1、第四章第四章 第第3 3节节 原子的核式结构模型原子的核式结构模型选择性必修 第三册新课导入新课导入科学家在研究稀薄气体放电时发现，当玻科学家在研究稀薄气体放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极就发出一璃管内的气体足够稀薄时，阴极就发出一种射线。它能使对着阴极的玻璃管壁发出种射线。它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光，这种射线的本质是什么呢？荧光，这种射线的本质是什么呢？新课导入新课导入1919世纪，对阴极射线本质的认识有两种观点世纪，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一种观点认为阴极射线像X X射线一射线一样是样是电磁辐射电磁辐射代表人物赫兹代表人物赫兹另一种观点认为阴极
2、射线是另一种观点认为阴极射线是带带电微粒电微粒代表人物汤姆孙代表人物汤姆孙 赫兹赫兹 德国德国汤姆孙汤姆孙英国英国新课教学新课教学思考与讨论：思考与讨论：如果是你如果是你，你将设计怎样的实验，来探究阴极射线的本质是电，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电粒子流？磁波还是带电粒子流？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，观察它是否偏转阴极射线的本质是带电粒子流阴极射线的本质是带电粒子流阴极射线的本质是电磁波阴极射线的本质是电磁波发生了偏转发生了偏转没有发生偏转没有发生偏转新课教学新课教学J.J.J.J.汤姆孙汤姆孙自自1
3、8901890年年对阴极射线对阴极射线进行了一系列的实验研究。进行了一系列的实验研究。通过射线产生的荧光的位置，可以研究射线的径迹通过射线产生的荧光的位置，可以研究射线的径迹真空玻璃管真空玻璃管阴极阴极阳极阳极感应圈感应圈新课教学新课教学阴极阴极K K：发出带电粒子：发出带电粒子小孔小孔ABAB：使由：使由C C发出的粒子形成一束细细的射线发出的粒子形成一束细细的射线平行的金属板之间夹有电场平行的金属板之间夹有电场带有标尺的荧光屏带有标尺的荧光屏1 1、阴极射线实验、阴极射线实验实验结论：实验结论：1、在金属板、在金属板D1D2之间未之间未加电场时，射线不偏转，加电场时，射线不偏转，射在射在P
4、1点点2、施加如图电场后射线、施加如图电场后射线偏转，射在偏转，射在P2点点3、发现阴极射线带负电发现阴极射线带负电新课教学新课教学1 1、阴极射线实验、阴极射线实验思考与讨论思考与讨论1 1：运用带电粒子在电磁场中运动的知识，：运用带电粒子在电磁场中运动的知识，测定带电粒子的测定带电粒子的速度。速度。在在D D1 1D D2 2之间施加垂之间施加垂直纸面向外的磁场直纸面向外的磁场射线回到射线回到P P1 1点点屏屏幕幕 LD 0新课教学新课教学1 1、阴极射线实验、阴极射线实验y yP P1 1P P2 2xyvvtanatvy0vvxmaqE tvL0BEv0根据类平抛运动：根据类平抛运动
5、：2tanLDy根据几何关系：根据几何关系：化简得化简得：2()2qE yLmDBL 当当带电粒子带电粒子在电场中偏转时：在电场中偏转时：X X X X X X XX X X X X X XX X X X X X XX X X X X X XX X X X X X XX X X X X X X1 1、阴极射线实验、阴极射线实验屏屏幕幕 LD0P P1 1P P2 2根据圆周运动：根据圆周运动：根据几何关系：根据几何关系：化简得化简得：2sinqEmB L 新课教学新课教学新课教学新课教学思考：汤姆思考：汤姆孙还发现用不同材料的阴极做实验荷孙还发现用不同材料的阴极做实验荷质比数值都相同。这说明什
6、么？质比数值都相同。这说明什么？1 1、阴极射线实验、阴极射线实验说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物质的各种物质的共有成分共有成分。J.J J.J 汤姆孙汤姆孙(英国英国)1857 1857 19401940汤姆汤姆孙为了确定孙为了确定电荷量和电荷量和质量进一步质量进一步的实验得到：的实验得到：粒子的电荷量与氢离子的大致粒子的电荷量与氢离子的大致相同，质量很小相同，质量很小,是是最轻的原子近最轻的原子近 1/2000 1/2000。这种组成阴极射线的带电粒子被称为电子。这种组成阴极射线的带电粒子被称为电子。电子的电荷量是由谁电子的电荷量是
7、由谁测量出的？为什么说测量出的？为什么说电荷是量子化的？电荷是量子化的？新课教学新课教学密立根密立根(美国美国)1868 1868 195319532 2、密立根油滴实验、密立根油滴实验密立根的实验表明，电荷具有密立根的实验表明，电荷具有量子化量子化的特征。即任何带电体的电量只能是的特征。即任何带电体的电量只能是e e的的整数整数倍。电子的质量倍。电子的质量m m9.10938979.10938971010-31-31kgkge 1.602 176 634 10-19 C巩固练习巩固练习【例题】【例题】(多选多选)如图所示是如图所示是J.J.J.J.汤姆孙的气体放电管的示意图，下列说法中正确的
8、汤姆孙的气体放电管的示意图，下列说法中正确的是是()A A若在若在D D1 1、D D2 2之间不加电场和磁场，则阴极射线应打到最右端的之间不加电场和磁场，则阴极射线应打到最右端的P P1 1点点B B若在若在D D1 1、D D2 2之间加上竖直向下的电场，则阴极射线应向下偏转之间加上竖直向下的电场，则阴极射线应向下偏转C C若在若在D D1 1、D D2 2之间加上竖直向下的电场，则阴极射线应向上偏转之间加上竖直向下的电场，则阴极射线应向上偏转D D若在若在D D1 1、D D2 2之间加上垂直纸面向里的磁场，则阴极射线不偏转之间加上垂直纸面向里的磁场，则阴极射线不偏转AC巩固练习巩固练习
9、【例题】【例题】(多选多选)1897)1897年英国物理学家年英国物理学家J.J.J.J.汤姆孙发现了电子并被称为汤姆孙发现了电子并被称为“电子之电子之父父”，下列关于电子的说法正确的是，下列关于电子的说法正确的是()A AJ.J.J.J.汤姆孙通过阴极射线在电场和磁场中的运动得出了阴极射线是带负电汤姆孙通过阴极射线在电场和磁场中的运动得出了阴极射线是带负电的粒子流的结论，并求出了阴极射线的比荷的粒子流的结论，并求出了阴极射线的比荷B BJ.J.J.J.汤姆孙通过对光电效应的研究，发现了电子汤姆孙通过对光电效应的研究，发现了电子C C电子的质量是质子质量的电子的质量是质子质量的18361836
10、倍倍D DJ.J.J.J.汤姆孙用不同材料的阴极做实验，并研究光电效应等现象，说明电子汤姆孙用不同材料的阴极做实验，并研究光电效应等现象，说明电子是原子的组成部分，是比原子更小的基本的物质单元是原子的组成部分，是比原子更小的基本的物质单元ADAD新课教学新课教学电子发现的历史意义电子发现的历史意义在在1919世纪末年，物理学有三项重大的实验发现，这就是世纪末年，物理学有三项重大的实验发现，这就是X X射线、放射射线、放射性和电子。性和电子。电子发现的具有更伟大的意义，因为这一事件使人们认识到自然界还电子发现的具有更伟大的意义，因为这一事件使人们认识到自然界还有比原子更小的实物。有比原子更小的实
11、物。电子的发现打开了通向原子物理学的大门电子的发现打开了通向原子物理学的大门 ,人人们开始研究原子的结构们开始研究原子的结构思考与讨论：通常情况下，物质是不带电的，因此，原子应该是电中思考与讨论：通常情况下，物质是不带电的，因此，原子应该是电中性的。既然电子是带负电的，质量又很小，那么，原子中一定还有带性的。既然电子是带负电的，质量又很小，那么，原子中一定还有带正电的部分，它具有大部分的原子质量。正电的部分，它具有大部分的原子质量。请你设想一下，原子中带正电的部分以及带负电的电子可能是如何分请你设想一下，原子中带正电的部分以及带负电的电子可能是如何分布的？布的？新课教学新课教学3 3、汤姆孙的
12、原子模型、汤姆孙的原子模型J.J J.J 汤姆孙汤姆孙(英国英国)1857 1857 19401940枣糕模型（枣糕模型（西瓜模型西瓜模型）电子镶嵌在电子镶嵌在正电荷正电荷之之中中正电荷均匀分布在球体中正电荷均匀分布在球体中原子是一个球体原子是一个球体新课教学新课教学勒纳德（德国）勒纳德（德国）4 4、粒子散射实验粒子散射实验MM显微镜显微镜带有光屏带有光屏S S，可以在水平而内转，可以在水平而内转到不同的方向对散射的到不同的方向对散射的 粒子进行观察。粒子进行观察。R R是被铅块包围的是被铅块包围的 粒子源粒子源F F是是金箔：接收高速金箔：接收高速 粒子的轰击粒子的轰击思考思考与讨论：与讨
13、论：依据依据汤姆孙的枣糕模汤姆孙的枣糕模型，预期的实验现象是的什么样？型，预期的实验现象是的什么样？新课教学新课教学4 4、粒子散射实验粒子散射实验按照按照J.J.J.J.汤姆孙的原子模型，正电荷均匀分布在整个汤姆孙的原子模型，正电荷均匀分布在整个原子球体内，原子球体内，由于受库仑斥力的作用，由于受库仑斥力的作用，粒子穿过原粒子穿过原子时，受到的各个方向正电荷的子时，受到的各个方向正电荷的斥力基本会相互平衡斥力基本会相互平衡，因此对因此对 粒子运动的影响不会很大。粒子运动的影响不会很大。大部分大部分 粒子会有粒子会有小角度偏转，小角度偏转，但但不可能有大角度偏转。不可能有大角度偏转。新课教学新
14、课教学4 4、粒子散射实验粒子散射实验4 4、粒子散射实验粒子散射实验实验现象：实验现象：绝大多数绝大多数 粒子运动方向不粒子运动方向不改变或发生改变或发生很小的偏转；很小的偏转；少数少数（1/80001/8000）粒子发生较大角度粒子发生较大角度偏转。偏转。极少数极少数偏转偏转角度甚至超过角度甚至超过9090，有有的甚至几乎达到的甚至几乎达到180180思考讨论：思考讨论：1.1.各种偏转的原因是什么？各种偏转的原因是什么？2.2.为什么为什么不是碰撞到电子上导致的偏转不是碰撞到电子上导致的偏转？3.3.为什么为什么选择金箔，而不是其他固体选择金箔，而不是其他固体？粒子散射实验的微观情境是什
15、么样？粒子散射实验的微观情境是什么样？新课教学新课教学4 4、粒子散射实验粒子散射实验大角度的偏转不可能是电子造成的大角度的偏转不可能是电子造成的因为电子的质量只有因为电子的质量只有粒子的粒子的 ，它对，它对粒子速度的大小和方向的影响就像灰尘对枪粒子速度的大小和方向的影响就像灰尘对枪弹的影响，完全可以忽略。弹的影响，完全可以忽略。73001 粒子偏转主要是具有原子的大部粒子偏转主要是具有原子的大部分质量的带正电部分造成的分质量的带正电部分造成的占原子质量绝大部分的带正电的物质集中在占原子质量绝大部分的带正电的物质集中在很小的空间范围。这样才会使很小的空间范围。这样才会使 粒子在经过粒子在经过时
16、受到很强的斥力，使其发生大角度的偏转时受到很强的斥力，使其发生大角度的偏转J.J.J.J.汤姆孙的模型汤姆孙的模型无法解释大角度散射的实验结果无法解释大角度散射的实验结果新课教学新课教学新课教学新课教学5 5、卢瑟福、卢瑟福原子的核式结构模型原子的核式结构模型3.3.带负电的电子在核外空间绕着核旋转做圆周运动带负电的电子在核外空间绕着核旋转做圆周运动1.1.在原子的中心有一个体积很小、带正电荷的核，叫做在原子的中心有一个体积很小、带正电荷的核，叫做原子核原子核2.2.原子的原子的全部正电荷全部正电荷和和几乎全部质量几乎全部质量都集中在原子核里都集中在原子核里物理科普物理科普科学人物科学人物卢瑟
17、福卢瑟福1895年在新西兰大学毕业后，获得英国剑桥大学的奖学金进入卡文迪许实验室，成为汤姆孙的研究生。提出原子结构的核式模型，为原子结构的研究做出很大的贡献。1898年，在汤姆孙的推荐下，担任加拿大麦吉尔大学的物理教授。1907年返回英国出任曼彻斯特大学的物理系主任。1919年接替退休的汤姆孙，担任卡文迪许实验室主任。1925年当选为英国皇家学会主席。1931年受封为纳尔逊男爵。1937年10月19日因病在剑桥逝世，与牛顿和法拉第并排安葬，享年66岁。欧内斯特卢瑟福1871年8月30日生于新西兰纳尔逊的一个手工业工人家庭，并在新西兰长大。他进入新西兰的坎 特 伯 雷 学 院 学 习。23岁时获
18、得了三个学位（文学学士、文学硕士、理学学士）。巩固练习巩固练习【例题】【例题】当当 粒子被重核散射时，如图所示的运动轨迹哪些是不可能粒子被重核散射时，如图所示的运动轨迹哪些是不可能存在的？存在的？答案：答案：BCBC为什么用为什么用 粒子散射实验可以研究原子的结构？粒子散射实验可以研究原子的结构？在原子尺度的微观世界里，不能靠眼睛直接获取信息，常用的获取微观世界信息在原子尺度的微观世界里，不能靠眼睛直接获取信息，常用的获取微观世界信息的方法是用中性或带电的粒子轰击所要研究的物质，使入射粒子与物体中的微粒的方法是用中性或带电的粒子轰击所要研究的物质，使入射粒子与物体中的微粒相互碰撞，观察粒子散射
19、情况，分析推理获取物体中的微粒信息。原子的结构非相互碰撞，观察粒子散射情况，分析推理获取物体中的微粒信息。原子的结构非常紧密，用一般的方法是无法探测它的内部结构的，要认识原子的结构，需要用常紧密，用一般的方法是无法探测它的内部结构的，要认识原子的结构，需要用高速粒子对它进行轰击。而粒子具有足够的能量，可以接近原子中心。它还可以高速粒子对它进行轰击。而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，改变了运动方向，荧光使荧光屏物质发光。如果粒子与其他粒子发生相互作用，改变了运动方向，荧光屏就能够显示出它的方向变化。屏就能够显示出它的方向变化。研究高
20、速的粒子穿过原子的散射情况，是研究原子结构的有效手段。研究高速的粒子穿过原子的散射情况，是研究原子结构的有效手段。物理科普物理科普新课教学新课教学6 6、原子核的电荷与尺度、原子核的电荷与尺度由不同元素对粒子散射的实验数据可以确定不同元素原子核的电荷量Q。又由于原子是电中性的，可以推算出原子内含有的电子数。带电荷带电荷Ze Ze 的核的核核外电子（核外电子（Z Z 个）个）原子的组成原子的组成原子序数原子序数Z Z=核电荷核电荷电子电荷电子电荷质子质子中子中子新课教学新课教学6 6、原子核的电荷与尺度、原子核的电荷与尺度 原子核的半径是很难测量的，原子核的半径是很难测量的，一般通过其一般通过其
21、他粒子与核的相互作用来确定。他粒子与核的相互作用来确定。粒子散射可以粒子散射可以用来估算核半径。用来估算核半径。对于一般的原子核，实验确对于一般的原子核，实验确定定的核半径的数量级为的核半径的数量级为1010-15-15 m m，而整个原子半，而整个原子半径的数量级是径的数量级是1010-10-10 m m，两者相差十万倍之多。，两者相差十万倍之多。原子内部是十分原子内部是十分“空旷空旷”的的核半径的数量核半径的数量级为级为1010-15-15 m m原子半径的数原子半径的数量级是量级是1010-10-10 m m新课教学新课教学体育场原子原子核6 6、原子核的电荷与尺度、原子核的电荷与尺度知
22、识总结知识总结1.1.汤姆孙发现组成阴极射线的粒子是电子，并利用电磁场测量比荷。汤姆孙发现组成阴极射线的粒子是电子，并利用电磁场测量比荷。2.2.粒子散射实验粒子散射实验实验现象：实验现象：绝大多数绝大多数 粒子运动方向不粒子运动方向不改变或发生改变或发生很小的偏转；很小的偏转；少数少数发生较发生较大角度大角度偏转。偏转。极少数极少数偏转偏转角度甚至超过角度甚至超过9090，有有的甚至几乎达到的甚至几乎达到180180。实验结论：汤姆孙枣糕模型错误实验结论：汤姆孙枣糕模型错误3.3.卢瑟福核实结构模型卢瑟福核实结构模型巩固练习巩固练习(1)(1)汤姆孙的枣糕式模型认为原子是一个球体，正电荷弥漫
23、性地均匀分汤姆孙的枣糕式模型认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内。布在整个球体内。()(2)(2)粒子散射实验中绝大多数粒子散射实验中绝大多数 粒子都发生了较大偏转。粒子都发生了较大偏转。()(3)(3)卢瑟福的核式结构模型认为原子中带正电的部分体积很小，电子在卢瑟福的核式结构模型认为原子中带正电的部分体积很小，电子在正电体外面运动。正电体外面运动。()(4)(4)原子核的电荷数等于核中的中子数。原子核的电荷数等于核中的中子数。()(5)(5)对于一般的原子，由于原子核很小，所以内部十分空旷。对于一般的原子，由于原子核很小，所以内部十分空旷。()巩固练习巩固练习习题：习题：(
24、多选多选)()(卢瑟福和他的学生用卢瑟福和他的学生用 粒子轰击不同的金属，并同时进行观测，经粒子轰击不同的金属，并同时进行观测，经过大量的实验，最终确定了原子的核式结构过大量的实验，最终确定了原子的核式结构.如图为该实验的装置，其中荧光屏如图为该实验的装置，其中荧光屏能随显微镜在图中的圆面内转动能随显微镜在图中的圆面内转动.当用当用 粒子轰击金箔时，在不同位置进行观测，粒子轰击金箔时，在不同位置进行观测，如果观测的时间相同，则下列说法正确的是（如果观测的时间相同，则下列说法正确的是（）A.A.在在1 1处看到的闪光次数最多处看到的闪光次数最多B.2B.2处的闪光次数比处的闪光次数比4 4处多处
25、多C.3C.3和和4 4处没有闪光处没有闪光D.4D.4处有闪光但次数极少处有闪光但次数极少ABDABD巩固练习巩固练习习题：习题：关于关于 粒子散射实验粒子散射实验 ()()A.A.绝大多数绝大多数 粒子经过金箔后，发生了角度不太大的偏转粒子经过金箔后，发生了角度不太大的偏转B.B.粒子在接近原子核的过程中，动能减少，电势能减少粒子在接近原子核的过程中，动能减少，电势能减少C.C.粒子离开原子核的过程中，动能增加，电势能也增加粒子离开原子核的过程中，动能增加，电势能也增加D.D.对对 粒子散射实验的数据进行分析，可以估算出原子核的大小粒子散射实验的数据进行分析，可以估算出原子核的大小D D巩固练习巩固练习习题：习题：卢瑟福卢瑟福 粒子散射实验的结果粒子散射实验的结果 ()()A A、证明了质子的存在、证明了质子的存在B B、证明了原子核是由质子和中子组成的、证明了原子核是由质子和中子组成的C C、说明原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核上、说明原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核上D D、说明原子的电子只能在某些不连续的轨道上运动、说明原子的电子只能在某些不连续的轨道上运动C C
