物理学与人类文明讲电子教案第九章.ppt

第九章 核能与量子 思考题 天然放射性是如何发现的？ 简述原子模型的发展，从西瓜模型、土星模型到行星模型。 玻尔模型如何解释光谱线与周期律？ 什么是裂变与聚变？原子反应堆、原子弹与氢弹依据哪一种核反应？ 什么是链式反应？什么是临界质量？ 19世纪人类对原子的认识取得了重大进展, 首先是 元素周期律的发现, 这是科学史上一个重要的里程碑。 真正完成周期律的是门 捷列夫，他是俄罗斯人和蒙 古人的混血儿。他长期致力 于元素化学性质与原子量关 系的研究。他根据原子量的 大小排列元素, 又给当时尚未 发现的元素留下了恰当的空 位。由此得到的周期表, 从前 到后表现出极好的周期性。 另一个有影响的进展是阿伦 尼乌斯的电离学说。最初人们认 为原子之所以能结合成分子, 是 由于原子间的万有引力, 或者是 由于原子上带有“钩”或“环”。 两种原子的“钩”、“环”搭配 得当, 就能发生化学反应结合成 分子, 否则就不行。后来有人提 出分子的不同部位可能带有不同 电荷的思想。 再一个重要发现是原子光谱（1885年）。科学家首 先发现太阳光中的谱线, 然后认识到不同元素的原子有 不同的光谱。人们利用光谱线的不同, 发现了一些新元 素。“原子”在古希腊文中的意思是不可分的最小微粒。 对原子认识的上述进展, 启示人们, 原子可能有结构。 1895年, 德国的伦琴发现在用高速电子（用高电压 加速）打击金属靶时，会产生一种穿透力很强的、看不见 的射线, 他用数学中表示未知数的X来命名这种射线。X射 线可以穿过人的手掌, 在荧光屏上显现出骨骼。 这一惊人而有趣的现象很快传遍全世界。伦琴立刻 声名大噪。1901年, 伦琴由于X射线的发现而获得了首次颁 发的诺贝尔物理奖, 成为世界上第一位获得诺贝尔奖的物 理学家。 居里夫人(玛丽·居里)是波 兰人。经过艰苦的努力, 她和丈 夫终于在1898年自沥青中发现了 一种具有比铀更强的放射性的元 素－－镭。同年, 他们又发现了 另一种新元素。为了纪念已被俄 国吞并的祖国波兰, 玛丽把这种 新元素命名为钋。 1903年, 居里夫妇与贝 克勒尔共同获得了诺贝尔物理 奖, 以表彰他们对天然放射性 的发现所做的贡献。居里夫人 成为世界上第一位获得诺贝尔 奖的妇女。几年后, 居里先生 不幸死于车祸。玛丽忍受着巨 大的悲痛, 独自完成原来二人 共同承担的事业。1911年 居里 夫人又因创建放射化学这门学 科, 独自一人获得了诺贝尔化 学奖, 成为第一个两次获得诺 贝尔奖的科学家。 在从事科学研究的同时, 居里夫人竭尽余力完成母亲 的职责, 把两个女儿培养成人。后来大女儿伊琳和女婿约 里奥一起, 由于发现中子和人 工放射性, 而获得诺贝尔化学 奖。居里一家成为唯一一个三 次获得诺贝尔奖的家庭。居里 家族为放射性和原子能的发现 和利用, 作出了不可磨灭的贡 献。 1897 年汤姆孙发现电子, 他又于1904年提出了 第一个原子模型 — 西瓜模型。他认为原子好象一个 带正电的西瓜, 带负电的电子则象瓜子一样嵌在原子 中。 卢瑟福进一步发现原子的大部分区域是真空, 正 电荷集中在原子的中心, 形成一个体积极小的核。于是他 在1911年提出了一个新的原子结构模型——行星模型。他 认为原子就象一个小太阳系, 带正电的核好比太阳, 电子 象行星一样围绕原子核旋转。 卢瑟福是一位杰出的物理学家, 曾获得1908年的诺贝 尔奖。卢瑟福还 是一位优秀的导 师, 非常善于培 养人, 他的研究 生中有11人获得 诺贝尔奖，卢瑟 福的实验室被后 人称为“诺贝尔 奖得主的幼儿园” 卢瑟福的原子模型也存在困难。首先, 这个模型不 稳定, 按照电磁理论, 绕核转动的电子会辐射电磁波, 减 少能量。这样, 电子的转动轨道将越来越小, 最后会落到 原子核上。但是, 这种不稳定 的情况实际上并未出现。其次, 这一模型不能解释元素周期律 和原子光谱。 面对这两个困难, 卢瑟福的丹麦籍学生玻尔迈出了决 定性的一步。玻尔认为电子轨道是量子化的, 不会改变。 轨道电子不服从经典的电磁理论, 而服从量子规律。这样, 玻尔模型不仅克服了卢瑟福模型不稳定的困难, 还比较成 功地解释了元素周期律和原子光谱。为此,玻尔获得了1922 年的诺贝尔