4.3原子的核式结构模型 课件 -2023-2024学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

选择性必修三 第四章 原子结构和波粒二象性 3 原子的核式结构模型 19世纪之前，人们一直都认为原子是物质的最小单位，不可再分；直到19世纪末，科学家对实验中的阴极射线深入研究时，发现了电子，使人类对微观世界有了新的认识。 一、电子的发现 电子的发现是19世纪末、20世纪初物理学三大发现（x射线、放射性、电子）之一。 一、电子的发现 1.始于稀薄气体放电 1858 年 德国普吕克尔气体导电时的辉光放电现象（认为是阴极材料） 真空管壁的荧光 阴阳极间的惰性气体发光 可以看见电流 抽真空 1878英克鲁克斯 改进 克鲁克斯认为是带电气体粒子 1876 年德国物理学家戈德斯坦命名阴极射线 现象 代表人物，赫兹。认为这种射线的本质是一种电磁波的传播过程。 电磁波说 代表人物，汤姆孙。认为这种射线的本质是一种高速粒子流。 粒子说 一、电子的发现 2.阴极射线是什么？ 依据：在电场无偏转 有穿透性 第一个实现阴极射线在电场中偏转 一、电子的发现 2.阴极射线是什么？ 思考1：如何判断粒子流的电性 阴极射线带负电 一、电子的发现 3.J.J.汤姆孙的工作 准直器 正极 阴极（负极） 偏转电场 或磁场 带有标尺的荧光屏 1）阴极射线产生机理是：残存气体分子被电离，正离子在电场加速下撞击阴极，使阴极释放更多粒子流，形成了阴极射线 一、电子的发现 3.J.J.汤姆孙的工作 2）测定带电粒子的比荷 思考2：如何测定比荷呢？ L2 L1 y q m 屏幕   v0 P1 P2 ●●●●●●●●●●●●●●●● ●●●●●●●●●●●●●●●● ●●●●●●●●●●●●●●●● 3.J.J.汤姆孙的工作 2）测定带电粒子的比荷 一、电子的发现 思考3：如何测定v0呢？ qv0B = qE q m 屏幕   v0 P1 P2 L2 L1 一、电子的发现 3.J.J.汤姆孙的工作 2）测定带电粒子的比荷 利用磁偏转能否完成测量呢？ ●●●●●●●●●●● ●●●●●●●●●●● ●●●●●●●●●●● q m 屏幕 v0 P1 P3 L2 L1 θ θ y θ 用不同材料的阴极实验，测q/m都相同 一、电子的发现 3.J.J.汤姆孙的工作 3）扩充研究对象，找出物质本来样貌 构成各种物质的共有成分 不同物质都能发射这种带电粒子 一、电子的发现 3.J.J.汤姆孙的工作 4）大胆猜想，发现电子 比荷是氢离子（质子）比荷的近两千倍 猜想：电荷量的大小与一个氢离子一样，而质量比氢离子小得多 测阴极射线粒子的电荷量 证明粒子电荷量的大小与氢离子大致相同 电子 一、电子的发现 3.J.J.汤姆孙的工作 5）并未止步 进一步研究光电效应、热离子发射效应和β射线等。发现它们都包含电子 1906年的诺贝尔物理学奖 1909〜1913年间由密立根通过著名的“油滴实验”做出的。 一、电子的发现 4.电子电荷量的测定 一、电子的发现 4.电子电荷量的测定 目前公认的电子电荷e的值为 e＝1.602 176 634 ×10-19C 密立根实验更重要的发现是：电荷是量子化的，即任何带电体的电荷只能是e的整数倍。 一个半径为r的带负电的油滴，在电场强度为E,方向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ρ。 课堂练习 从实验测到的比荷及e的数值，可以确定电子的质量 一、电子的发现 5.电子质量的测定 me＝9.109 383 56×10-31kg 6.电子发现的意义 揭示了原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也有结构。 二、原子的核式结构模型 物质是不带电 1.关于原子结构的思考 原子电中性的 电子带负电 质量很小 一定有带正电的部分 具有大部分的原子质量 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？ 二、原子的核式结构模型 2.汤姆孙原子结构模型 原子是一个球体 正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内 电子镶嵌其中 “西瓜模型”或“枣糕模型” 解释原子是电中性的，电子在原子里是怎样分布的，解释原子为什么会发光，能估计出原子的大小约为一亿分之一厘米。 二、原子的核式结构模型 2.汤姆孙原子结构模型 1903年德国物理学家勒纳德做了一个实验 现象：电子束射到金属膜上，较高速度的电子很容易穿透原子 推论：说明原子不是一个实心球体，这个模型可能不正确。 质疑： 卢瑟福α粒子散射实验则完全否定了汤姆孙的模型 二、原子的核式结构模型 3.α粒子散射实验 原子的尺度小，结构非常紧密。 如何研究原子的内部结构呢？ 最好用“炮弹”打到原子里面去试探一下 英籍新西兰物理学家卢瑟福认为 —— α粒子 23岁时获得了三个学位（文学学士、文学硕士、理学学士）。 1）α粒子特性： ①具有足够的能量可以接近原子中心。 ②可使荧光物质发光，易于捕捉方向变化。 α粒子是从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子 mα=4mH mα=7300me 二、原子的核式结构模型 3.α粒子散射实验 2）实验装置 显微镜观察闪光记录在某一时间内向某一方向散射的 α 粒子数 真空中 二、原子的核式结构模型 3.α粒子散射实验 思考与讨论 2. 按照J. J.汤姆孙的原子模型，正电荷均匀分布在整个原子球体内。请分析：α粒子穿过金箔，受到电荷的作用力后，沿哪些方向前进的可能性较大，最不可能沿哪些方向前进 α 粒子打到金箔时，由于金原子中的带电粒子对α 粒子有库仑力的作用，一些 α 粒子的运动方向改变，也就是发生了 α 粒子的散射。统计散射到各个方向的 α 粒子所占的比例，可以推知原子中电荷的分布情况。 1. α粒子射入金箔时难免与电子碰撞。试估计这种碰撞对α粒子速度影响的大小。 二、原子的核式结构模型 3.α粒子散射实验 ① 绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进； ② 少数α粒子发生了较大的偏转； ③ 极少数偏转角度甚至大于90°,它们几乎被“撞了回来” 3）实验现象 一颗子弹被一张纸弹回 二、原子的核式结构模型 3.α粒子散射实验 4）分析 大角度的偏转不可能是电子和均匀地分布正电荷造成的 α粒子在运动过程中碰到了对手 质量和电荷量都得比α粒子大得多 金箔厚度约为1μm，直径约为3×10-10m，绝大多数α粒子 穿过几千个原子的厚度，但运动方向无明显变化。 原子内部绝大部分是空的 原子的质量和电荷量都集中在体积很小的核上 二、原子的核式结构模型 3.核式结构模型 （1）在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核 （2）原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里 （3）带负电的电子在核外空间绕着核旋转 思考2：模型中为什么要让电子绕着原子核转动呢？ 二、原子的核式结构模型 4.核式结构模型对α粒子散射实验现象的解释 卢瑟福以这个模型为依据，利用经典力学计算了向各个方向散射的α粒子的比例，结果与实验数据符合得很好。 + 原子核 + + + + + 二、原子的核式结构模型 5.原子核的电荷与尺度 1）原子核的电荷 α粒子散射的实验数据 原子核的电荷量Q 电子数 接近原子序数 元素周期表中的各种元素是按原子中的电子数排列 原子由带电荷＋Ze的核与核外Z个电子组成的 Z是核电荷数 =原子序数Z =核中质子数 =核外电子数 二、原子的核式结构模型 5.原子核的电荷与尺度 2）原子核的尺度 核半径的数量级为10-15m 原子半径的数量级是10-10m 原子内部是十分“空旷”的 直径1cm的球 核 1000米直径的球 原子 α粒子散射实验用的是金箔等重金属箔，而没有用轻金属箔，例如铝箔。除了金的延展性好，可以把金箔做得非常薄这个原因以外，你认为还有什么原因？ 思考与讨论 当α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？ 课堂练习 (多选)卢瑟福和他的学生用α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。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。当用α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（ ） A.在1处看到的闪光次数最多 B.2处的闪光次数比4处多 C.3和4处没有闪光 D.4处有闪光但次数极少 课堂练习 Lavf57.62.100 $$