《自然科學基礎》第三章課件

1、構成物質世界的磚石揭開原子微觀世界的神秘面紗01 物質微觀結構的探索原子結構模型探索質子、中子的發(fā)現(xiàn)基本粒子大家族 近代以來的物理學研究發(fā)現(xiàn)，物質是由不同層次的微粒構成的，就微觀結構來說呈現(xiàn)“梯級結構”模式。二三百年前，人們發(fā)現(xiàn)物質是由分子構成的，分子是由原子構成的。到19世紀末，在科學實驗基礎上，科學家認識到原子由原子核和核外電子構成。20世紀30年代，人們發(fā)現(xiàn)原子核又是由質子和中子組成的。到此，曾有人以為找到了構成物質的最小“磚石”，這就是微觀世界的終極。然而，不久人們就發(fā)現(xiàn)了這種認識的局限性。 對來自更外層空間的宇宙射線的觀察分析，以及通過高能加速器的一系列實驗，比上述微粒更小、更基本的

2、大批新粒子，如介子、中微子、反粒子、夸克等，接二連三地猛然撞進我們的眼簾。人們發(fā)現(xiàn)了物質結構的更深的層次，質子和中子等所謂基本粒子大都是由叫做夸克的更小的粒子組成的。許多人相信，隨著實驗手段的改進，有可能發(fā)現(xiàn)更為基本的微觀層次。這種認識的深化和遞進，永遠不會有終結。 1895年11月8日夜晚，德國著名的物理學家倫琴（W. K. Rontgen，18451923）又和往常一樣，獨自一人來到實驗室做陰極射線管中氣體放電的實驗（見圖3-1）。實驗室里一片漆黑，為了防止漏光，倫琴又用黑紙將陰極射線管包裹嚴實。當接通電路以后，他意外地發(fā)現(xiàn)，放在1米外的一塊熒光屏（涂有熒光材料鉑氰酸鋇）在閃光。 他發(fā)現(xiàn)這

3、一射線有極強的穿透力，能夠穿透書本、木板、衣料，還能夠透視人體。因為倫琴弄不清它的本性，就稱它為X射線。為了紀念這位科學家的發(fā)現(xiàn)，X射線也稱為“倫琴射線”。1X射線的發(fā)現(xiàn)圖3-1 陰極射線管中氣體放電實驗 倫琴把他的發(fā)現(xiàn)寫成論文，于1895年12月28日在德國的科學雜志上發(fā)表。倫琴的發(fā)現(xiàn)立刻震動了世界，不僅在科學界，社會上也轟動了，各種報紙和雜志都在講X射線，有的還刊載了第一張X射線照片倫琴夫人的手（見圖3-2）。X射線在醫(yī)學上有很高的價值。據(jù)說傳到美國才4天，美國外科醫(yī)生就用X射線為一名傷員找出了腿上的子彈。1X射線的發(fā)現(xiàn) 圖3-2 倫琴夫人手的X射線照片 1896年，法國物理學家貝克勒爾（

4、A. H. Becquerel，18521908）在研究熒光礦物的性質時，發(fā)現(xiàn)鈾鹽會導致黑紙包裹著的照像底片感光。進一步的實驗使貝克勒爾逐漸明白，促使底片感光的是一種人們從未研究過的新射線，其射線源就是鈾。這是人類第一次發(fā)現(xiàn)某些元素自身具有自發(fā)輻射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為天然放射性，具有放射性的元素稱為放射性元素。貝克勒爾的發(fā)現(xiàn)是19世紀末最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，成為人類打開原子大門的鑰匙。 放射性現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后不久，經過科學家們的精確分析，弄清了放射性元素發(fā)出的射線中包含著、三種射線。這三種射線均可根據(jù)它們在電場或磁場中的不同軌跡來區(qū)分，如圖3-3所示。2天然放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)圖3-3 三種射線在磁場中發(fā)生不

5、同的偏轉 1878年，英國科學家克魯克斯研究發(fā)現(xiàn)，當管內陰極前面放有障礙物時，對面發(fā)光的玻璃上便會出現(xiàn)陰影（見圖3-4）；若放一個可以轉動的小葉輪，那葉輪就會轉動起來（見圖3-5）。這就證明，從陰極發(fā)射出來的是一束看不見的、具有一定質量和速度的粒子流。3電子的發(fā)現(xiàn)圖3-4 陰極射線可以生成影子 圖3-5 陰極射線使葉輪轉動 人們從實驗中還發(fā)現(xiàn)，陰極射線在電場或磁場中會發(fā)生偏轉（見圖3-6）。在電場中，射線偏向正極。這就進一步說明，陰極射線是帶負電的微粒流。3電子的發(fā)現(xiàn)圖3-6 陰極射線在磁場中偏轉 1903年，也就是發(fā)現(xiàn)電子6年以后，湯姆遜總結已經發(fā)現(xiàn)的事實，第一個提出了原子結構的理論。他給原

6、子王國描繪了這樣一幅圖像：原子是一個均勻的帶正電的球，在這個球里面，飄浮著許多電子。這許多電子帶的負電，正好與這個球所帶的正電相等，所以整個原子是中性的。如果失掉了幾個電子，這個原子的正電荷就過多了，形成陽離子；如果多了幾個電子的話，這個原子的負電荷就過多了，形成陰離子。在湯姆遜提出的這種原子模型中，電子鑲嵌在正電荷液體中，就像葡萄干點綴在一塊蛋糕里一樣，所以又被人們稱為“葡萄干蛋糕模型”，如圖3-7所示。1湯姆遜的葡萄干蛋糕模型圖3-7 湯姆遜葡萄干蛋糕模型 盧瑟福是英籍新西蘭物理學家，1895年他來到英國成為了湯姆遜的一名研究生。由于在放射性研究方面的出色成果，早在1908年他就獲得了諾貝

7、爾化學獎。 1909年，盧瑟福指導他的學生蓋革、馬斯登等進行了著名的粒子散射的研究。他們用粒子去轟擊很薄的金箔做的靶子（410-7 m厚的金箔）時，從大量的觀察記錄中，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)粒子直接穿過了金箔，居然約有八千分之一的粒子偏轉90，甚至有少數(shù)被彈回來（約占總數(shù)的1/20 000）（見圖3-8）。2盧瑟福的原子有核模型圖3-8 粒子的散射圖像 經過嚴謹?shù)睦碚撏茖?，盧瑟福于1911年提出了原子的“有核結構模型”，如圖3-9所示。盧瑟福所設想的原子模型是這樣的：原子內部并非是均勻的，它的大部分空間是空虛的，它的中心有一個體積很小、質量較大、帶正電的核，原子的全部正電荷都集中在這個核上。帶負電的電子

8、則以某種方式分布于核外的空間中。2盧瑟福的原子有核模型圖3-9 盧瑟福的有核結構模型 盧瑟福的有核原子模型，其主要困難為不能解釋原子的穩(wěn)定性。根據(jù)已經知道的電磁運動的規(guī)律，電子在運動的時候會放出電磁波（能量）。因此，繞著原子核旋轉的電子，因為能量逐漸減小，應當沿著一條螺旋形的軌道轉動，離中心的原子核越來越近，最后碰在原子核上，如圖3-10所示。這樣一來，原子就被破壞了。實際上，原子很穩(wěn)定，有一定大小，并沒有發(fā)生這種電子同原子核碰撞的情況。這該怎樣解釋呢？3玻爾的原子結構模型圖3-10 電子軌道半徑不斷縮小 玻爾作為盧瑟福的學生，他相信原子有核結構的猜想是正確的，但又認為建立在實驗基礎上的盧瑟福

9、模型同當代的物理學說是水火不相容的，這種矛盾并不表示盧瑟福模型不行，而是預示著在原子世界中存在著全新的物理規(guī)律，這種規(guī)律是經典物理學所不能解釋的，必須從根本上另找出路。于是，他毅然決定不應該再把經典電磁理論的規(guī)律強加于原子。他想到了普朗克的能量子假說，他把有核結構的思想與能量子假說結合起來，對盧瑟福的模型加以修正，于1913年提出了他的原子結構能級模型（見圖3-11），邁出了革命性的一步。3玻爾的原子結構模型圖3-11 玻爾的能級模型 1919年，盧瑟福首先做了用粒子轟擊氮原子核的實驗，實驗裝置如圖3-13所示。容器C里有放射性物質A，從A射出的粒子射到鋁箔F上，在F后面放一熒光屏S，用顯微鏡

10、M來觀察熒光屏上是否出現(xiàn)閃光。適當選取鋁箔的厚度，使容器C抽成真空后，粒子恰好被F吸收而不能透過，于是在顯微鏡M中看不到熒光屏上的閃光。然后通過閥門T往容器C里通入某種氣體，看看粒子能不能從氣體的原子核中打出什么粒子。盧瑟福曾用不同的氣體做了實驗。當容器C里通入氮氣后，盧瑟福從熒光屏S上觀察到了閃光，他斷定這閃光一定是粒子擊中氮核后從核中飛出的新粒子透過鋁箔打到熒光屏上引起的。盧瑟福把這種粒子引進電場和磁場中，根據(jù)它在電場和磁場中的偏轉，測出了它的質量和電量，確定它就是氫原子核。1質子的發(fā)現(xiàn)圖3-13 盧瑟福人工核反應實驗裝置圖 這一年是1932年，見到德國和法國同行的實驗結果后，查德威克意識

11、到這種新射線很可能就是多年來苦苦尋找的中子。他指出，射線沒有質量，根本就不可能將質子從原子核里撞出來，只有那些與質子質量大體相當?shù)牧Ｗ硬庞羞@種可能。其次，查德威克想辦法測量了這種粒子的質量，還確證了它確實是電中性的。中子就這樣被發(fā)現(xiàn)了，核反應方程為： 查德威克因發(fā)現(xiàn)中子而榮獲了1933年諾貝爾物理學獎。2中子的發(fā)現(xiàn) 前面介紹了電子、質子和中子，而且一切實物都是由這三種粒子組成。除此以外，電磁理論的發(fā)展結果還使我們知道有另一種粒子光子，它是構成電磁場的基本單元。人們便將這4種粒子質子（p）、中子（n）、電子（e）、光子（r ），統(tǒng)稱為“基本粒子”，由它們構成物質世界中的一切實物與場，物質世界的這

12、幅構成圖式如圖3-14所示。圖3-14 物質世界的基本粒子構成 正電子（e+）的發(fā)現(xiàn)和電子不同，它是先有理論預言，然后才被實驗證實。 這種前所未知的粒子與電子的質量相同，但電荷卻相反，而這恰好是狄拉克所預言的反電子。當時安德森并不知道狄拉克的預言，他把所發(fā)現(xiàn)的粒子叫做“正電子”。 實驗證實了理論，在諾貝爾獎金獲得者的名單上又增添了安德森、狄拉克。（一）幾種重要基本粒子的發(fā)現(xiàn)1正電子的發(fā)現(xiàn) 凡是質量、壽命等性質與某種粒子完全相同，但電荷以及一些量子數(shù)與這種粒子異號的粒子，稱為這種粒子的反粒子。例如，正電子就是電子的反電子。 原來在我們的周圍世界，反物質只要一露頭，就會與正物質相結合，并迅速湮沒。

13、因此，在我們這個物質世界里，是很難找到反物質的。狄拉克說過，在宇宙空間，有的星球可能是反物質構成的。相信狄拉克這一大膽預言的大有人在，而不相信狄拉克的預言的人也不是少數(shù)，他們堅持，只有找到了反物質組成的星球，才能相信狄拉克的預言是正確的。（一）幾種重要基本粒子的發(fā)現(xiàn)2諸多反粒子的發(fā)現(xiàn) 原子核的衰變現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以后，物理學家對它進行了認真的研究，發(fā)現(xiàn)衰變后的總能量比衰變前少。奧地利物理學家泡利1931年大膽提出一個假設，如果衰變遵守能量守恒定律的話，那么在衰變過程中應當還有一種質量極小又不帶電荷的粒子存在。 泡利的假設提出后不久，1933年費米就在此基礎上提出了衰變理論，并把泡利預言的這樣一種不帶

14、電的、質量極小的粒子命名為“中微子”，以區(qū)別中子，并用v表示。他認為根據(jù)中微子假設，衰變實際上是中子轉變?yōu)橘|子、電子和中微子的過程。后來人們知道，費米所說的中微子其實是“反中微子”。（一）幾種重要基本粒子的發(fā)現(xiàn)3中微子的發(fā)現(xiàn) 1936年，安德森在研究宇宙射線時，發(fā)現(xiàn)一種具有中等質量的粒子，它只比湯川所預言的介子輕一點點。當時大家以為這就是期待已久的介子，但是進一步的研究表明，這種粒子并沒有湯川所預言的性質。對此，日本理論物理學家坂田昌一等人在1942年又提出了“兩種介子”的假說：湯川所預言的是一種介子，它是核力的攜帶者，參與強作用。而安德森發(fā)現(xiàn)的則是另一種介子，它與原子核幾乎不發(fā)生相互作用（即

15、“子”）。到1947年，英國物理學家鮑威爾終于在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了湯川所預言的介子，即介子。為此，湯川于1949年、鮑威爾于1950年獲得了諾貝爾物理獎。（一）幾種重要基本粒子的發(fā)現(xiàn)4介子的發(fā)現(xiàn) 迄今為止，人們已發(fā)現(xiàn)300多種基本粒子，而且還在不斷增加。這么多粒子會不會都是 “基本”粒子呢？近20年來，大量的實驗結果和理論研究都認為：基本粒子并不基本，是有內部結構的。然而，探索基本粒子結構并不是一件輕而易舉的事情。目前，對基本粒子結構的探索仍然限于提出一些模型的階段。（二）基本粒子結構的探索元素同位素 02 化學上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一元素周期律元素周期律元素就是具有相同核電荷數(shù)（即核內質子數(shù)）的一類

16、原子的總稱。元素可以分為金屬和非金屬兩類。元素中約有1/5是非金屬，包括所有的氣體，一種液體（溴）和數(shù)種固體（如碘）；4/5是金屬，金屬元素除了汞（Hg，見圖3-15）以外，全部都是固體。在元素周期表中，梯形分界線附近的元素同時擁有金屬和非金屬的性質，稱為半金屬，如硼和硅。圖3-15 金屬汞 不同的物質，組成不同。地殼是由沙、黏土、巖石等組成，其中含量最多的元素是氧，其他元素含量從高到低依次是硅、鋁、鐵、鈣等，如圖3-16所示。海洋占地球表面的71%，其中含量最多的元素也是氧，其次是氫，這兩種元素約占海水總量的96.5%。水占人體體重的70%左右。人體的元素中含量最多的是氧，其次是碳、氫、氮。

17、人體的元素組成與海水很接近，這也許是“海是一切生命的發(fā)源地”的一種證明，如圖3-17所示。太陽中最豐富的元素是氫，其次是氦，還有碳、氮、氧和多種金屬元素。 圖3-16 元素在地殼中的分布 圖3-17 元素在人體中的分布 人們把質子數(shù)相同而中子數(shù)不同的同一元素的不同原子互稱為同位素。把具有一定數(shù)目的質子和一定數(shù)目中子的一種原子叫做核素，如 、 、 是氫元素的三種不同的核素，這三種核素均是氫的同位素。這里的“同位”是指這幾種核素的質子數(shù)（核電荷數(shù)）相同，在元素周期表中占據(jù)同一個位置的意思。 元素周期表是元素周期律的具體表現(xiàn)形式，它反應了元素之間的相互聯(lián)系的規(guī)律，是對元素的一種很好的自然分類，是我們

18、學習和研究化學的一種工具。我們可以利用元素的性質，及其在周期表中的位置和原子結構三者之間的密切關系，來指導我們對化學的學習和研究。物質的變化探索化學反應的證據(jù) 03 化學反應描述化學反應控制化學反應（一）物質的變化1物理變化2化學變化 并不是所有的變化都會產生新物質。僅在外形和狀態(tài)上發(fā)生變化，但沒有生成新物質的變化稱為物理變化（physical change）。 在變化時生成了新物質的變化稱為化學變化（chemical change）。新物質與原物質相比，元素種類和原子總數(shù)相同，但其組合不同，因為元素的原子重新排列而產生了新物質。單質可以組成化合物，化合物既可以分解為單質，也可轉變成其他化合物

19、。（二）觀察化學反應 通過觀察物質性質的變化，可以檢驗化學反應?；瘜W變化的結果是新物質的生成，但你怎樣知道生成了新物質呢？有時產生氣體，如可以在液體中看到氣泡；有時兩種溶液混合，出現(xiàn)了固體，產生氣體、沉淀，顏色或者其他性質發(fā)生了變化，這些都表明可能生成了新物質。在反應過程中，能量也會發(fā)生變化，通常能量變化以溫度變化的形式表現(xiàn)出來。1沉淀生成 兩種透明溶液混合，生成沉淀，沉淀的出現(xiàn)表明化學變化已發(fā)生。2顏色改變 顏色改變常常是化學反應發(fā)生的標志。3氣體產生 在光合作用過程中，植物的葉子上有氧氣氣泡生成，氧氣是由二氧化碳和植物細胞內的水反應得到的。（一）化學反應的現(xiàn)象4溫度變化 反應過程中的能量變

20、化使溫度升高或降低。例如，天然氣燃燒產生的熱量使水沸騰。5性質變化 把面粉、水和其他配料烤成一個光亮的面包，咀嚼時“吱吱”發(fā)響的表皮和當初放進爐中的柔軟面團已經完全不同。（一）化學反應的現(xiàn)象（二）化學反應的微觀認識1原子和分子 所有的物質都是由肉眼看不見的粒子組成的。元素的最小單元是原子（atom）。一種元素的所有原子具有相同的化學性質，不同元素的原子具有不同的化學性質。 兩個或兩個以上的原子組成分子（molecule）。2化學鍵和化學反應 把原子和原子結合在一起的力稱為化學鍵（chemical bond）?；瘜W鍵決定物質的性質，化學反應就是一些化學鍵斷裂和另一些化學鍵的生成。當舊的化學鍵斷裂

21、、新的化學鍵生成時，原子重新組合，就得到了性質不同的新物質。（一）化學方程式的書寫1化學式 大多數(shù)元素的符號是它們英文名稱的前一個或兩個字母，也有一些是希臘文、拉丁文或阿拉伯文名稱的縮寫?；瘜W式是用元素符號表示的化合物分子中各元素的原子種類及個數(shù)。（一）化學方程式的書寫2化學方程式的結構 一個化學方程式概括了化學反應中的變化，它可以表明用來反應的物質和最后得到的物質。開始反應的物質稱為反應物（reactant），反應后生成的新物質就是產物（product）?；瘜W方程式的書寫方法如下：用化學式描述化學反應中的反應物與產物；反應物寫在方程式的左邊，產物寫在方程式的右邊。即反應物 + 反應物 產物

22、+ 產物（一）化學方程式的書寫3質量守恒 不管有多少反應物或產物，所有參與反應的原子在反應結束時仍然全部存在。原子以與開始時同樣的原子形式存在，但它們相互組成分子的方式發(fā)生了變化。由于化學反應中物質的總量沒有發(fā)生變化，所以反應物的總質量等于產物的總質量，這一定律稱為質量守恒定律。這一定律表明，在化學反應中，物質的總質量不會發(fā)生變化。（一）化學方程式的書寫例如：鐵屑與硫粉混合加熱生成硫化亞鐵，這一過程也遵循質量守恒定律，如圖3-18所示。表面上看來，某些反應似乎違背了質量守恒定律。例如，木材燃燒后，木材燃燒后，如果只稱冷卻后的灰燼（見圖3-19），則其質量與原先的木材相比減少了。（見圖3-19）

23、圖3-18 鐵屑與硫粉混合加熱生成硫化亞鐵 圖3-19 木材燃燒后剩下的灰燼（二）化學方程式配平 對于化學方程式來說，質量守恒定律意味著什么呢？化學反應中，反應物的總質量等于生成物的總質量，這是因為反應前后，元素的原子個數(shù)保持不變。因此，要準確反映一個化學反應，化學方程式兩邊同種原子的數(shù)目必須相等，化學上稱之為配平。（三）化學反應分類1化合反應 兩種或兩種以上的物質（單質或化合物）反應，生成一種較復雜物質的反應就是化合反應（conbination reaction）?；系囊馑季褪前盐镔|合起來，如氫氣和氧氣作用生成水的反應就是一種化合反應，它由兩種物質合成一種化合物。（三）化學反應分類2分解反

24、應 與化合反應相反，分解反應（decomposition）是把復雜的化合物分成幾種較簡單的化合物或單質。汽車中的安全氣囊（見圖3-20）也是根據(jù)分解反應的原理制成的。當汽車撞擊時，氣囊中的雷管發(fā)生爆炸，引起一種由鈉與氮組成的化合物快速分解，產生大量的氮氣。圖3-20 安全氣囊（三）化學反應分類在化學反應中，一種單質與一種化合物反應生成另一種單質和另一化合物，這類反應稱為置換反應（replacement reaction）。例如，純銅是通過加熱含氧化銅的礦石和焦炭制得的，其化學方程式為：3置換反應2CuO + C2Cu + CO2加熱（三）化學反應分類 在化學反應中，還有一類反應是兩種化合物相互交換成分生成另外兩種化合物，這種反應稱為復分解反應。其實質是：發(fā)生復分解反應的兩種物質在水溶液中