第1章：物质的结构

放射物理与防护主讲：魏冀第一节原子结构一、揭示原子结构的实验基础二、波尔的原子模型三、原子核外的电子结构第二节原子核结构一、原子核的组成二、原子核结合能三、原子核能级四、原子核的自旋与核磁矩第三节磁共振一、核磁矩在静磁场中的进动二、磁共振现象三、核自旋弛豫第四节磁共振现象的医学应用一、磁共振波谱分析技术二、磁共振成像技术

第一节原子结构一、揭示原子结构的实验基础二、波尔的原子模型三、原子核外的电子结构第二节原子核结构一、原子核的组成二、原子核结合能三、原子核能级四、原子核的自旋与核磁矩第三节磁共振一、核磁矩在静磁场中的进动二、磁共振现象三、核自旋弛豫第四节磁共振现象的医学应用一、磁共振波谱分析技术二、磁共振成像技术

牛顿力学建立后，被顺利地推广到刚体和流体。

到了19世纪，热力学、统计力学和电动力学也建立起来了。古典物理学在科学与技术的各个领域得到了广泛的应用，取得了巨大的成功。1846年海王星的发现又完全证实了根据牛顿理论所作出的预言。19世纪40年代能量守恒定律的发现，揭示了各种物质运动形式之间的转化关系，从而把力学、热学、电学、化学等联系在一起。牛顿力学成为各门科学的理论基础，这样，大至日月星辰、小到原子分子，似乎无不被牛顿体系所包罗。大部分人认为，物理学大厦已经最终建成，剩下的工作只是把物理常数的测量弄得再准确一些。古典物理学的顶峰1803年，英国科学家道尔顿提出近代原子学说，他认为原子是化学变化中不可再分的实心球体。物理学危机隐含的危机：麦克斯韦电磁场理论的无法解释正当古典物理达到了顶峰，人们陶醉于“尽善尽美”的境界时，却出乎意料地发生了物理学危机。这场危机是从以太漂移实验和黑体辐射定律的研究开始的。

—以太漂移实验的零结果

—对比热和热辐射定律研究中出现了“紫外灾难”两朵乌云——>乌云密布序幕：阴极射线的发现

19世纪是电磁学大发展的时期,到七、八十年代电气工业开始有了发展,发电机、变压器和高压输电线路逐步在生产中得到应用，然而，漏电和放电损耗非常严重，成了有待解决的问题。同时，电气照明也吸引了许多科学家的注意。这些问题都涉及低压气体放电现象，于是，人们竞相研究与低压气体发电现象有关的问题。阴极射线是低压气体放电过程中出现的一种奇特现象。阴极射线究竟是什么？电磁辐射or某种粒子流？1836年法拉第就注意到低压气体中的放电现象，但因缺少高真空的手段未能实现真空放电；1854年盖斯勒发明了“盖斯勒真空管”；1876年戈尔茨坦指出真空放电时阴极管壁上产生的绿色光辉，是由负极上所产生的某种射线射到玻璃上引起的，他把这种射线称为“阴极射线”。“阴极射线”的发现，引起科学家的兴趣，不少人来研究射线的性质，从而导致了X射线、放射性和电子等一系列重要发现。序幕：阴极射线的发现著名物理学家开尔文说:“19世纪已经将物理大厦全部建成，今后物理学家只是修饰和完美这所大厦。”但这种固步自封的思想很快被打破。19世纪末物理学的三大发现（X射线1895年、放射线1896年、电子1897年），揭开了物理学革命的序幕，它标志着物理学的研究由宏观进入到微观，标志着现代物理学的产生伦琴（1845-1923）德国维尔茨堡大学校长实验物理学家伦琴发现X射线的实验室1895年11月8日晚，伦琴作放电管实验研究阴极射线时所发现一种穿透能力很强的射线。X射线是19世纪末的一项重大发现。伦琴因此而获1901年首届诺贝尔物理学奖

伦琴夫人手掌骨具有划时代意义医学上第一张X射线照片1895年12月28日，伦琴向德国物理学医学会递交了第一篇关于X射线的论文，《论新的射线》，并公布了他夫人的X射线手骨照片。1895年X射线的发现X射线≠阴极射线X-radiationMicrowavesg-radiationUVIRRadiowaves10-610-311031061091012Wavelength(nm)可见光微波无线电波

从无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、γ射线，构成了范围非常广阔的电磁波谱，最长的波长是最短的波长的1021倍以上从无线电波到γ射线，都是本质上相同的电磁波，它们的行为服从共同的规律。不同的电磁波，产生的机理不同；不同的电磁波，因频率不同，表现出不同的特性

在电磁波谱中，X射线的波长范围约为0.005nm到10nm，相当于可见光波长的10万分之一到50分之一。X射线≠阴极射线1895年X射线的发现伦琴射线的发现对物理学进一步的发展具有深远的影响，它展示了物理学有待探索的领域，给物理学的发展打开了新的局面。

通过X射线谱的研究，为认识物质的微观结构提供了重要的途径。X射线衍射成为研究晶体结构的有力工具。

同时X射线的发现使人们认识的“电磁波谱”朝着短波方向拓广了一大段。为后来的科学研究打下了基础，X射线的发现对认识原子内部结构有很大的意义。1895年X射线的发现贝克勒尔居里夫妇1896年放射性的发现1896年法国物理学家昂利•贝克勒尔对一种称为硫酸双氧铀钾的物质进行了研究，想知道这种荧光辐射中是否含有X射线。实验发现，虽然未经阳光照射（失去了紫外线对荧光的刺激作用），底片却由于很强的辐射而变得很黑。这决不是荧光或阳光所能造成的，必然有一种特别的东西在起作用。经过多次实验，他很快判明这种东西就是硫酸双氧铀钾中的铀，这就是最早发现的放射性现象。居里夫人建议把这种辐射能力叫做“放射性”。1896年放射性的发现天然放射性元素能够放射出α、β、γ射线。α射线是带两个氦核的粒子流；β射线是高速的电子流；γ射线是波长比X射线更短的电磁波，即光子流。这三种射线都是从原子里跑出来的，原子不可分的观念被彻底打破了。1902年卢瑟福和索迪提出原子自然衰变的理论，阐明放射性的本质就是放射性元素的原子核自发地转变为另一种原子核的过程。这就证明了元素不是不可改变的，而是可以转化的。约瑟夫·约翰·汤拇逊（J·J汤姆逊）1897年电子的发现早期科学家普遍认为阴极射线放出的是一种辐射的式,而Thomson从“阴极射线实验”发现会因电场而偏折,所以推论他是一种带电荷的粒子,而不是辐射,并计算出其质量约为氢原子的1/1800倍.于1897年4月30日在英国皇家学院作了“阴极射线”的报告，正式宣布发现了阴极射线的本质。在1899年正式命名为电子electron.密立根12年后，密立根测定电荷量的密立根油滴实验得出：电荷量总是元电荷的整数倍（基本电荷e=1.6021892×10^-19库仑）约瑟夫·约翰·汤拇逊（J·J汤姆逊）1897年电子的发现密立根

电子的发现具有伟大的意义，电子的发现打破了原子不可分的经典的物质观,向人们宣告原子不是构成物质的最小单元，电子的发现开辟了原子物理学的崭新研究领域，打开了通向原子物理学的大门,人们开始研究原子的结构。三大发现的意义从1895年到1897年，连续三年之内出现了三大发现，这对物理学界和哲学界都具有深远的意义。X射线、电子、放射性的发现在人们面前展示了物质的微观图像，它为以后的粒子物理的研究开创了新路。三大发现打破了几百年来形成的物质不灭、能量守恒、原子不可分等传统观念，揭开了物理学革命的序幕，它标志着物理学的研究由宏观步入了微观。第一节原子结构一、揭示原子结构的实验基础（一）α粒子的散射实验

卢瑟福第一节原子结构一、揭示原子结构的实验基础（一）α粒子的散射实验

放射源——放射性元素钋（Po）放出α粒子，α粒子是氦核，带2e正电荷，质量是氢原子的4倍，具有较大的动能。金箔——作为靶子，厚度1μm,重叠了3000层左右的金原子。荧光屏——α粒子打在上面发出闪光。显微镜——通过显微镜观察闪光，且可360°转动观察不同角度α粒子的到达情况。α粒子散射实验装置(放置在抽成真空的容器中）高速α粒子第一节原子结构一、揭示原子结构的实验基础（一）α粒子的散射实验实验结果：绝大多数：沿原方向前进少数：发生大角度偏转（占8000分之一），极少数：偏角超过900，甚至几乎被撞了回来1、电子能否使α粒子大角度偏转？2、1微米厚的金箔内含3000层原子层，绝大多数α粒子穿过金箔仍沿原方向前进说明什么？3、少数α粒子的大角度偏转甚至反弹是怎么造成的？第一节原子结构一、揭示原子结构的实验基础（一）α粒子的散射实验原子的核式

结构的提出①原子的大部分体积是空的；②在原子的中心有一个体积很小、密度极大的原子核；③原子的全部正电荷在原子核内，且几乎全部质量均集中在原子核内部。带负电的电子在核空间进行高速的绕核运动。1911年，卢瑟福通过大量α粒子散射实验结果分析，提出了原子核的核式结构模型即行星模型，以经典电磁学为理论基础，主要内容有：根据卢瑟福的原子结构模型，原子内部是十分“空旷”的，举一个简单的例子：原子原子核第一节原子结构一、揭示原子结构的实验基础（一）α粒子的散射实验第一节原子结构一、揭示原子结构的实验基础（一）α粒子的散射实验根据卢瑟福的原子结构模型，原子内部是十分“空旷”的，举一个简单的例子：原子原子核10层楼第一节原子结构一、揭示原子结构的实验基础（一）α粒子的散射实验确定原子核模型中子-质子模型发现中子1932年，查德威克用α粒子轰击铍发现一种质量和质子接近但不带电的粒子----中子查得威克（1856~1940）发现质子1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核时，发现了质子。进而猜想原子核内存在不带电的中子卢瑟福（1871~1937）第一节原子结构一、揭示原子结构的实验基础（一）α粒子的散射实验

基本粒子电子、质子、中子原子序数Z=质子数=核电荷数=核外电子数原子的组成质量数质子数元素符号质子中子第一节原子结构一、揭示原子结构的实验基础（二）氢原子光谱的实验规律----了解原子核外电子的情况光波是由原子运动过程中的电子产生的。各种物质的原子内部电子的运动情况不同，所以它们发射的光波也不同。研究不同物质的发光和吸收光的情况，有重要的理论和实际意义，已成为一门专门的学科——光谱学。

光谱----研究原子结构的重要途径之一

第一节原子结构一、揭示原子结构的实验基础（二）氢原子光谱的实验规律----了解原子核外电子的情况

光谱----研究原子结构的重要途径之一

光谱：光源所发出的所有波长成分的集合光谱：电磁辐射（不论在可见区域或在可见光以外）的波长成分和强度分布的记录光源所发出的所有波长成分的集合第一节原子结构一、揭示原子结构的实验基础（二）氢原子光谱的实验规律

光谱仪：又称分光仪，广泛为认知的为直读光谱仪。以光电倍增管等光探测器测量谱线不同波长位置强度的装置。其构造由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成。以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上（或扫描某一波段）进行强度测定。分为单色仪和多色仪两种。棱镜摄谱仪光路示意图第一节原子结构一、揭示原子结构的实验基础（二）氢原子光谱的实验规律谱线分析：根据谱线位置分析确定光源光波的成分光谱分类原子谱.如:钠灯线状谱带状谱连续谱固体.如;白炽灯分子谱第一节原子结构一、揭示原子结构的实验基础（二）氢原子光谱的实验规律光谱：光源所发出的所有波长成分的集合光源：研究光谱所用光源除自然光外，可以是火焰、高温炉电弧、火花放电、气体放电，化学发光、荧光灯。从氢气放电管可以获得氢原子光谱。氢原子光谱在可见光和近紫外区，构成一个很有规律的系统，谱线的间隔个强度都向着短波方向递减。红深绿青紫可见光范围内第一节原子结构一、揭示原子结构的实验基础（二）氢原子光谱的实验规律

巴尔末系--氢原子可见光谱规律及经验公式1885年从某些星体的光谱中观察到的氢光谱线已达14条。同年，巴耳末发现这些谱线的波长可以纳入下面的简单关系中。巴尔末公式n=3，4，5，···

里德伯常数

电子原子核式结构被证明核带正电原子式中性的原子核外有带负电的结构？？？原子核外电子的分布和运动情况？第一节原子结构二、波尔的原子模型行星模型的缺陷第一节原子结构二、波尔的原子模型用力学和电学原理推到原子能量是否符合光谱理论？原子核Zem电子-erv原子内部能量=电子动能+体系势能(核暂时作为不动不算动能）

第一节原子结构二、波尔的原子模型行星模型的缺陷

卢瑟福的原子核式结构学说很好地解释了a粒子的散射实验，初步建立了原子结构的比较正确的图景，但跟经典的电磁理论发生了矛盾。经典电动力学：（1）当带电粒子有加速度时，就会辐射；（2）而发射出来的电磁波的频率等于辐射体运动的频率。第一节原子结构二、波尔的原子模型行星模型的缺陷矛盾二：原来，电子没有被库仑力吸引到核上，它一定是以很大的速度绕核运动，就象行星绕着太阳运动那样。按照经典理论，绕核运动的电子应该辐射出电磁波，因此它的能量要逐渐减少。随着能量的减少，电子绕核运行的轨道半径也要减小,于是电子将沿着螺旋线的轨道落入原子核，就像绕地球运动的人造卫星受到上层大气阻力不断损失能量后要落到地面上一样。这样看来，原子应当是不稳定的，然而实际上并不是这样。矛盾一：同时，按照经典电磁理论，电子绕核运行时辐射电磁波的频率应该等于电子绕核运行的频率，随着运行轨道半径的不断变化，电子绕核运行的频率要不断变化，因此原子辐射电磁波的频率也要不断变化。这样，大量原子发光的光谱就应该是包含一切频率的连续谱。第一节原子结构二、波尔的原子模型行星模型的缺陷

卢瑟福的原子核式结构学说很好地解释了a粒子的散射实验，初步建立了原子结构的比较正确的图景，但跟经典的电磁理论发生了矛盾。以上矛盾表明，从宏观现象总结出来的经典电磁理论不适用于原子这样小的物体产生的微观现象。为了解决这个矛盾，1913年玻尔在卢瑟福学说的基础上，把普朗克的量子理论运用到原子系统上，提出了玻尔理论。第一节原子结构

二、波尔的原子模型(一）玻尔假设第一，在原子内部存在一系列稳定的能量状态E1，E2，E3，···，当原子处在任一稳定能态时，电子绕原子核作圆周运动，虽有向心加速度，也不向外辐射能量。而且，只有当电子的角动量等于的整数倍的那些轨道才是可能的，即n=l，2，3，···

称为量子数

为狄拉克常数(Diracconstant)

第一节原子结构

二、波尔的原子模型（一）玻尔假设第二，当原子从能量状态跃迁到能量状态时，它将发射（或吸收）一个单色的光子，其频率由下式决定

（二）氢原子的波尔理论、原子能级（推导过程）第一节原子结构

二、波尔的原子模型氢原子光谱经验公式量子理论：光能量是一个单元的整数倍，每个单元称为光量子

量子化条件：（保证电子轨道的可能性）电子做圆周运动（二）氢原子的波尔理论、原子能级电子的轨道半径只能取如此一系列的不连续值

第一节原子结构

二、波尔的原子模型n=l，2，3，···

称为量子数

对氢原子，Z=1，可能的轨道半径（二）氢原子的波尔理论、原子能级第一节原子结构

二、波尔的原子模型原子所具有的能量也不是连续的，这种不连续的能量状态，称为原子的能级。（二）氢原子的波尔理论、原子能级第一节原子结构

二、波尔的原子模型原子能级轨道是量子化的半径是量子化的角动量是量子化的对应原子能量值也是量子化的量子化是微观客体的特性n称为量子数（二）氢原子的波尔理论、原子能级第一节原子结构

二、波尔的原子模型n称为量子数普朗克常数：电子质量：电子电量：同时：实验总结经验公式和理论公式对波数和里德伯RH的计算结果非常接近，理论很满意的说明了事实为狄拉克常数(Diracconstant)

（二）氢原子的波尔理论、原子能级第一节原子结构

二、波尔的原子模型111N或者或者第一节原子结构

二、波尔的原子模型玻尔理论的主要内容：1、原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。这些状态叫定态。2、原子从一种定态（设能量为E初）跃迁到另一种定态（设能量为E终）时，它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即E初－E终.hv=3、原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的。第一节原子结构

二、波尔的原子模型玻尔（1885~1962）4321E4E3E2E1定态假设跃迁假设4321E4E3E2E1轨道假设4321hν=E初–E未En=rn=n2r1第一节原子结构

二、波尔的原子模型

波尔模型的主要贡献是让科学家了解了原子的结构，另外，通过发射光谱的计算，波尔和他的学生算出了氢原子的电离能。一个原子的电离能，是指一个电子脱离原子完全自由说需要的能量。波尔得出的电离能和实验数据是一致的。波尔模型还进一步提供了对元素的某些化学性质的解释。每一种元素的原子具有独特的电子排布情况，这一思想是化学反应和化学键等许多知识的基础。1922年。波尔被授予诺贝尔奖。

4.自旋磁量子数ms=±1/2确定电子状态的量子数

一个在原子核的库仑场中运动的核外电子的状态，可用四个量子数来确定。１．主量子数n=1.2.3……2.轨道角动量量子数=0，1，2，3……(n-1)３．轨道磁量子数

m

=0,±1,±2,······，±48第一节原子结构三、原子核外的电子结构（一）空间量子化第一节原子结构三、原子核外的电子结构（一）空间量子化

对于氢原子，轨道是圆形的。对于非氢原子，轨道可以是椭圆形的，此时就需要引入两个量子数。一个是度量轨道能量的主量子数n，另一个是度量轨道角动量的角量子数l

。

可以认为n和l

分别决定了椭圆的长轴和短轴，而l/n则决定了椭圆的偏心率。第一节原子结构三、原子核外的电子结构（一）空间量子化1.主量子数n

电子壳层可用主量子数表示。

主量子数n取1，2，3，…时，相应的电子壳层也可用K、L、M、N、O、P、Q等符号表示

。代表电子运动区域的大小和它总能量的主要部分，前者安装轨道的描述也就是轨道的大小。

第一节原子结构三、原子核外的电子结构2.角量子数l

同一电子壳层中电子又分成若干电子亚层，由角量子数l确定

。l可取0，1，2，…，（n-1），对应的电子亚层用s、p、d、f、g、h等符号来表示。

代表电子运动轨道的形状和轨道角动量，这也同轨道电子的能量有关。（按量子力学理论，代表电子云的形状）第一节原子结构三、原子核外的电子结构3．磁量子数ml各种轨道平面的空间取向。在角量子数l确定后，其量子轨道平面可有（2l＋1）个不同的取向。代表轨道在空间的可能取向，换一句话说，也代表轨道角动量在某一特殊方向（例如磁场方向）的分量。(量子力学中代表电子云的伸展方向）。

第一节原子结构三、原子核外的电子结构4.自旋量子数ms电子有两种自旋状态，其自旋方向相反。代表电子自旋的取向，这也代表电子自旋角动量的某特殊方向（例如磁场方向）的分量。s=1/2代表自旋角动量，对所有的电子是相同的,不能成为区别电子态的参数。顺时针旋转自旋向上逆时针旋转自旋向上第一节原子结构三、原子核外的电子结构（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完全相同的量子数（n，l，ml，ms）。

主量子数为n的壳层中，可容纳的最多电子数。

泡利不相容原理推论:1.一个原子中,n,,m,ms这四个量子数完全相同的电子只能有一个。2.具有相同量子数n,,m的电子最多能有两个,它们的第四个量子数ms分别为。55第一节原子结构三、原子核外的电子结构（二）电子的壳层结构具有相同量子数n的电子最多有个

因为对每一个,m可取（2+1）个值，而对每一个m,ms又可以取两个值。56第一节原子结构三、原子核外的电子结构（二）电子的壳层结构主壳层：我们把原子中n相同的一切电子的集合称为一个主壳层。支壳层：在每一个主壳层中，具有相同角量子数的电子的集合称为一个支壳层。一个主壳层最多能容纳的电子数：

一个支壳层最多能容纳的电子数：NL=2（2+1）第一节原子结构三、原子核外的电子结构（二）电子的壳层结构第一节原子结构三、原子核外的电子结构（二）电子的壳层结构n1234567…壳层名称KLMNOPQ…L0123456…支壳层名称spdfghi…58第一节原子结构三、原子核外的电子结构（二）电子的壳层结构

表各壳层可以容纳的最多电子数56主量子数n壳层名称最多电子数2n2角量子数亚壳层最多电子数

2(2+1)1234KLMNOP2818325072001012301234501201234sspspdspdfspdfghspdfg226261026101426101418261014183259第一节原子结构三、原子核外的电子结构（三）原子核外壳层电子的结合能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。

第一节原子结构三、原子核外的电子结构原子核外电子排布应遵循的三大规律原子核外电子排布应遵循的三大规律（一）泡利不相容原理：

1．在同一个原子里，没有运动状态四个方面完全相同的电子存在，这个结论叫泡利不相容原理。

泡利：奥地利物理学家，1945年获诺贝尔物理学奖。（原子家政管理员）2．根据这个原理，如果有两个电子处于一个轨道（即电子层电子亚层电子云的伸展方向都相同的轨道），那么这两个电子的自旋方向就一定相反。3．各个电子层可能有的最多轨道数为n2,每个轨道只能容纳自旋相反的两个电子，各电子层可容纳的电子总数为2n2

个。第一节原子结构三、原子核外的电子结构原子核外电子排布应遵循的三大规律（一）泡利不相容原理：第一节原子结构三、原子核外的电子结构本质：所有的“物质”不会被压缩到一个点，而是必须占据一定空间。如费曼所说，正是泡利不相容原理，所有的东西才会变硬。所有的“像物质的”量子粒子都服从不相容原理，这种粒子叫做"费米子",以纪念恩理科.费米是最早意识到泡利不相容原理的真正含义的几个科学家之一。原子核外电子排布应遵循的三大规律（二）能量最低原理：1．在核外电子的排布中，通常状况下，电子总是尽先占有能量最低的原子轨道，只有当这些原子轨道占满后，电子才依次进入能量较高的原子轨道，这个规律叫能量最低原理。（1）同一电子层中各亚层的能级不相同，它们是按s，p，d，f的次序增高。不同亚层：ns<np<nd<nf（2）在同一个原子中，不同电子层的能级不同。离核越近，n越小的电子层能级越低。同中亚层：1s<2s<3s；1p<2p<3p；（3）能级交错现象：多电子原子的各个电子，除去原子核对它们有吸引力外，同时各个电子之间还存在着排斥力，因而使多电子原子的电子所处的能级产生了交错现象。例如：E3d

>E4S

,E4d

>E5S，n≥3时有能级交错现象。3．电子填入原子轨道顺序：1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p，能级由低渐高。2．能级：就是把原子中不同电子层和亚层按能量高低排布成顺序，象台阶一样叫做能级。第一节原子结构三、原子核外的电子结构原子核外电子排布应遵循的三大规律

（三）洪特规则：

1．在同一亚层中的各个轨道上，电子的排布尽可能单独分占不同的轨道，而且自旋方向相同，这样排布整个原子能量最低。

2．轨道表示式和电子排布式：轨道表示式：一个方框表示一个轨道电子排布式：亚层符号右上角的数字表示该亚层轨道中电子的数目第一节原子结构三、原子核外的电子结构第一节原子结构三、原子核外的电子结构电子层核外电子的排布一般总是尽先从内层排起，当排满后再填充下层。n123456…符号KLMNOP…电子离核由近至远，能量由低到高能量最低原则K分析图中1~18号元素的原子结构示意图，核外电子排布有什么规律？核电荷数为1~18的元素原子结构示意图第一节原子结构三、原子核外的电子结构稀有气体元素原子电子层排布核电荷数元素名称元素符号各电子层的电子数KLMNOP最外层电子数2氦He2210氖Ne28818氩Ar288836氪Kr28188854氙Xe2818188886氡Rn2818321888各层最多电子数2818325072第一节原子结构三、原子核外的电子结构原子核外电子排布规律⑴能量最低原则：电子在核外排布时，总是尽量先排在能量最低的电子层里，即最先排布K层，当K层排满后，再排L层，依次类推⑵原子核外各电子层最多能容纳2n2（n为电子层序数）个电子⑶原子最外层电子数不能超过8个（K层为最外层时不能超过2个）⑷原子次外层电子数不能超过18个（K层为次外层时为2个），倒数第三层电子数不能超过32个最低、最多、两不超第一节原子结构三、原子核外的电子结构第一节原子结构三、原子核外的电子结构宏观物体微观粒子质量很大很小速度较小很大（接近光速）位移可测位移、能量不可同时测定能量可测轨迹可描述（画图或函数描述）用电子云描述（用出现机会的大小描述）第一节原子结构三、原子核外的电子结构电子云：是用统计的方法对核外电子运动规律所作的一种描述。描述方法：用点的密度大小表示电子在某处出现机会的多少。过程：给原子拍照。

结果：很像在原子核外有一层疏密不等的“云”。注意：每一个小黑点只代表电子在该处出现一次，并不代表有一个电子。一个点没有多大意义，众多点的疏密不同才有意义。原子的发现史第一节原子结构

公元前5世纪，希腊哲学家德谟克利特等人认为：万物是由大量的不可分割的微粒构成的，即原子。1.道尔顿原子模型(1803年）2.汤姆生原子模型（1904年）3.卢瑟福原子模型（1911年）4.波尔原子模型(1913年）5.电子云模型（1927~1935年）第一节原子结构

原子发现史

原子是组成物质的基本粒子，它们是坚实的、不可再分的实心球。

原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多电子，中和了正电荷，从而形成了中性原子。现代物质结构学说。波粒二象性。

电子在原子核外空间的一定轨道上绕核做高速的圆周运动。

原子中心有一个带正电荷的核，它的质量几乎等于原子的全部质量，电子在它的周围沿着不同的轨道运转，就象行星环绕太阳运转一样。第一节原子结构一、揭示原子结构的实验基础二、波尔的原子模型三、原子核外的电子结构第二节原子核结构一、原子核的组成二、原子核结合能三、原子核能级四、原子核的自旋与核磁矩第三节磁共振一、核磁矩在静磁场中的进动二、磁共振现象三、核自旋弛豫第四节磁共振现象的医学应用一、磁共振波谱分析技术二、磁共振成像技术

第二节原子核结构一、原子核组成核子质子中子Z原子序数

A质量数

同位素：有相同的质子数而中子数不同的原子。

同中子异核素：有相同的中子数而质子数不同的原子。同量异位素：有相同的核子数而质子数不同的原子。同质异能素：有相同的质子数和中子数，只是能量状态不同。

第二节原子核结构二、原子核结合能（一）几个有关的相对论公式1.质量与速度的关系

2.动量与速度的关系3.质量与能量的关系

第二节原子核结构（二）原子核结合能质量亏损：原子核的质量都小于组成它的核子质量之和

，这个差值称为质量亏损。结合能：与质量亏损M相联系的能量M

c2，表示这些自由状态的单个核子结合成原子核时所释放出来的能量。第二节原子核结构平均结合能：把原子核的结合能除以此核内的总核子数A。第二节原子核结构三、原子核能级核的能量，像原子那样是量子化的。

当一个核发生从高能级到低能级跃迁时，所发出的光子一般在电磁波谱的射线区内。

电子、中子、质子和原子核等微观粒子具有一种固有属性——自旋：粒子以一定角速度绕自身对称轴高速转动的现象核自旋

自旋核的角动量L为：

h为普朗克常数(Planckconstant)

I为原子核自旋量子数(spinquantumnumber)为狄拉克常数(Diracconstant)

第二节原子核结构四、原子核自旋与核磁矩第二节原子核结构（1）质子数是偶数，中子数也是偶数的核。其自旋量子数I=0，这种核没有自旋。（2）质子数和中子数一个是奇数、另一个是偶数的核。其自旋量子数I=1/2，3/2，5/2等半整数，这种核有自旋。四、原子核自旋与核磁矩1.原子核的自旋

原子核自旋情况由核的自旋量子数I来表征。

（3）质子数是奇数，中子数也是奇数的核。其自旋量子数，I=1，2，3等整数，这种核有自旋。

自旋角动量

原子核角动量在空间某一选定方向（例如z轴方向）上的投影也是量子化的。

m为核自旋磁量子数，其可取的数值为I，I-1，···-I+1，-I，共有2I+1个值。第二节原子核结构四、原子核自旋与核磁矩2.原子核的磁矩

第二节原子核结构原子的组成核磁矩

描述自旋核在其周围空间所产生的磁场的特性的物理量——自旋磁矩（spinmagneticmoment)核磁子磁旋比朗德因子四、原子核自旋与核磁矩2.原子核的磁矩

核磁矩

z也是量子化的，共有2I+1个可能的取值

第二节原子核结构四、原子核自旋与核磁矩第二节原子核结构四、原子核自旋与核磁矩净自旋只有奇数质子或奇数中子数的原子核产生的自旋磁矩泡利不相容原理：原子核内成对质子或中子的自旋相互抵消第二节原子核结构四、原子核自旋与核磁矩讨论磁矩

1)、只有自旋量子数I不为零的原子核（简称自旋核）磁矩才部位零，原子核就会具有一定磁性，自旋核也就可以看成是一个小磁体。2)、通常情况下，组成物体的原子核系统的是杂乱无章分布的，每个磁矩的方向都是随意的，磁矩间的磁性相互抵消，对外不显磁性，其总磁矩为

3)、原子核的磁性非常微弱氢原子核1H只有一个自旋的质子，结构最单纯，又能提供最强的核磁共振信号，目前磁共振成像主要利用人体内的氢原子核。

无外磁场时，自旋质子的取向是随机的，当把它放在磁场中时，将按磁场方向取向，可能倾向南极，也可能倾向北极，沿空间各方向等概率分布。氢原子核1H第二节原子核结构四、原子核自旋与核磁矩第一节原子结构一、揭示原子结构的实验基础二、波尔的原子模型三、原子核外的电子结构第二节原子核结构一、原子核的组成二、原子核结合能三、原子核能级四、原子核的自旋与核磁矩第三节磁共振一、核磁矩在静磁场中的进动二、磁共振现象三、核自旋弛豫第四节磁共振现象的医学应用一、磁共振波谱分析技术二、磁共振成像技术

第三节磁共振一、核磁矩在静磁场中的进动自旋旋进

G重力陀螺在重力场中旋进静磁场中的磁性核--微观第三节磁共振一、核磁矩在静磁场中的进动自旋旋进

G重力陀螺在重力场中旋进陀螺的角动量L陀螺的重力矩M静磁场中的磁性核--微观第三节磁共振一、核磁矩在静磁场中的进动G重力陀螺在重力场中旋进B0外磁场磁性核在磁场中的旋进重力矩自旋量子数不为零的原子核，在外加静磁场B0中，除了自旋外还将绕B0运动，类似于陀螺的运动，称这种运动为旋进/进动(拉摩尔旋进/进动)。使自旋的质子绕磁场轴进动。

磁矩拉莫尔方程拉莫尔频率原子核的旋进频率静磁场中的磁性核-微观第三节磁共振一、核磁矩在静磁场中的进动无磁场作用时有磁场作用时能量自旋状态自旋状态当加一外磁场，这些自旋原子核的能级发生分裂，这一物理现象称为塞曼效应。

磁诱导产生自旋核的能级分裂静磁场中的磁性核--微观第三节磁共振一、核磁矩在静磁场中的进动当加一外磁场，这些自旋原子核的能级发生分裂，这一物理现象称为塞曼效应。

当置于外磁场

中时，相对于外磁场，有（2I+1）种取向：稳定平衡，势能低不稳定平衡，势能高静磁场中的磁性核--微观第三节磁共振一、核磁矩在静磁场中的进动磁共振的基本概念静磁场中的磁性核--微观氢核能级在外磁场B0中的能级劈裂与相应的自旋（或磁矩）两个可能取向第三节磁共振一、核磁矩在静磁场中的进动宏观现象可观测的大量微观粒子集体表现磁化强度矢量(magnetizationvector)核磁矩矢量总和本质为磁矩能用于临床磁共振成像的自旋核只有氢核（质子），所以自旋核密度也即质子密度（protondensity）自旋核密度（spindensity）单位体积内自旋核的数目或含量静磁场中的磁性核_宏观第三节磁共振一、核磁矩在静磁场中的进动宏观总磁矩为零热运动核磁矩取向概率各向均等磁化强度矢量随时间变化宏观总磁矩不为零1、静磁场时2、静磁场时在磁力矩作用下绕旋进核磁矩磁场静磁场中的磁性核_宏观第三节磁共振二、磁共振现象静磁场中的磁性核

有磁场

无外磁场作用时有外磁场作用时宏观磁矩宏观磁矩的磁性随磁场的增强而增大

第三节磁共振1、磁共振的产生和条件共振：当驱动力的频率跟物体的固有频率相等时，受迫振动的振幅最大，这种现象叫共振。外来驱动振动激励固有振动二、磁共振现象第三节磁共振二、磁共振现象1、磁共振的产生和条件在静磁场中，通过一定频率的电磁波辐射样品，当辐射能量等于磁核能级差时磁核将吸收能量实现跃迁（受激吸收）。核磁共振：处于静磁场中的磁性核受电磁波作用而产生的不同能级之间的共振跃迁现象。E1E2E3E4同时，存在处于高能级的磁核释放能量回到低能级，释放能量等于磁核能级差（受激辐射）。受激跃迁磁共振的条件第三节磁共振二、磁共振现象1、磁共振的产生和条件磁共振中，所施加的电磁波又叫射频波（radiofrequencewave）,简称RF波，其含义是指该电磁波的频率处于无线电波（radio）频率范围内，而无线电波是可以发射出去再向各个方向传播开来的，故称射频。RF波又常被称为射频脉冲（RFpulse）。RF波只持续很短的一段时间（以ms计）。第三节磁共振二、磁共振现象1、磁共振的产生和条件电磁波角频率等于核旋进角频率产生NMR时如外界施加的电磁波的频率为，则不同取向的氢核间的能级差可表示成第三节磁共振二、磁共振现象1、磁共振的产生和条件公式的意义：

1)对于不同的原子核，由于磁旋比不同，发生共振的条件不同。2)对于同一种原子核来说，值一定，共振频率随外磁场B0而改变。从式中可知道，观察核磁共振吸收的方法有两种：固定磁场强度B0而改变频率，称为扫频法；固定电磁波频率而改变磁场强度B0

，称之为扫场法。第三节磁共振二、磁共振现象要产生磁共振，除了施加的电磁波的频率必须和磁性核的旋进频率相同外，对电磁波方向也有要求。我们知道，电磁波中既有磁矢量又有电矢量，而且必须垂直于，磁共振中起作用的只有磁矢量,这对施加电磁波方向提出了要求。1、磁共振的产生和条件第三节磁共振二、磁共振现象2、核磁共振信号的强度

磁共振现象是指处在静磁场中物质的原子核受到一定频率的电磁波的作用时，在它们的能级之间发生了共振跃迁。物质在吸收电磁波的能量而产生跃迁后，又会释放能量恢复到初始状态，被释放的能量信号成为磁共振信号。所以，只需要满足三个条件就能够产生核磁共振现象：即（1）能够产生共振跃迁的原子核；（2）具有恒定的静磁场也称为外磁场或主磁场；（3）产生一定频率电磁波的交变磁场即是指射频磁场；需要注意这里，“磁共振”中的磁是指主磁场和射频磁场；“共振”是指当射频磁场的频率和原子核的进动的频率相同时原子核吸