数有关。,质子数中子数都是偶数的核；,质子数中子数都是奇数的核；,I,=0，无自旋，例如：,12,6,C，,16,8,O,3，2,16,S等核。,I,=1,2,3等整数，有自旋。,原子核结构原子核自旋核的自旋量子数I，只能取整数或半整数，,原子核结构,原子核自旋,质子数中子数中有一个为奇数一个为偶数。,原子核的自旋运动用自旋角动量,L,I,来描述,，,原子核的角动量习惯上称自旋。,I,=1/2,3/2等半整数，有自旋。,原子核结构原子核自旋质子数中子数中有一个为奇数一个为偶数。,原子核结构,原子核的磁矩,原子核的磁矩,原子核是带正电的粒子，原子核的电荷均匀地分布在它的表面上。,由于I,0的核有自旋运动，上述电荷也随之围绕自旋轴旋转，其效应相当于环型电流，结果使它周围出现磁场，这时的核很像一个小磁体。,原子核结构原子核的磁矩原子核的磁矩,物质的结构,第三节磁共振,第四节的磁共振现象的医学应用,这两节课在核磁成像技术中会有详细讲解。,物质的结构第三节磁共振,物质的结构,小结,1,、卢瑟福的,粒子散射实验的现象和重要意义？,2,、波尔理论的基本假设？,3,、原子核的结构？,4,、同位素？,物质的结构小结1、卢瑟福的粒子散射实验的现象和重要意义？,物质的结构,小测试,简述波尔理论的基本假设？,1、原子内部存在一系列稳定的能量状态E1,E2,E3En,。当原子处在任一稳定状态时，电子绕原子核做圆周运动，虽有向心加速度，却不向外辐射能量。,2、原子从一能量为En的稳定状态到另一能量,为Ek的稳定状态时，发射（或吸收）具有一,定频率的单色光，其频率为：,物质的结构小测试简述波尔理论的基本假设？1、原子内部存在一系,物质的结构,小测试,1.,关于物质结构的叙述，错误的是：,A.,物质由原子组成,B.,核外电子具有不同壳层,C.,一般每层上的电子数最多是,2n2,个,D.,核外的带负电荷的电子出现的几率称为“电子云”,E.,最外层电子数最多不超过,10,个,答案:E,最外层电子数最多不超过8个,物质的结构小测试1.关于物质结构的叙述，错误的是：答案:E,物质的结构,小测试,2.,移走原子中某壳层轨道电子所需要的最小能量是：,A.,高能级,B.,激发能,C.,电离能,D.,结合能,E.,跃迁,答案：D,物质的结构小测试2.移走原子中某壳层轨道电子所需要的最小能量,物质的结构,小测试,3.,描述绕原子核运动的电子所处的状态的量子数有：,A.,主量子数,n,B.,角量子数,l,C.,磁量子数,m,l,D.,自旋量子数,m,s,E.,以上都可以,答案：E,物质的结构小测试3.描述绕原子核运动的电子所处的状态的量子数,物质的结构,小测试,4.,原子能级与结合能的关系是：,A.,原子能级是结合能的负值,B.,二者绝对值相等,C.,二者符号相反,D.,以上都对,E.,以上都不对,答案：,D,物质的结构小测试4.原子能级与结合能的关系是：答案：D,物质的结构,小测试,同位素？,是指有相同的质子数（原子序数）和不同的中子数的同一类元素称为同位素(isotope)。,物质的结构小测试同位素？是指有相同的质子数（原子序数）和不同,谢谢,谢谢,