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第十章 從粒子到宇宙
第3節(jié) 探索更小的微粒
科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，分子是由原子構(gòu)成的。例如，如圖（a），一個(gè)水分子由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子構(gòu)成。那么，原子是否還可以再分呢？如圖（b），原子是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子構(gòu)成的。
（a）
（b）
新知導(dǎo)入
1.知道分子是由原子構(gòu)成的。
2.知道原子的核式結(jié)構(gòu)模型。
3.知道摩擦起電的原因及其實(shí)質(zhì)。
4.了解微觀粒子的層次結(jié)構(gòu)和尺度的數(shù)量級(jí)。
學(xué)習(xí)目標(biāo)
1803年9月，道爾頓利用當(dāng)時(shí)已掌握的一些分析數(shù)據(jù)，計(jì)算出了第一批原子量。1803年10月21日，在曼徹斯特的“文學(xué)和哲學(xué)學(xué)會(huì)”上，道爾頓第一次闡述了他關(guān)于原子論以及原子量計(jì)算的見(jiàn)解，其要點(diǎn)：
約翰·道爾頓
（1766—1844年），英國(guó)化學(xué)家、物理學(xué)家。原子理論的提出者。
1. 道爾頓的原子論模型
化學(xué)元素由不可分的微粒——原子構(gòu)成，原子在一切化學(xué)變化中是不可再分的最小單位。同種元素的原子性質(zhì)和質(zhì)量都相同，不同元素原子的性質(zhì)和質(zhì)量各不相同，原子質(zhì)量是元素基本特征之一。
學(xué)習(xí)目標(biāo)
01 原子的核式結(jié)構(gòu)模型
（1）湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子
1897 年，英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫（1856—1940）在研究陰極射線(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了電子——人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)比原子小的粒子。電子帶負(fù)電，是原子的構(gòu)成部分之一。它的發(fā)現(xiàn)打破了原子不可再分的傳統(tǒng)觀念，激發(fā)了人們探索原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熱情。
由于電子是帶負(fù)電的，而原子又是中性的，因此物理學(xué)家推斷出在原子中還存在帶正電荷的其它物質(zhì)。
湯姆孫
英國(guó)物理學(xué)家，電子的發(fā)現(xiàn)者。于1906年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
2. 湯姆孫的原子模型
（2）湯姆孫的“葡萄干蛋糕模型”
1903年湯姆孫提出了一個(gè)原子結(jié)構(gòu)模型，人們把它叫做“葡萄干蛋糕”模型。 翻譯為“棗糕模型”或“西瓜模型”或“湯姆生模型”。湯姆孫模型認(rèn)為：
此模型有一定意義，但不能解釋后來(lái)的α 粒子散射實(shí)驗(yàn)，后來(lái)被盧瑟福的有核模型所取代。
正電荷均勻分布在整個(gè)原子球體中，帶負(fù)電的電子散布在原子中，這些電子分布在對(duì)稱(chēng)的位置上。
（1）α粒子散射實(shí)驗(yàn)
盧瑟福在1898年發(fā)現(xiàn)了α射線(xiàn)。他用準(zhǔn)直的α射線(xiàn)轟擊厚度為微米的金箔時(shí)，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)粒子散射角度很小，但有少數(shù)α粒子偏角很大，個(gè)別粒子的偏轉(zhuǎn)幾乎達(dá)到180°。
3. 盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型
盧瑟福
（1871-1937），英國(guó)籍的新西蘭人，著名物理學(xué)家，知名為原子核物理學(xué)之父。學(xué)術(shù)界公認(rèn)他為繼法拉第之后最偉大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。
（2） α 粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)論
根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行推導(dǎo)：當(dāng)α粒子穿過(guò)原子時(shí)，電子對(duì)α粒子運(yùn)動(dòng)的影響很小，影響α粒子運(yùn)動(dòng)的主要是另一種帶正電的“粒子”，即原子核。因?yàn)榻^大多數(shù)的α粒子穿過(guò)原子時(shí)離核較遠(yuǎn)，受到的斥力很小，運(yùn)動(dòng)方向幾乎沒(méi)有改變，只有極少數(shù)α粒子可能與核十分接近，受到較大的斥力，才會(huì)發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)論：
原子中絕大部分是空的；α 粒子前進(jìn)時(shí)撞在一個(gè)體積很小而質(zhì)量又比它大很多的微粒上（原子核）。
原子核
電子
原 子
（3）盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型
通過(guò)對(duì)電荷，質(zhì)量和偏轉(zhuǎn)角度等的運(yùn)算，盧瑟福1911年提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型：
原子是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子構(gòu)成的，且正負(fù)電荷數(shù)量相等；原子核位于原子的中心，電子受原子核吸引，繞核做高速運(yùn)動(dòng)，就像行星繞著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)一樣。
若把原子核看成一個(gè)小球，則它的半徑約為10-15m。如果把原子比作一個(gè)足球，那么原子核只有針尖般大小。
4. 摩擦起電的原因
（1）電子轉(zhuǎn)移觀點(diǎn)
由原子的核式結(jié)構(gòu)模型進(jìn)一步推理可知：因?yàn)樵雍撕苄∏屹|(zhì)量很大，而電子運(yùn)動(dòng)的空間很大且質(zhì)量很小，所以移動(dòng)或改變?cè)雍朔浅＠щy，移動(dòng)或改變電子比較容易。人們認(rèn)為靜電現(xiàn)象都是由于電子轉(zhuǎn)移而形成的，這種觀點(diǎn)稱(chēng)為電子轉(zhuǎn)移觀點(diǎn)。 應(yīng)用電子轉(zhuǎn)移觀點(diǎn)，可以解釋原子帶電、物體帶電和摩擦起電現(xiàn)象。
（2）原子帶電成為離子
一個(gè)中性的原子，如果失去一個(gè)或幾個(gè)電子，就會(huì)使核內(nèi)正電荷總數(shù)大于核外負(fù)電荷總數(shù)，則該原子將帶正電，例如氫離子、鈉離子。如果得到一個(gè)或幾個(gè)電子，就會(huì)使核內(nèi)正電荷總數(shù)小于核外負(fù)電荷總數(shù)，則該原子將帶負(fù)電，例如氧離子、氯離子。
（3）物體帶電成為帶電體
一個(gè)中性的物體，如果失去若干電子，則該物體將帶正電，如果得到若干電子，則該物體將帶負(fù)電。
帶正電荷
帶負(fù)電荷
（4）摩擦起電的本質(zhì)
束縛能力弱
的失去電子
束縛能力強(qiáng)
的得到電子
不同物質(zhì)的原
子核束縛電子
的本領(lǐng)不同
摩擦起電不是創(chuàng)造了電荷，只是電荷從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，使正、負(fù)電荷分開(kāi)。
摩擦起電的本質(zhì)：電子的轉(zhuǎn)移。
摩擦?xí)r
1. 原子核
（1）質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)
質(zhì)子
原子核
1919年，盧瑟福用速度是20000km/s的“子彈”—α 粒子去轟擊氮、氟、鉀等元素的原子核時(shí)，發(fā)現(xiàn)在原子核中還存在一種帶正電的質(zhì)量比電子大很多的微粒——質(zhì)子。
質(zhì)子所帶正電荷的數(shù)量＝電子所帶負(fù)電荷的數(shù)量
原子核還能再分嗎？隨著歷史的發(fā)展，人們對(duì)原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究逐步深入。
02 微觀粒子探索進(jìn)展
原子核
中子
詹姆斯·查德威克 （1891-1974），英國(guó)物理學(xué)家，于1935年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
（2）中子的發(fā)現(xiàn)
中子的概念是由英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福提出，中子的存在是1932年英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·查德威克用鐳的α-射線(xiàn)轟擊鈹原子時(shí)的實(shí)驗(yàn)中證實(shí)的。科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)中子的質(zhì)量與質(zhì)子相同、但是不帶電。
原子核
中子
質(zhì)子
（3）原子核的組成及帶電情況
中子
質(zhì)子
原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，質(zhì)子帶正電，中子不帶電。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱(chēng)為核子。
原 子
原子核
電 子
中子
質(zhì)子
不帶電
不帶電
+
+
-
（4）原子的組成及帶電情況
中子
質(zhì)子
電子
原子的直徑：約10-10米
原子核的直徑：約10-15米
形象來(lái)說(shuō)，就是地球和乒乓球的比例, 大約一比一千億。 原子核極小，它的直徑在10-16m～10-14m之間，體積只占原子體積的幾千億分之一，在這極小的原子核里卻集中了99.95％以上原子的質(zhì)量。
（5）原子與原子核的大小比較
默里·蓋爾曼
（1929—2019），生于美國(guó)紐約的一個(gè)猶太家庭，物理學(xué)家，提出了質(zhì)子和中子是由三個(gè)夸克組成的，并因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
（6）夸克
質(zhì)子和中子還能再分嗎？隨著人們對(duì)原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究逐步深入，物理學(xué)家默里·蓋爾曼提出了質(zhì)子和中子還可以再分。
質(zhì)子和中子是分別由三個(gè)夸克組成的。
電子＜10-18m
核子由
夸克組成
質(zhì)子
中子
粒子 分子 原子 原子核 核子
大小
原子核由質(zhì)子
和中子組成
2. 總結(jié)：不同微觀粒子的層次結(jié)構(gòu)示意圖
10-10～10-5m
10-10m
10-15～10-14m
10-15m
水分子（每個(gè)小球表示 一個(gè)原子）
1909 年，盧瑟福和他的學(xué)生利用一束高速運(yùn)動(dòng)的帶正電的 α 粒子（由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子構(gòu)成）轟擊很薄的金箔，獲得了極有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。1911 年，盧瑟福根據(jù)上述 α 粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果提出了著名的原子核式結(jié)構(gòu)模型。該實(shí)驗(yàn)也啟發(fā)了人們用更高能量的粒子作為“炮彈”來(lái)探索微觀世界的奧秘。
我們把能使帶電粒子加速到很高能量的裝置稱(chēng)為加速器。20 世 紀(jì) 30 年代，美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器。1988 年，我 國(guó)建成了北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)。這是當(dāng)時(shí)世界八大高能加速器之一， 也是我國(guó)繼導(dǎo)彈、原子彈、氫彈、人造衛(wèi)星、核潛艇之后的又一偉大科技成就。
生活 物理 社會(huì) 加速器及其應(yīng)用
下圖所示的高能同步輻射光源直線(xiàn)加速器由中國(guó)科學(xué)院高 能物理研究所承擔(dān)建造。它在先進(jìn)材料、航空航天、能源、環(huán)保以 及生物工程等方面發(fā)揮了重要作用。
加速器在生產(chǎn)、生活中同樣有著非常重要的作用，如用于癌癥的治療、工業(yè)探傷、食品的防腐保鮮、復(fù)合材料的生產(chǎn)以及醫(yī)療用 品消毒等。
高能同步輻射光源直線(xiàn)加速器
探索更小的微粒
原子
模型
原子結(jié)構(gòu)
①湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，提出原子的葡萄干蛋糕模型.
②盧瑟福通過(guò)α粒子實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子，提出核式結(jié)構(gòu)模型。
③詹姆斯·查德威克通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)中子的存在.
④默里·蓋爾曼發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子分別由三個(gè)夸克組成的。
⑤原子的三種模型: 道爾頓模型；湯姆生模型；盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型.
原子核
電子（帶負(fù)電）
質(zhì)子（帶正電）—夸克。
中子（不帶電）—夸克。
課堂小結(jié)
1.刮大風(fēng)時(shí)塵埃在空中飛舞，對(duì)于塵埃，下列說(shuō)法正確的是（　　）
A．它和一個(gè)分子差不多大小
B．可以借助光學(xué)顯微鏡觀察到塵埃分子
C．它的直徑大約為10-10m
D．它是由許多分子構(gòu)成的
D
課堂練習(xí)
2. 關(guān)于盧瑟福提出的原子結(jié)構(gòu)的核式模型，下列說(shuō)法中正確的是（ ）
A. 原子是由原子核和中子組成的
B. 原子是由原子核和核外電子組成的
C. 原子是由質(zhì)子和中子組成的
D. 原子的質(zhì)量幾乎集中在原子核外
B
3.大千世界，從宏觀到微觀，從天體到原子，似乎都有那么多驚人的相同規(guī)律。如圖所示，是太陽(yáng)系模擬圖，行星們?cè)诟髯缘墓潭ㄜ壍郎蠂@恒星太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)，這與 （選填“湯姆遜”或“盧瑟福”）建立的原子核式結(jié)構(gòu)模型十分
相似，其中原子核相當(dāng)于太陽(yáng)，繞核運(yùn)動(dòng)的 就相當(dāng)于行星。
盧瑟福
電子

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