1、原子的核式结构模型知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元教学目标教学目标体会电子的发现过程中蕴含的科学方法知道电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整数倍领会电子的发现对揭示原子结构的重大意义教学重点教学重点阴极射线的研究汤姆孙发现电子的理论推导教学难点教学难点世间万物是由原子构成的原子是一种最后的不可分割的物质微粒每种化学元素都有它对应的原子原子是最微小的不可分割的实心球体德谟克利特道尔顿汤姆生的伟大发现汤姆生发现电子之前人们认为原子是组成物体的最小微粒，是不可再分的汤姆生从对阴极射线等现象的研究中发现了电子，从而敲开了原子的大门那么电子发现的过程是怎样的？
2、阴极射线阴极射线早在1858年，德国物理学家普吕克尔利用低压气体放电管研究气体放电时看到了玻璃壁上淡淡的荧光及管中物体在玻璃壁上的影。普吕克尔的类似实验阴极射线阴极射线1876年另一位德国物理学家戈德斯坦认为管壁上的荧光是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的，并把这种射线命名为阴极射线。那么阴极射线到底是什么呢？阴极射线的本质阴极射线的本质19世纪，对阴极射线本质的认识有两种观点一种观点认为阴极射线像X射线一样是电磁辐射代表人物赫兹另一种观点认为阴极射线是带电微粒代表人物汤姆孙赫兹德国汤姆孙英国阴极射线的本质阴极射线的本质如果是你，你将设计怎样的实验，来探究阴极射线的本质是电磁波还是带
3、电粒子流？让阴极射线沿垂直场的方向通过电场或磁场，观察它是否偏转如果阴极射线发生了偏转，那么阴极射线就是在电场力或洛伦兹力的作用下偏转的，说明阴极射线的本质是带电粒子流。如果阴极射线没有发生偏转，表示阴极射线不带电，说明阴极射线的本质是电磁波阴极射线的本质阴极射线的本质阴极射线的本质阴极射线的本质现象：阴极射线发生了偏转现象：阴极射线发生了偏转说明阴极射线不是电磁波，否定了赫兹的说法；同时也能得到阴极射线的本质是带电粒子流带电粒子流带电粒子的电荷量与其质量比比荷（荷质比），是一个重要的物理量。阴极射线作为一种带电粒子流，它的电性是什么呢？它的比荷又是多少呢根据带电粒子在电场、磁场中的运动规律，
4、哪些方法可以判断运动的带电粒子所带电荷的正负号？带电粒子在电场中的偏转模型带电粒子在磁场中偏转模型英国物理学家J.J.汤姆孙认为阴极射线是带电粒子流。为了证实这点，从1890年起他进行了一系列实验研究。汤姆孙的气体放电管汤姆孙的气体放电管汤姆孙的气体放电管示意图小孔AB：使由C发出的粒子形成一束细细的射线带有标尺的荧光屏平行的金属板之间夹有电场阴极C：发出带电粒子通过射线产生的荧光的位置，可以研究射线的径迹在真空度高的放电管中，阴极射线中的粒子主要来自阴极。对于真空度不高的放电管来说，粒子还可能来自管中的气体。汤姆孙的气体放电管汤姆孙的气体放电管根据带电粒子在电场和磁场中受力的情况，可以得出组
5、成阴极射线的微粒的比荷。汤姆孙的气体放电管汤姆孙的气体放电管带负电汤姆孙的气体放电管汤姆孙的气体放电管所加磁场方向和大小有何要求呢？垂直纸面向外每个阴极射线粒子受到的电场力F=Eq每个阴极射线粒子受到的洛伦兹力f=BqvEq=Bqv进而得到阴极射线的速度表达式BqvEq汤姆孙的气体放电管汤姆孙的气体放电管汤姆孙的气体放电管汤姆孙的气体放电管如果汤姆孙请你做助手，请你回想并根据汤姆孙研究阴极射线的过程，计算出阴极射线粒子的比荷Eq=Bqv汤姆孙的气体放电管汤姆孙的气体放电管1897年，汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定，它的本质是带负电的粒子流，并求出了这种粒子的比荷。阴极射线粒子的
6、比荷具体数值是多少呢？我们一起来算一算如图所示为一种测定阴极射线比荷的实验装置阴极射线粒子的比荷阴极射线粒子的比荷真空玻璃管内，阴极K发出的粒子经过阳极A与阴极K之间的高压加速后，形成一细束粒子流，以平行于极板的速度进入两极板C、D间区域。若两极板C、D间无电压，粒子将打在荧光屏上的O点，若在两极板间施加电压U，则离开极板区域的粒子将打在荧光屏上的P点；若再在极板间施加一个方向垂直于纸面向外、磁感应强度为B的匀强磁场，则粒子在荧光屏上产生耳朵光点又回到O。如图所示为一种测定阴极射线比荷的实验装置阴极射线粒子的比荷阴极射线粒子的比荷解以M点为坐标原点，水平向右为x轴，竖直向下为y轴设粒子经加速后
7、获得的速度为既有电场又有磁场时：得到粒子的速度：阴极射线粒子的比荷阴极射线粒子的比荷只加电场时，粒子在CD间做类平抛运动，知道极板的右边缘水平方向：匀速直线运动：竖直方向：匀加速直线运动：竖直方向的位移大小：竖直方向的速度大小：如图所示为一种测定阴极射线比荷的实验装置阴极射线粒子的比荷阴极射线粒子的比荷如图所示为一种测定阴极射线比荷的实验装置飞出极板到荧光屏，匀速直线运动水平方向：竖直方向：竖直方向的总位移：联立解得：原子不是组成物质的最小微粒原子不是组成物质的最小微粒汤姆孙还发现，用不同材料的阴极做实验，所得的比荷数值是相同的。这说明了什么？说明不同物质都能够发射这种带电粒子，它是构成各种物
8、质的共有成分。猜想一：猜想一：阴极射线粒子的质量大小与氢离子质量一样大，而电荷却比氢离子大得多；猜想二：猜想二：阴极射线粒子的电荷量与氢离子电荷量一样大，而质量却比氢离子小得多；汤姆孙由实验测得阴极射线粒子比荷是氢离子比荷的近两千倍。这两种粒子的电量和质量有什么关系呢原子不是组成物质的最小微粒原子不是组成物质的最小微粒汤姆孙后来又通过实验测得阴极射线粒子的电荷量大小与氢离子大致相同。阴极射线粒子的质量比氢离子小得多后来，组成阴极射线的粒子就被称为电子。原子不是组成物质的最小微粒原子不是组成物质的最小微粒汤姆孙进一步研究发现，不论阴极射线、射线、光电流还是热离子流，它们都包含电子。原子不是组成物
9、质的最小微粒原子不是组成物质的最小微粒电子是原子的组成部分，电子是原子的组成部分，它是比原子更基本的物质单元。它是比原子更基本的物质单元。汤姆孙电子发现的意义电子发现的意义电子的发现不只是说明原子是组成物质的最小微粒，更重要的是对揭示原子结构有重大意义。电子的发现和X射线的发现、放射现象的发现并称近代物理的三大发现汤姆孙因此获得了1906年的诺贝尔物理学奖。被科学界誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”汤姆孙电子荷质比的具体数值是那么电子的电量q和质量m的各自的具体数值又是多少呢？密立根密立根油滴实验19091913年间，美国物理学家密立根通过“油滴实验”测出了电子电荷的精确值质量为
10、m的油滴所受阻力的大小与速度大小成正比，设比例系数为k。两板间不加电压时，观察到某一油滴竖直向下做匀速运动，通过一段距离所用时间为；则密立根的油滴实验密立根的油滴实验密立根的油滴实验密立根的油滴实验加电压U时，可以观察到同一油滴竖直向上做匀速运动，且在时间内运动的距离为，则：联立解得：密立根测定了数千个油滴的电荷量，发现各个油滴所带电荷量不连续的，它们都是某一最小电荷元电荷的整数倍，这一最小电荷所带电荷量就是电子的电荷量密立根通过著名的“油滴实验”得到电子电荷量的精确值。电子电荷的现代值为：近似值为密立根电子的电量和质量电子的电量和质量电子的电量和质量电子的电量和质量电子比荷电子电量电子质量质
11、子质量与电子质量的比值密立根油滴实验更重要的发现是：电荷是不连续的，是量子化的，即任何带电体的电荷只能使e的整数倍。问题与练习问题与练习汤姆孙是怎样发现电子的？汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转现象，确定了其本质是带负电的粒子流并求出了这种粒子的比荷；进一步的实验发现，不同物质做成的阴极发出的射线粒子都有相同的比荷，说明这种带电粒子是构成物质的共同成分；用这种粒子的比荷与氢离子比荷比较，并用实验测出了这种粒子的电荷量与氢离子电荷量相同，质量又比最轻原子的质量小得多。根据这些，汤姆孙发现了电子。问题与练习问题与练习加在阴极射线管内阴极和阳极之间的电压为，如果电子离开阴极表面时的速度为0，试求
12、电子到达阳极时的速度。问题与练习问题与练习一个半径为的带负电的油滴，处在电场强度等于的竖直向下的匀强电场中。如果油滴受到的库仑力恰好与重力平衡，问：这个油滴带有几个电子的电荷？已知油的密度为。电子的个数为5教学目标教学目标了解粒子散射实验原理和实验现象知道卢瑟福的原子核式结构的主要内容知道原子和原子核的大小数量级，原子核的电荷数领会卢瑟福提出原子核式结构的实验和思维过程，培养学生抽象思维能力和想象力教学重点教学重点从粒子散射实验的结果分析否定枣糕模型，得出原子的核式结构从粒子散射实验的结果分析否定枣糕模型，得出原子的核式结构教学难点教学难点英国伟大的科学家汤姆孙研究阴极射线，发现了电子美国物理
13、学家密立根通过“油滴实验”测得了电子的带电量电子的发现不只是说明原子不是组成物质的最小微粒，更重要的是对揭示原子结构有重大意义在我们生活的物质世界中，通常情况下物质本身都是呈电中性的。带负电电子的发现使人们推测原子中必然还有带正电荷的部分。也就是说，原子是由两部分组成的。一部分是电子，带负电。另一部分则带正电，而且其所带的正电荷应与电子所带的负电荷相等原子的结构究竟是怎样的呢？近代物理的三大发现即电子的发现和X射线的发现、放射现象的发现，成为了科学家构思原子结构的依据设想原子的中心是带正电的粒子，外围是绕其运动的电子佩兰1901年，法国物理学家佩兰原子的结构究竟是怎样的呢？近代物理的三大发现即
14、电子的发现和X射线的发现、放射现象的发现，成为了科学家构思原子结构的依据1903年，日本科学家长冈半太郎，提出了“土星型模型”认为电子均匀分布在一个环上，中心是一个大质量的正电球长冈半太郎原子的结构究竟是怎样的呢？近代物理的三大发现即电子的发现和X射线的发现、放射现象的发现，成为了科学家构思原子结构的依据1904年，爱尔兰科学家汤姆孙提出了影响较大的“枣糕模型”汤姆孙汤姆孙的原子模型汤姆孙的原子模型正电荷电子假想正电荷构成一个密度均匀分布的球体，电子“浸浮”其中，并分布在一些特定的同心圆环或球壳上汤姆孙的原子模型汤姆孙提出的“枣糕模型”是否正确呢？如果能直接观测就好了原子很小，原子的结构非常紧
15、密，用一般的方法是无法直接观测到它的内部结构的那么我们需要采用什么样的方法来认识原子的结构呢？要认识原子的结构，需要用高速粒子对它进行轰击由于粒子具有足够的能量，可以接近原子中心，它还可以使荧光屏物质发光如果粒子与其他粒子发生相互作用而改变运动方向，荧光屏就能够显示出它的方向变化新西兰物理学家卢瑟福通过粒子散射的方法来研究原子结构卢瑟福卢瑟福粒子散射实验粒子散射实验粒子：带有两个正电荷，质量约为电子的7300倍粒子放射源金箔带有荧光屏的显微镜荧光屏19091911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手们进行了粒子散射实验粒子放射源被封装在铅盒内，在铅盒上有一个小孔，这样粒子可以从小孔发射出来用金材料
16、做成的金属箔片，厚度约为1微米被散射的粒子打在荧光屏上会产生荧光，显微镜可以绕平板边缘做圆周运动，这样可以通过荧光屏上的荧光来观察粒子轰击金箔后被散射的径迹粒子散射实验整个实验过程在真空中进行粒子是氮原子核，体积很小，金箔需要做得很薄，粒子才能穿过粒子散射实验实验结果：（1）绝大多数粒子穿过金箔后基本上沿原来的方向前进或发生很小的偏转（2）少数粒子发生了较大的偏转（3）极少数粒子的偏转角超过了90度，有极个别甚至接近180度，就像被弹回来了一样卢瑟福卢瑟福和他的学生惊呼：“这件事情是如此的不可能，就好像你用炮弹射向一层薄纸，但炮弹却被纸弹了回来”粒子散射实验的分析粒子大角度散射甚至被弹回的原因
17、是什么呢？粒子出现大角度散射有没有可能是与电子碰撞后造成的？粒子：带有两个正电荷，质量约为电子的7300倍倍因为带负电的电子质量太小，如果质量大的粒子与电子发生碰撞，那么电子对粒子的速度大小和方向的影响就像灰尘对炮弹的影响，完全可以忽略粒子散射实验的分析“枣糕模型”能否解释粒子在穿越原子内部后发生的大角度偏吗？按照汤姆孙的“枣糕模型”正电荷在原子内部均匀分布，那么粒子穿过原子时，由于粒子两侧正电荷对它的斥力大部分互相抵消，使粒子偏转的力不会很大这样，汤姆孙的“枣糕模型”虽然能够解释绝大多数的粒子基本上仍沿原方向进行，但是却无法解释大角度散射的实验结果粒子散射实验的分析实验中发现少数的粒子发生大
18、角度的偏转，极少数的个别粒子甚至被弹回。这个现象能表明什么呢？实验结果表明这些粒子在原子中的某个地方受到了质量、电量均比本身大得多的物体的作用粒子散射实验的分析另外金箔的厚度大约是1m，而金原子的直径约为也就是说，绝大多数的粒子在穿过金箔时，相当于穿过几千个金原子的厚度，但它们的运动方向却没有发生明显的变化这个现象表明了绝大多数的粒子在穿过金箔时基本上没有受到力的作用说明原子中的绝大部分是“空”的，原子的质量和电量都集中在体积很小的部分上客观的实验结果分析让卢瑟福对导师汤姆孙的“枣糕模型”的观点产生了质疑并大胆否定卢瑟福1911年，新西兰物理学家卢瑟福提出原子的核式结构模型在原子的中心有一个体
19、积很小、带正电荷的核，叫做原子核原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里带负电的电子在核外空间绕着核旋转做圆周运动原子核式结构模型对原子核式结构模型对粒子散射实验的解释粒子散射实验的解释解释粒子散射实验当粒子接近原子时，电子对它的影响仍如前述可以忽略，但是带正电的原子核则不同。因为原子核很小，原子内部非常“空旷”，所以绝大多数粒子从离核较远的地方经过时，受到带有同种电荷的原子核的斥力就很小，因此几乎不发生偏转。只有极少数的粒子有机会从离核很紧的地方经过，受到比较大的斥力，才会发生大角度的偏转。原子核式结构模型对粒子散射实验的解释解释粒子散射实验卢瑟福以自己的原子的核式结构模型为依据，利用
20、经典力学计算了向各个方向散射的粒子的比例，结果与实验数据符合得很好。原子核式结构模型的反思原子核式结构模型的反思为什么卢瑟福认为电子一定要绕核运动呢？为什么电子不能静止呢？如果电子是静止的，那么电子在正电荷的库仑力的作用下，要落在原子核上。所以，电子应绕核运动，库仑力正好充当向心力原子核式结构模型的反思原子的核式结构模型中提到，原子中间有一个带正电的核，称为原子核。原子核带多少个正电荷呢？实验发现：由不同元素对由不同元素对粒子散射的实验数据可以确定各种元粒子散射的实验数据可以确定各种元素原子核的电荷，从而得到原子核所带正电荷的个数素原子核的电荷，从而得到原子核所带正电荷的个数原子的核式结构模型
21、中提到，原子中间有一个带正电的核，称为原子核。原子核的体积究竟有多小呢？原子的半径是无法直接测量的，一般通过其他粒子与原子核的相互作用来确定。粒子散射是估计原子核半径的最简单的方法粒子散射是估计原子核半径的最简单的方法电荷数与原子序数电荷数与原子序数由于原子是电中性的，原子核所带正电荷数等于电子数。科学家们注意到各种元素的原子核的电荷数，即原子内的电子数，非常接近它们的原子序数这说明元素周期表中的各种元素是按原子中的电子数排列的。原子核所带正电荷数原子核所带正电荷数=核外电子数核外电子数=该元素在周期表内的原子序数该元素在周期表内的原子序数原子的尺度原子的尺度核式结构模型示意图原子的尺度可见，
22、原子内部是十分“空旷”的举一个简单的例子：露珠原子核体育场原子原子的尺度卢瑟福还指出由于电子本身的质量很小，所以原子核几乎集中了原子的全部质量而原子核的体积又很小，所以其密度大的惊人请同学们估算一下氢原子核的密度原子的尺度氢原子核的体积氢原子核的密度代入数据，得：卢瑟福提出的核式结构模型，很好的解释了粒子散射实验，开辟了研究原子结构的新途径，但它同经典理论之间存在着抵触。原子的核式结构模型与经典理论的矛盾原子的核式结构模型与经典理论的矛盾在核式结构模型中，电子绕原子核做圆周运动，电子必然具有向心加速度根据经典电磁理论，带电粒子做加速运动时，要向外发射电磁波，要辐射能量因此，绕核运动的电子将不断
23、的向外辐射电磁波，能量不断的减少，轨道半径会越来越小经计算，大约只需要，电子就会沿螺旋轨道坠入原子核内，原子将不复存在！原子的核式结构模型与经典理论的矛盾此外，根据经典电磁理论，电子绕核运动所辐射的电磁波频率应当是连续分布的，即形成一个连续的频谱。但是在实验中观察到的现象并非如此，只存在某些特定的分立的频率，形成的频谱是线状的。原子的核式结构模型与经典理论的矛盾由于这些矛盾和困惑的存在，原子的核式结构模型没有被普遍的接受。面对这些问题，卢瑟福的学生丹麦物理学家玻尔进行了深刻的思考，提出了一个新的原子结构模型问题与练习问题与练习绘制一幅简图，用以说明卢瑟福进行粒子散射实验所用的仪器装置。他是怎样
24、用这个装置观察粒子散射现象的？描述他观察到的现象。放射源：放出粒子金箔：被粒子轰击的物质带有荧光屏的放大镜：用来观察粒子轰击金箔后的径迹整个装置置于真空中，粒子打在荧光屏上有微弱的闪光。由于放大镜能围绕金箔在一个圆周内转动，因此可以通过它观察到穿过金箔后偏转角度不同的粒子观察到的现象是：绝大多数粒子穿过金箔后基本上沿原来方向前进，少数粒子发生了大角度偏转，偏转超过了90甚至几乎达到180，像是被弹了回去问题与练习问题与练习汤姆孙模型为什么不能解释粒子的大角度散射？电子的质量很小，比粒子的质量小得多，粒子碰到金箔原子内的电子，运动方向不会发生明显变化。汤姆孙模型认为正电荷在原子内是均匀分布的，因
25、此当粒子穿过原子时，它受到两侧正电荷的斥力有相当大一部分互相抵消，使粒子偏转的力不会很大，不会有大角度偏转。所以汤姆孙模型不能解释粒子的大角度散射问题与练习卢瑟福提出的原理结构的模型是怎样的？他提出这种模型的依据是什么？卢瑟福的原子核式结构模型是：在原子的中间有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中于原子核，带负电的电子在核外空间里绕核旋转。原子核式结构的依据是粒子散射实验。粒子穿过原子时，电子对它的运动影响很小，影响粒子运动的主体是原子核。粒子进入原子区域后，由于原子核很小，大部分粒子离核较远，受到的库仑力很小，运动方向几乎不变。极少数粒子距核较劲，因此受到很强的库仑力，发生大角度散射问题与练习假设原子核由一个篮球那么大，按照比例，整个原子有多大？篮球大约是半径0.125m的球体，视为原子核，整个原子就是半径为12.5km的球体问题与练习粒子散射实验用的是金箔、铂箔等重金属箔，为什么不用轻金属箔，例如铝箔？金原子的质量比粒子质量大得多，且几乎全部集中在金原子核内。当粒子穿过金原子区域，靠近金原子核时，其作用力对粒子运动方向影响很大，而对金原子影响很小
