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3. 原子的核式結(jié)構(gòu)模型
人教版（2019）物理（選擇性必修第三冊(cè)）
第四章 原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性
目錄
素養(yǎng)目標(biāo)
01
課程導(dǎo)入
02
新課講解
03
總結(jié)歸納
04
課堂練習(xí)
05
正確教育
素養(yǎng)目標(biāo)
1.知道發(fā)現(xiàn)電子的意義，體會(huì)電子發(fā)現(xiàn)過程中蘊(yùn)含的科學(xué)方法
2.了解α粒子散射實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
3.了解盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型，知道原子和原子核大小的數(shù)量級(jí)
4.認(rèn)識(shí)原子核式結(jié)構(gòu)模型建立的科學(xué)推理與論證方法
科學(xué)家在研究稀薄氣體放電時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)玻璃管內(nèi)的氣體足夠稀薄時(shí)，陰極就發(fā)出一種射線。它能使對(duì)著陰極的玻璃管壁發(fā)出熒光，這種射線的本質(zhì)是什么呢？
早在1858年，德國(guó)物理學(xué)家普呂克爾就發(fā)現(xiàn)了氣體導(dǎo)電時(shí)的輝光放電現(xiàn)象。
1876年，德國(guó)物理學(xué)家戈德斯坦認(rèn)為管壁上的熒光是由于玻璃受到的陰極發(fā)出的某種射線的撞擊而引起的，并把這種未知射線稱之為陰極射線。
正確教育
電子的發(fā)現(xiàn)
電子的發(fā)現(xiàn)
一種觀點(diǎn)認(rèn)為陰極射線像X射線一樣是電磁輻射
另一種觀點(diǎn)認(rèn)為陰極射線是帶電微粒
19世紀(jì)，對(duì)陰極射線本質(zhì)的認(rèn)識(shí)有兩種觀點(diǎn)

赫茲
湯姆孫
思考與討論：如果是你，你將設(shè)計(jì)怎樣的實(shí)驗(yàn)，來(lái)探究陰極射線的本質(zhì)是電磁波還是帶電粒子流？
讓陰極射線沿垂直場(chǎng)的方向通過電場(chǎng)或磁場(chǎng)，觀察它是否偏轉(zhuǎn)
陰極射線的本質(zhì)是帶電粒子流
陰極射線的本質(zhì)是電磁波
發(fā)生了偏轉(zhuǎn)
沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)
那么陰極射線到底是什么？
英國(guó)物理學(xué)家J.J.湯姆孫認(rèn)為陰極射線是帶電粒子流。
為了證實(shí)這點(diǎn)，從1890年起他進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究。
真空玻璃管
陰極
陽(yáng)極
感應(yīng)圈
施加電場(chǎng)E之后，射線發(fā)生偏轉(zhuǎn)并射到屏上P2處。由此可以推斷陰極射線帶有什么性質(zhì)的電荷？怎么判斷的？
帶負(fù)電，因?yàn)閳?chǎng)強(qiáng)E 的方向豎直向上，而射線向下偏，說(shuō)明電場(chǎng)力F 的方向豎直向下，所以射線帶負(fù)電。
再加磁場(chǎng)抵消陰極射線的偏轉(zhuǎn)，使它從P2點(diǎn)回到P1，需要在兩塊金屬板之間的區(qū)域再施加一個(gè)大小、方向合適的磁場(chǎng)。
這個(gè)磁場(chǎng)的方向是？根據(jù)什么判斷？
垂直于黑板面向外，用左手定則判斷。
設(shè)粒子質(zhì)量為m，帶電荷為e，受到磁場(chǎng)力和電場(chǎng)力的作用，如果不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，則受力平衡：
電場(chǎng)力：
磁場(chǎng)力：
. . . . . . . . . . . . . . . .
去掉D1、D2間的電場(chǎng)E，只保留磁場(chǎng)B，陰極射線在有磁場(chǎng)的區(qū)域?qū)?huì)形成一個(gè)半徑為r 的圓弧（r 可以通過P3的位置算出）。
r
陰極射線是帶負(fù)電的粒子流
還可求出這種粒子的比荷
思考：湯姆孫還發(fā)現(xiàn)用不同材料的陰極做實(shí)驗(yàn)荷質(zhì)比數(shù)值都相同。這說(shuō)明什么？
說(shuō)明不同物質(zhì)都能發(fā)射這種帶電粒子，它是構(gòu)成各種物質(zhì)的共有成分。
J.J 湯姆孫(英國(guó))
1857 ～ 1940
湯姆孫為了確定電荷量和質(zhì)量進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)得到：粒子的電荷量與氫離子的大致相同，質(zhì)量很小，是最輕的原子近 1/2000 。
這種組成陰極射線的帶電粒子被稱為電子。
電子的電荷量是由誰(shuí)測(cè)量出的？為什么說(shuō)電荷是量子化的？
密立根(美國(guó))
1868 ～ 1953
密立根油滴實(shí)驗(yàn)
密立根的實(shí)驗(yàn)表明，電荷具有量子化的特征。即任何帶電體的電量只能是e 的整數(shù)倍。電子的質(zhì)量m＝9.1093897×10-31kg
e＝ 1.602 176 634 × 10 -19 C
正確教育
原子的核式結(jié)構(gòu)模型
原子的核式結(jié)構(gòu)模型
1.湯姆孫的“西瓜模型”或“棗糕模型”
1903德國(guó)物理學(xué)家勒納德做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，使電子束射到金屬膜，發(fā)現(xiàn)較高速度的電子很容易穿透原子。這說(shuō)明原子不是一個(gè)實(shí)心球體，這個(gè)模型可能不正確。之后不久，α粒子散射的實(shí)驗(yàn)徹底否定了這個(gè)模型！
“棗糕”模型：原子是個(gè)球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個(gè)球體內(nèi)，電子鑲嵌其中。
棗糕模型
2. α 粒子散射實(shí)驗(yàn)
α粒子放射源
金箔
帶有熒光屏的顯微鏡
實(shí)驗(yàn)裝置：
放射源：放射性元素釙（Po）放出粒子，粒子是氦核，帶2e正電荷，質(zhì)量是氫原子的4倍，具有較大的動(dòng)能。
金箔：作為靶子，厚度1μm，重疊了3000層左右的金原子。
熒光屏：粒子打在上面發(fā)出閃光。
顯微鏡：通過顯微鏡觀察閃光， 且可360°轉(zhuǎn)動(dòng)觀察不同角度粒子 的到達(dá)情況。
2. α 粒子散射實(shí)驗(yàn)
α粒子放射源
金箔
帶有熒光屏的顯微鏡
熒光屏
根據(jù)湯姆生模型猜想的結(jié)果：
電子質(zhì)量很小，對(duì)粒子的運(yùn)動(dòng)方向不會(huì)發(fā)生明顯影響；由于正電荷均勻分布，粒子所受庫(kù)侖力也很小，故粒子偏轉(zhuǎn)角度不會(huì)很大。
(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
①絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后基本上沿原來(lái)的方向前進(jìn)或發(fā)生很小的偏轉(zhuǎn)。
②少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)。
③極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)角超過了90度，有極個(gè)別甚至接近180度，就像被彈回來(lái)了一樣。
盧瑟福
盧瑟福和他的學(xué)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(lái)”
(3)實(shí)驗(yàn)意義
盧瑟福通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)，否定了湯姆孫的原子模型，建立了核式結(jié)構(gòu)模型。
(4)實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)
①整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在真空中進(jìn)行。
②金箔需要做得很薄，α粒子才能穿過。
③使用金箔的原因是金的延展性好，可以做得很薄。另外一點(diǎn)就是金的原子序數(shù)大，α粒子與金核間的庫(kù)侖斥力大，偏轉(zhuǎn)明顯。
3.α粒子散射實(shí)驗(yàn)的分析
粒子大角度散射甚至被彈回的原因是什么呢？
因?yàn)閹ж?fù)電的電子質(zhì)量太小，如果質(zhì)量大的α粒子與電子發(fā)生碰撞，那么電子對(duì)α粒子的速度大小和方向的影響就像灰塵對(duì)炮彈的影響，完全可以忽略。
“棗糕模型”能否解釋粒子在穿越原子內(nèi)部后發(fā)生的大角度偏嗎？
按照湯姆孫的“棗糕模型”正電荷在原子內(nèi)部均勻分布，那么α粒子穿過原子時(shí)，由于粒子兩側(cè)正電荷對(duì)它的斥力大部分互相抵消，使α粒子偏轉(zhuǎn)的力不會(huì)很大，這樣，湯姆孫的“棗糕模型”雖然能夠解釋絕大多數(shù)的α粒子基本上仍沿原方向進(jìn)行，但是卻無(wú)法解釋大角度散射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
盧瑟福——原子的核式結(jié)構(gòu)模型
3.帶負(fù)電的電子在核外空間繞著核旋轉(zhuǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)
1.在原子的中心有一個(gè)體積很小、帶正電荷的核，叫做原子核
2.原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里
原子核式結(jié)構(gòu)模型對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的解釋
當(dāng)α粒子接近原子時(shí)，電子對(duì)它的影響仍如前述可以忽略，但是帶正電的原子核則不同。因?yàn)樵雍撕苄。觾?nèi)部非常“空曠”，所以絕大多數(shù)α粒子從離核較遠(yuǎn)的地方經(jīng)過時(shí)，
受到的庫(kù)倫斥力就很小，運(yùn)動(dòng)方向幾乎不
改變。只有極少數(shù)的α粒子有機(jī)會(huì)從離核
很近的地方經(jīng)過，受到比較大的斥力，才
會(huì)發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)。
1.（多選）當(dāng)α粒子被原子核散射時(shí)，如圖所示的運(yùn)動(dòng)軌跡中不可能存在的是( )
A.a B.b C.c D.d
經(jīng)典例題
BC
解題思路：因?yàn)棣亮Ｗ右艿皆雍说膸?kù)侖斥力作用,根據(jù)曲線運(yùn)動(dòng)的條件很容易得出b、c是不可能的,故選BC。
正確教育
原子核的電荷與尺度
由不同元素對(duì)α粒子散射的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以確定不同元素原子核的電荷量Q。又由于原子是電中性的，可以推算出原子內(nèi)含有的電子數(shù)。
帶電荷＋Ze 的核
核外電子（Z 個(gè)）
原子的組成
原子序數(shù)Z =
核電荷
電子電荷
質(zhì)子
中子
原子內(nèi)部是十分“空曠”的
核半徑的數(shù)量級(jí)為10-15 m
原子半徑的數(shù)量級(jí)是10-10 m
原子核的半徑是很難測(cè)量的，一般通過其他粒子與核的相互作用來(lái)確定。α粒子散射可以用來(lái)估算核半徑。對(duì)于一般的原子核，實(shí)驗(yàn)確定的核半徑的數(shù)量級(jí)為10-15 m，而整個(gè)原子半徑的數(shù)量級(jí)是10-10 m，兩者相差十萬(wàn)倍之多。
2.α粒子散射實(shí)驗(yàn)又稱金箔實(shí)驗(yàn)、Geiger-Marsden實(shí)驗(yàn)或盧瑟福粒子散射實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。通過該實(shí)驗(yàn)，我們可以知道( )
A.該實(shí)驗(yàn)證實(shí)了湯姆孫的“西瓜模型”是正確的
B.大多數(shù)粒子穿過金箔后，其運(yùn)動(dòng)方向受到較大的影響
C.原子是一個(gè)球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個(gè)球體內(nèi)，電子鑲嵌在其中
D.占原子質(zhì)量絕大部分的帶正電的那部分物質(zhì)集中在很小的空間范圍內(nèi)
經(jīng)典例題
D
答案：D
解析：ACD、正電荷彌漫性地均勻分布在整個(gè)球體內(nèi)，電子鑲嵌其中是湯姆孫的認(rèn)為，盧瑟福設(shè)計(jì)了α粒子散射證明帶正電的那部分物質(zhì)占原子質(zhì)量的絕大部分集中在很小的空間范圍，從而證明湯姆孫的“西瓜模型”是錯(cuò)誤的，故AC錯(cuò)誤，D正確；
B、當(dāng)α粒子穿過原子時(shí)，電子對(duì)α粒子影響很小，影響α粒子運(yùn)動(dòng)的主要是原子核，離核遠(yuǎn)則α粒子受到的庫(kù)侖斥力很小，運(yùn)動(dòng)方向改變小。只有當(dāng)α粒子與核十分接近時(shí)，才會(huì)受到很大庫(kù)侖斥力，而原子核很小，所以α粒子接近它的機(jī)會(huì)就很少，所以只有極少數(shù)大角度的偏轉(zhuǎn)，而絕大多數(shù)基本按直線方向前進(jìn)，故B錯(cuò)誤；
故選：D。
原子的核式結(jié)構(gòu)模型
電子的發(fā)現(xiàn)
原子的核式結(jié)構(gòu)模型
原子核的電荷與尺度
電子的電荷量
電子的比荷
盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)
由質(zhì)子和中子組成
原子核半徑數(shù)量級(jí)10-15m
原子半徑的數(shù)量級(jí)為10-10m
原子的核式結(jié)構(gòu)模型
盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，開有小孔的鉛盒里面包裹著少量的放射性元素釙。鉛能夠很好地吸收α粒子，使得α粒子只能從小孔射出，形成一束很細(xì)的射線射到金箔上，最后打在熒光屏上產(chǎn)生閃爍的光點(diǎn)。下列說(shuō)法正確的是( )
A.α粒子碰撞到了電子會(huì)反向彈回
B.極少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)
C.該實(shí)驗(yàn)為湯姆孫的“棗糕模型”奠定了基礎(chǔ)
D.該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明原子具有核式結(jié)構(gòu)，負(fù)電荷集中在原子中心
B
答案：B
解析：A.α粒子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量，α粒子碰撞到了電子不會(huì)改變運(yùn)動(dòng)方向，A錯(cuò)誤；
B.極少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，B正確；
C.該實(shí)驗(yàn)為核式結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)，C錯(cuò)誤；
D.該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明原子具有核式結(jié)構(gòu)，正電荷集中在原子中心，D錯(cuò)誤。
故選B。
在盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，某一α粒子經(jīng)過某一原子核附近時(shí)的軌跡如圖中實(shí)線所示，圖中P、Q為軌跡上的點(diǎn)，虛線是過P、Q兩點(diǎn)并與軌跡相切的直線，兩虛線和軌跡將平面分為五個(gè)區(qū)域，不考慮其他原子核對(duì)該α粒子的作用，下列說(shuō)法正確的是( )
A.α粒子受到引力
B.該原子核的位置可能在①區(qū)域
C.根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)可以估算原子核大小
D.α粒子在間的運(yùn)動(dòng)為勻速圓周運(yùn)動(dòng)
C
答案：C
解析：盧瑟福通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，正電荷全部集中在原子核內(nèi)，α粒子帶正電，同種電荷相互排斥，結(jié)合受力的特點(diǎn)與軌跡的特點(diǎn)可知原子核可能在③區(qū)域，故AB錯(cuò)誤；根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)可以估算原子核大小，故C正確；粒子受到的庫(kù)侖力大小隨α粒子與金原子核之間距離的變化而變化，力的大小是變化的，所以α粒子不可能做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，故D錯(cuò)誤。
關(guān)于電子的發(fā)現(xiàn)，下列敘述正確的是( )
A.湯姆孫通過對(duì)陰極射線的研究發(fā)現(xiàn)了電子，從而揭示了原子核是可以再分的
B.電子的發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明原子是由電子和原子核組成的
C.電子質(zhì)量與電荷量的比值稱為電子的比荷
D.電子電荷量的精確測(cè)定最早是由密立根通過著名的“油滴實(shí)驗(yàn)”實(shí)現(xiàn)的
D
答案：D
解析：湯姆孫通過對(duì)陰極射線的研究發(fā)現(xiàn)了電子，從而揭示了原子是可以再分的，A錯(cuò)誤；原子的核式結(jié)構(gòu)是盧瑟福通過α粒子的散射實(shí)驗(yàn)才提出的，B錯(cuò)誤；電子的電荷量與質(zhì)量的比值稱為電子的比荷，C錯(cuò)誤；電子電荷量的精確測(cè)定最早是由密立根通過著名的“油滴實(shí)驗(yàn)”實(shí)現(xiàn)的，D正確。
如圖所示，是α粒子散射實(shí)驗(yàn)的示意圖，①②③④四條軌跡分別對(duì)應(yīng)4個(gè)α粒子與原子核相互作用時(shí)的運(yùn)動(dòng)路徑。已知α粒子的入射速度都相等，散射后的速度大小等于初速度大小，則4個(gè)α粒子在散射過程中受到原子核沖量最大的是( )
A.① B.② C.③ D.④
D
答案：D
解析：散射角度大的α粒子動(dòng)量變化大，所以受到原子核的沖量也大，所以4個(gè)α粒子在散射過程中受到原子核沖量最大的是④。
故選D。
謝謝觀看

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