物質(zhì)的結(jié)構(gòu)講解

學(xué)習(xí)目標1、掌握盧瑟福的α粒子散射實驗的現(xiàn)象及重要意義；玻爾理論的基本假設(shè)；原子核結(jié)構(gòu)2、熟悉核外電子結(jié)構(gòu)3、了解核磁矩在外磁場中的進動；磁共振現(xiàn)象及核自旋弛豫；磁共振現(xiàn)象的醫(yī)學(xué)應(yīng)用原子結(jié)構(gòu)湯姆遜的原子結(jié)構(gòu)模型盧瑟福α粒子散射實驗正電荷電子正電荷平均分布電子鑲嵌于原子中α粒子盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)原子核電子電子軌道原子半徑10-10米原子核半徑10-15米氫原子光譜的實驗規(guī)律氫原子光譜的實驗規(guī)律→→→→玻爾假設(shè)第一，在原子內(nèi)部存在一系列穩(wěn)定的能量狀態(tài)E1，E2，E3，···，當(dāng)原子處在任一穩(wěn)定能態(tài)時，電子繞原子核作圓周運動，雖有向心加速度，也不向外輻射能量。而且，只有當(dāng)電子的角動量等于的整數(shù)倍的那些軌道才是可能的，即n=l，2，3，···

稱為量子數(shù)

玻爾假設(shè)第二，當(dāng)原子從能量狀態(tài)躍遷到能量狀態(tài)時，它將發(fā)射（或吸收）一個單色的光子，其頻率由下式?jīng)Q定原子能級電子的軌道半徑只能取如此一系列的不連續(xù)值原子能級n=1時，能量最低，也最穩(wěn)定，稱為基態(tài)；n=2能量狀態(tài)稱為第一激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)原子不穩(wěn)定，容易躍遷到低激發(fā)態(tài)或基態(tài)電子處在不連續(xù)的軌道上，原子所具有的這種不連續(xù)的能量狀態(tài)稱為原子能級。原子核外電子結(jié)構(gòu)主量子數(shù)n取1,2,3，...時，相應(yīng)的電子殼層用K、L、M、N、O等符號表示；角量子數(shù)l取0,1,2，...，n-1，對應(yīng)電子亞層用s、p、d、f等符號表示。主量子數(shù)為n的殼層最多能容納電子數(shù)為2n2原子結(jié)合能：移走原子中某層軌道電子所需要的最小能量最內(nèi)層最大原子核的組成原子核由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成原子的質(zhì)量幾乎全部集中在原子核上X表示

元素符號Z表示

質(zhì)子數(shù)A表示

質(zhì)量數(shù)原子核的組成同位素：有相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的原子。同中子異核素：有相同的中子數(shù)而質(zhì)子數(shù)不同的原子。同量異位素：有相同的核子數(shù)而質(zhì)子數(shù)不同的原子。同質(zhì)異能素：有相同的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)，只是能量狀態(tài)不同。原子核分為穩(wěn)定核和不穩(wěn)定性核(放射性原子核)放射性核：質(zhì)子和中子的比例異常，能進行核衰變產(chǎn)生放射線，可用于放射治療原子核結(jié)合能質(zhì)能關(guān)系：E=mc2(△E=△mc2)質(zhì)量虧損：原子核的質(zhì)量都小于組成它的核子質(zhì)量之和，這個差值稱為質(zhì)量虧損。結(jié)合能：與質(zhì)量虧損

M相聯(lián)系的能量

M

c2，表示這些自由狀態(tài)的單個核子結(jié)合成原子核時所釋放出來的能量。原子核自旋自旋：原子核繞自身轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的特性質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)決定原子核是否具有自旋特性①質(zhì)子數(shù)為偶數(shù)，中子數(shù)為偶數(shù)，自旋量子數(shù)I=0，不能自旋，比如126C、168O②質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有一個奇數(shù)，另一個是偶數(shù)，自旋量子數(shù)I=1/2,3/2,5/2;比如11H、136C③質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是奇數(shù)，自旋量子數(shù)=1,2,3;比如21H、147N原子核自旋自旋角動量：原子核角動量在空間某一選定方向（例如z軸方向）上的投影也是量子化的。m為核自旋磁量子數(shù)，其可取的數(shù)值為I，I-1，···-I+1，-I，共有2I+1個值。原子核磁矩

z也是量子化的，共有2I+1個可能的取值

磁共振進動(旋進)：在靜磁場作用下，自旋核將如旋轉(zhuǎn)陀螺在地球引力場中繞靜場旋轉(zhuǎn)

進動的頻率取決于核的磁旋比與磁場的磁感應(yīng)強度拉莫爾頻率ω=γB0

與B0相互作用的能量為核磁矩在靜磁場中的能量也是量子化的磁共振磁共振m為核自旋磁量子數(shù)，其可取的數(shù)值為I，I-1，···-I+1，-I，共有2I+1個值。兩相鄰能級的能量差為γhB0；根據(jù)量子力學(xué)的選擇定則，只有磁量子數(shù)之差

m=±1時，相鄰兩能級間的躍遷才是允許的。磁共振磁共振：在靜磁場垂直方向施加射頻脈沖，當(dāng)脈沖頻率決定的能量與兩能級差相等時，自旋核將發(fā)生躍遷。發(fā)生共振吸收的射頻場角頻率等于自旋核在磁場中旋進的角頻率，這就是磁共振條件。磁共振磁化強度矢量：組成物體的大量的原子核磁矩的矢量總和。在平衡狀態(tài)下，磁化強度矢量與外加磁場B0方向一致，磁化強度矢量的z分量Mz=M0，Mz被稱為縱向分量，此時不存在橫向磁化強度矢量Mxy

。在垂直于B0的方向施加射頻電磁波，如果足夠多的能量被自旋核吸收，則有可能使自旋核達到飽和狀態(tài)，即，Mz=0，Mxy=M0磁共振核自旋弛豫：射頻脈沖發(fā)射結(jié)束后，處于非平衡狀態(tài)(高能態(tài))的原子核將逐漸恢復(fù)為平衡狀態(tài)(低能態(tài))的過程。分為橫向弛豫(T2)和縱向弛豫(T1)。磁共振波譜（MRS）分析MRS技術(shù)是獲得活體內(nèi)生化參數(shù)定量信息的唯一非侵入性技術(shù)，有助于對疾病的早期診斷、性質(zhì)鑒別、不同病理期區(qū)分及治療，特別是對腦梗死患者的早期診斷。磁共振成像利用人體不同組織之間、正常組織與病變組織之間的氫核密度、縱向弛豫時間、橫向弛豫時間、液體流速、液體的擴散與灌注、質(zhì)子在不同分子水平環(huán)境中的化學(xué)位移、局域氧合、局域含鐵以及膜的通透性等參數(shù)進行成像，反映出人體形態(tài)學(xué)、生化、病理等相關(guān)信息。磁共振現(xiàn)象的醫(yī)學(xué)應(yīng)用磁共振基本原理是利用一定頻率的電磁波，向處于磁場中的人體照射，人體中各種不同組織的氫核在電磁波作用下會發(fā)生磁共振，吸收電磁波的能量，隨后又發(fā)射電磁波。MRI系統(tǒng)探測到這些來自人體中的氫核發(fā)射出來的電磁波信號之后，經(jīng)計算機處理和圖像處理，得到人體的斷層圖像。磁共振現(xiàn)象的醫(yī)學(xué)應(yīng)用盧瑟福通過α粒子散射實驗，提出原子的核式模型結(jié)構(gòu)，玻爾在氫原子光譜的實驗基礎(chǔ)上結(jié)合量子論提出了原子能級的結(jié)構(gòu)：①電子只能沿某些特定的軌道運動，電子在這些軌道上運行不放出能量；②只有電子從一個高能態(tài)躍遷到另一個低能態(tài)時，原子體系才能釋放能量。