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第二节　微观世界的结构
第十四章　宇宙和微观世界
德谟克利特（公元前460—公元前370）
思维的火花
他提出朴素的原子论:宇宙万物是由最微小的、坚硬、不可入、不可分的物质微粒所构成.这种粒子叫做“原子”，这个词的原意是不可再分的意思。但缺少科学实验的证明。
“正像绿墙是由树干和枝叶组成似的，大自然的万物都由看不见的微小粒子——原子构成。原子不能消失，但也不会无中生有。”
——德谟克利特
道尔顿（1766—1844）
化合物和单质
德谟克利特的原子论缺少科学的实验基础，长期以来并不为人们所认同。
17世纪下半叶和18世纪，玻意耳和道尔顿通过研究和测量大量物质的化学反应，发现了：物质分化合物和单质，并认为原子是不可再分的最小单元。
用场离子显微镜拍摄的钨针针尖上的原子图样
分子与原子
DNA分子结构
1811年，意大利科学家阿伏伽德罗进一步指出,物质一般不是直接由原子组成，而是由几个原子相结合的分子构成的。
现在我们知道，常见的物质都由分子和原子组成的。
电子的发现
1897年，英国的物理学家汤姆孙发现，阴极射线在电场或磁场的作用下可发生偏转，偏转方向与带负电的粒子相同，从而发现了电子。电子的发现说明了原子是由电子和另一些物质组成。由于电子带负电，而原子是电中性的，所以那些物质一定带正电。 因此，汤姆孙获1906年诺贝尔物理学奖。
汤姆生的葡萄干蛋糕模型
英国物理学家汤姆生
（J.J.Thomson ,1856~1940）
电子是平均的分布在整个原子上的，就如同散布在一个均匀的正电荷的海洋之中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消。原子是一个带正电荷的球，电子镶嵌在里面，原子好似一块“葡萄干布丁”。
卢瑟福（1871－1937）
从1909年到1911年，英国科学家卢瑟福等人无数次地用高速α粒子轰击金箔，这种实验叫散射实验。他发现原子中带正电的物质只占很小的体积，但密度很大，几乎集中了原子的全部质量,称为原子核。
著名的 粒子散射实验
探究：卢瑟福的α粒子散射实验
1911年，英国科学家卢瑟福
用带正电的α粒子轰击金属箔，
实验发现多数α粒子穿过金属箔
后仍保持原来的运动方向，但有
少量的α粒子发生了较大的偏转。
问题思考：
[1]大多数粒子不改变原来的运动方向，原因是：
。
[2]有小部分改变原来的运动路径，原因是：
。[3]极少数被弹射了回来，原因是：
。
α粒子受到了同种电荷互相排斥作用而改变了运动方向。
原子内有较大的空隙。
α粒子撞击到了带正电荷、质量大、体积很小的核。
金金属箔
α粒子源
质子和中子的发现
查德威克（1891-1874）
1919年卢瑟福发现了带正电的质子。
1932年查德威克发现了不带电的中子。
原子核是由质子和中子
组成的。
原子的核式结构
卢瑟福和查德威克通过______________________实验研究后提出了原子核式结构：
在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核。
它由带正电的质子和不带电的中子组成，集中了原子的全部正电荷和几乎全部质量．原子中带负电的电子在核外空旷的空间中高速旋转。
著名的 粒子散射实验
原子核再分割——放射现象
1896年，法国物理化学家贝克勒尔在铀矿石中发现了放射现象，此后，居里夫妇又发现了其他放射性元素：钍、钋、镭。
射线：高能光子流
射线：高速运动的电子流
射线：带两个正电荷的氦核
放射性元素发出的射线包含三种射线：
1964年，美国物理学家盖尔曼在费米、杨振宁、坂田昌一的研究基础上，提出了质子、中子、介子、超子等都是由三种基础粒子组成，它们分别称为上夸克、下夸克、奇异夸克，科学界把这一模型称为夸克模型。
原子核
夸克
原子
质子 中子
电子
原子核
中子
质子
夸克
华裔科学家丁肇中在1974年又发现了一种称为J／Ψ的粒子，因此获得1976年诺贝尔物理学奖。
物质世界的空间尺度
宇宙学、粒子物理奇妙衔接
跨越了42个数量级
纳米技术是20世纪90年代出现的一门新兴技术。它是在0.1～100 nm尺度的空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的崭新技术。
纳米技术
纳米技术——历史前沿
纳米技术的灵感，来自于已故物理学家理查德·费曼1959年所作的一次题为《在底部还有很大空间》的演讲。这位当时在加州理工大学任教的教授向同事们提出了一个新的想法。从石器时代开始，人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术，都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。费曼质问道，为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求？他说：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”
1993年中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“ 中国”二字，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。
纳米牛仔裤
纳米零件
纳米机器人
阿尔伯特·爱因斯坦（Albert.Einstein）
（1879.3.14-1955.4.18）
犹太裔物理学家。他于1879年出生于德国乌尔姆市的一个犹太人家庭（父母均为犹太人)，1900年毕业于苏黎世联邦理工学院，入瑞士国籍。1905年，获苏黎世大学哲学博士学位，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖，创立狭义相对论。1915年创立广义相对论。
E=mc２
1．原子结构
H2O分子
　　以水分子为例：它由一个氧原子和两个氢原子组成。
核能
H
　　原子由原子核和核外电子组成。
　　（1）氢原子由原子核和一个核外电子组成。
　　原子核有一个质子，质子带正电荷，核外电子带负电荷。二者电荷量相同。
O
　　（2） 氧原子由原子核和八个核外电子组成。
　　原子核有八个质子和八个中子，由于中子不带电，所以正负电荷量仍然相同。
　　质量较大的原子核发生分裂或者质量较小的原子核相互结合时，就有可能释放出惊人的能量，这就是核能。
2．核能
　　质子和中子依靠强大的核力紧密地结合在一起。要使它们分裂或结合都是极其困难的。
1938年，科学家用中子轰击质量比较大的铀235原子核，使其发生了裂变。
1 kg铀全部裂变，释放的能量超过2 000 t煤完全燃烧时释放的能量。
　　用中子轰击铀核，铀核才能发生裂变，放出能量。
　　外界中子停止轰击，裂变也就停止了。怎样才能让裂变继续下去呢？
1．发生裂变的条件
裂变
那么，地球上的能源是否是无尽的呢？
　　将火柴搭成左下图所示结构，点燃第一根火柴后，会发生什么？
2．链式反应
　　用中子轰击铀235原子核，铀核在分裂时，会释放出核能，同时还会产生几个新的中子，这些中子会继续轰击其他铀核。于是就导致一系列铀核持续裂变，并释放出大量核能，这就是裂变中的链式反应。
想想议议
　　核电站的核心设备是核反应堆。核反应堆是原子核发生链式反应的场所。
　　1942年，人类利用核反应堆第一次实现了可控制的铀核裂变。
　　目前，全世界已经建成了几百座核电站，核电发电量接近全球发电量的1/5。
3．核电站利用核能发电
　　链式反应如果不加以控制，大量原子核就在一瞬间发生裂变。释放出极大的能量。
　　在人类实现可控核裂变大约三年后，即1945年，利用不加控制的核裂变制造的毁灭性武器——原子弹爆炸了。
　　将质量较小的原子核结合起来，也会释放出巨大的核能。
氘
氚
氦核
中子
　　氘核与氚核在超高温下结合形成氦核和一个中子，能释放大量核能。这一过程就是聚变。
聚变
能量
聚变
　　氘核和氚核都属于氢核的一种。大量氢核的聚变，可以在瞬间释放惊人的能量。氢弹利用的就是聚变瞬间释放的能量。
　　可控聚变尚未实
现，海水中蕴藏着丰
富的氘核，科学家预
言，通过可控聚变来
利用核能，将有望彻
底解决人类能源问题。

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