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第3節 原子的
核式結構模型
第四章
人教版（2019）選擇性必修三
CONTENTS
目錄
電子的發現
01
原子的核式結構模型
02
原子核的電荷與尺度
03
學以致用提高練習
04
科學家在研究稀薄氣體放電時發現，當玻璃管內的氣體足夠稀薄時，陰極就發出一種射線，它能使對著陰極的玻璃管壁發出熒光，這種未知射線稱之為陰極射線。
思考與討論：陰極射線的本質是什么？
19世紀, 對陰極射線本質的認識有兩種觀點：一種觀點認為陰極射線像X射線一樣是電磁輻射, 代表人物赫茲；另一種觀點認為陰極射線是帶電微粒, 代表人物湯姆孫 。
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一、電子的發現
問題：那么陰極射線到底是什么呢？如何探究陰極射線的本質是電磁波還是帶電粒子流？
方法：讓陰極射線沿垂直場的方向通過電場或磁場，觀察它是否偏轉。如果陰極射線發生了偏轉，那么陰極射線就是在電場力或洛倫茲力的作用下偏轉的，說明陰極射線的本質是帶電粒子流；如果陰極射線沒有發生偏轉，表示陰極射線不帶電，說明陰極射線的本質是電磁波。
英國物理學家J.J.湯姆孫認為陰極射線是帶電粒子流。為了證實這點，從1890年起他進行了一系列實驗研究
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1.湯姆孫的實驗裝置：
由陰極K發出的帶電粒子通過小孔AB形成一束細細的陰極射線，它穿過兩片平行的金屬板D1D2之間的空間，到達右端帶有標尺的熒光屏上P1點。
真空玻璃管、陰極、陽極和感應圈
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2.判斷陰極射線是否帶電
（1）陰極射線過電場實驗
施加電場E之后，射線發生偏轉并射到屏上P2處，P2處的玻璃由于受到陰極射線的撞擊而發出熒光。
結論：所受電場力方向向下，陰極射線帶負電。
演示：陰極射線過電場實驗
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（2）陰極射線過磁場實驗
再加磁場抵消陰極射線的偏轉，使熒光點從P2點回到P1，需要在兩塊金屬板之間的區域再施加一個大小、方向合適的磁場。
結論：所加磁場垂直紙面向外，且電場力等于磁場力，陰極射線帶負電。
演示：陰極射線過磁場實驗
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為了使射線回到P1點
3.測定帶電粒子的比荷
需在D1D2之間施加
垂直紙面向外的磁場
去掉D1D2之間的電場
射線在磁場作用下偏轉，射在P3點。
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4.湯姆孫還發現用不同材料的陰極做實驗，比荷數值都相同。
說明：不同物質都能發射這種帶電粒子，它是構成各種物質的共有成分。
5.湯姆孫還由實驗測得的陰極射線的比荷是氫離子的比荷近2000倍。后來，湯姆孫直接測到了陰極射線粒子的電荷量，盡管當時測量很不準確，但足以證明這種粒子的電荷量與氫離子大致相同，質量比氫離子小得多。
6.陰極射線的本質
（1）陰極射線的本質是電子。
（2）電子是原子的組成部分，是比原子更基本的物質單元。
（3）電子的電荷量與氫離子的電荷量相同。
1889年4月30日，J.J.湯姆孫正式宣布發現電子;
電子的發現，結束了關于陰極射線本質的爭論;
從此，人類意識到，原子并不是組成物質的最小單位，探索原子結構的序幕由此拉開……
J.J 湯姆孫(英國)
1857 ～ 1940
由于J.J.湯姆生的杰出貢獻，1906年他獲得諾貝爾物理學獎。
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7.密立根油滴實驗
第一次較為精確測量出電子電荷量的是美國物理學家密立根利用油滴實驗測量出的。
密立根實驗發現：
電荷具有量子化的特征，即任何帶電體的電荷只能是e的整數倍。
電子的電荷量e=1.6022×10－19 C
電子的質量m=9.1094×10－31 kg
質子質量是電子質量的1836倍
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二、原子的核式結構模型
通過電子的發現人們知道：電子是原子的組成部分，由于電子是帶負電的，質量很小，而原子又是中性的，因此推斷出原子中還有帶正電的物質，幾乎占有原子的全部質量。對于原子中正負電荷如何分布的問題，科學家們提出了許多模型，湯姆孫本人于1898 年提出了一種“棗糕模型”模型。
1.湯姆孫的“西瓜模型”或“棗糕模型”
“棗糕”模型：原子是個球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個球體內，電子鑲嵌其中。
1903德國物理學家勒納德做了一個實驗，使電子束射到金屬膜，發現較高速度的電子很容易穿透原子。這說明原子不是一個實心球體，這個模型可能不正確。之后不久，α粒子散射的實驗徹底否定了這個模型！
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視頻演示：原子結構模型
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2. α 粒子散射實驗
⑴α粒子：α粒子是從放射性物質（如鈾和鐳）中發射出來的快速運動的粒子，質量為氫原子質量的4 倍、電子質量的7300倍。
⑵實驗原理和實驗裝置
1909 年，英國物理學家盧瑟福指導他的助手蓋革和馬斯頓進行α粒子散射實驗的研究時，所用儀器的示意圖。
③M顯微鏡帶有光屏S，可以在水平而內轉到不同的方向對散射的α粒子進行觀察。
①R是被鉛塊包圍的α粒子源
②F是金箔：接收α粒子的轟擊
當α粒子打到金箔時，發生了α粒子的散射。統計散射到各個方向的α粒子所占的比例，可以推知原子中電荷的分布情況。
金的延展性好，核電荷量大，核質量大。
為什么用金？
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（3）實驗演示：α 粒子散射實驗
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(4)實驗結果
①絕大多數α粒子穿過金箔后基本上沿原來的方向前進或發生很小的偏轉。
②少數α粒子發生了較大的偏轉。
③極少數α粒子的偏轉角超過了90度，
有極個別甚至接近180度，就像被彈回來了一樣。
盧瑟福
盧瑟福和他的學生驚呼：“這件事情是如此的不可能，就好像你用炮彈射向一層薄紙，但炮彈卻被紙彈了回來”。
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（5）α粒子散射實驗的分析
①粒子大角度散射甚至被彈回的原因是什么呢？
因為帶負電的電子質量太小，如果質量大的α粒子與電子發生碰撞，那么電子對α粒子的速度大小和方向的影響就像灰塵對炮彈的影響，完全可以忽略，所以大角度的偏轉不可能是電子造成的。α粒子偏轉主要是具有原子的大部分質量的帶正電部分造成的
②“棗糕模型”能否解釋粒子在穿越原子內部后發生的大角度偏嗎？
按照湯姆孫的“棗糕模型”正電荷在原子內部均勻分布，那么α粒子穿過原子時，由于粒子兩側正電荷對它的斥力大部分互相抵消，使α粒子偏轉的力不會很大，這樣，湯姆孫的“棗糕模型”雖然能夠解釋絕大多數的α粒子基本上仍沿原方向進行，但是卻無法解釋大角度散射的實驗結果。
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⑶帶負電的電子在核外空間繞著核旋轉做圓周運動
⑴在原子的中心有一個體積很小、帶正電荷的核，叫做原子核
⑵原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里
3、盧瑟福核式結構模型
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視頻演示：盧瑟福核式結構模型（上）
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視頻演示：盧瑟福核式結構模型（下）
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三、原子核的電荷與尺度
原子是由帶電荷＋Ze的核與核外Z個電子組成的，原子是電中性的，原子核所帶正電荷數（質子數）等于電子數。各種元素的原子核的電荷數，即原子內的電子數，非常接近它們的原子序數。
1.原子核的電荷、電子數、原子序數
Ze是原子核的電荷，單位是庫侖；Z是原子序數，也是原子核的電荷數
2.原子核的表示方法
原子核的電荷數:電荷數(Z)=質子數=原子序數
原子核的質量數:質量數(A)=核子數=質子數+中子數
原子
原子核
核外電子
質子
中子
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原子核的符號:
X為元素符號，Z為質子數，A 為質量數。
核電荷數＝質子數(Z)＝元素的原子序數＝核外電子數
質量數（A）＝核子數＝質子數＋中子數
H的三種同位素：
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3.原子核的尺度
原子核式結構模型示意圖
原子半徑的數量級為10-10m
對于一般的原子核，實驗確定的核半徑數量級為10-15m
原子半徑是原子核半徑的約十萬倍，原子的體積是原子核體積的1015倍
露珠
原子核
體育場
原子
原子內部是十分“空曠”的
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四、學以致用提高練習
1．下列關于原子模型及其建立過程敘述正確的是 （　　）
A．陰極射線是電子流，J.J.湯姆孫測出了電子的比荷，并精確測定了電子電荷量B．J.J.湯姆孫認為原子是一個球體，正電荷彌漫性地均勻分布于球內，電子鑲嵌其中;該理論無法解釋α粒子散射現象，后被盧瑟福核式結構模型所取代
C．通過α粒子散射實驗可以估算出原子核尺度數量級為10-10 m
D．盧瑟福根據α粒子散射實驗指出原子的全部正電荷和全部質量都集中在一個很小的區域——原子核
【答案】B
【解析】A．陰極射線是電子流，J.J.湯姆孫測出了電子的比荷，密立根精確測定了電子電荷量，故A錯誤。B．J.J.湯姆孫認為原子是一個球體，正電荷彌漫性地均勻分布于整個球內;該理論無法解釋α粒子散射現象，后被盧瑟福核式結構模型所取代，故B正確。C．通過α粒子散射實驗可以估算出原子核尺度數量級為10-15 m，故C錯誤。D．盧瑟福根據α粒子散射實驗指出原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在一個很小的區域——原子核，故D錯誤。故選B。
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2.(多選)如圖所示是J.J.湯姆孫的氣體放電管的示意圖，下列說法中正確的是(　　)
A．若在D1、D2之間不加電場和磁場，則陰極射線應打到最右端的P1點
B．若在D1、D2之間加上豎直向下的電場，則陰極射線應向下偏轉
C．若在D1、D2之間加上豎直向下的電場，則陰極射線應向上偏轉
D．若在D1、D2之間加上垂直紙面向里的磁場，則陰極射線不偏轉
【答案】AC
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3.如圖所示為盧瑟福α粒子散射實驗裝置的示意圖，圖中的顯微鏡可在圓周軌道上轉動，通過顯微鏡前相連的熒光屏可觀察α粒子在各個角度的散射情況。下列說法中正確的是(　)
A．在圖中的A、B兩位置分別進行觀察，相同時間內觀察到屏上的閃光次數一樣多
B．在圖中的B位置進行觀察，屏上觀察不到任何閃光
C．盧瑟福選用不同金屬箔片作為α粒子散射的靶，觀察到的實驗結果基本相似
D．α粒子發生散射的主要原因是α粒子撞擊到金箔原子后產生的反彈
【答案】C
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4.關于原子的核式結構模型，下列說法正確的是（ ）
A．原子中絕大部分是“空”的，原子核很小
B．電子在核外繞核旋轉的向心力是原子核對它的庫侖力
C．原子的全部電荷和質量都集中在原子核里
D．原子核的直徑的數量級是10－10 m
【答案】AB
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5.美國物理學家密立根通過如圖所示的實驗裝置，最先測出了電子的電荷量，被稱為密立根油滴實驗.兩塊水平放置的金屬板A、B分別與電源的正、負極相連接，板間產生勻強電場，方向豎直向下，圖中油滴由于帶負電懸浮在兩板間保持靜止.
(1)若要測出該油滴的電荷量，需要測出的物理量有________.
A.油滴質量m B.兩板間的電壓U
C.兩板間的距離d D.兩板的長度L
(2)用所選擇的物理量表示出該油滴的電荷量q＝________.(已知重力加速度為g)
板間電場為勻強電場，油滴處于靜止狀態，
所以電場力與重力平衡。
所以需要測出的物理量有油滴質量m，兩板間的電壓U，兩板間的距離d。
解析：
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