第1节 电子的发现与汤姆孙原子模型 第2节 原子的核式结构模型-【金版新学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册同步课堂高效讲义教师用书（鲁科版）

本讲义聚焦原子结构的探索历程，从早期物质认识（如五行说、元素论、原子论）出发，通过电子发现（阴极射线研究、汤姆孙测比荷）引出汤姆孙模型，再结合α粒子散射实验现象，最终建立卢瑟福核式结构模型，构建完整知识脉络。 该资料以核心素养为导向，通过实验分析（如汤姆孙实验、α粒子散射现象解释）培养科学思维（模型建构、批判性思维），结合判断正误、针对练等设计，课中助力教师引导探究，课后帮助学生巩固知识，深化物质观念与科学态度。

第1节　电子的发现与汤姆孙原子模型 第2节　原子的核式结构模型 【核心素养目标】 物理观念 了解汤姆孙、卢瑟福原子结构模型。深化物质观念、力与运动观念的理解和应用。 科学思维 通过电子的发现过程，学会科学家分析、论证问题的思想方法。通过α粒子散射实验的数据分析和模型建构，养成批判性思维，培养创新思维。 科学探究 收集数据分析物理现象，提出针对物理问题的相关结论。 科学态度与责任 认知在质疑与检验中不断进步，体会科学家敢于怀疑的精神。 一、物质结构的早期探究 1．古人对物质的认识 (1)我国西周的“五行说”认为万物是由金、木、水、火、土五种基本“元素”组成。 (2)古希腊的亚里士多德认为，万物的本质是土、水、火、空气四种“元素”，天体则由第五种“元素”——“以太”构成。 (3)古希腊哲学家德谟克利特等人建立了早期的原子论。 2．大约在17世纪中叶，人们开始通过实验来了解物质的结构： (1)1661年，玻意耳以化学实验为基础建立了科学的元素论。 (2)19世纪初，道尔顿提出了原子论，认为原子是元素的最小单元。 (3)1811年，意大利化学家阿伏伽德罗提出了分子假说，指出分子可由多个相同的原子组成。 (4)19世纪初期形成的分子—原子论认为，宏观物质的化学性质决定于分子，它是由原子构成的；原子是构成物质的不可再分割的最小微粒。 二、电子的发现 1．阴极射线：科学家研究稀薄气体放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极发出一种射线，这种射线能使玻璃管壁发出荧光，这种射线称为阴极射线。 2．汤姆孙对阴极射线本质的探究 (1)通过实验巧妙地利用静电偏转力和磁场偏转力相抵消等方法，确定了阴极射线粒子的速度，并测量出了这些粒子的比荷：＝。 (2)换用不同材料的阴极和不同的气体，所得粒子的比荷值大体相同。 3．结论 (1)阴极射线是带电粒子流，带负电。 (2)不同物质都能发射这种带电粒子，它是各种物质中共有的成分，比最轻的氢原子的质量还要小得多，汤姆孙把这种带电粒子称为电子。 4．电子发现的意义：电子的发现说明原子具有一定的结构，揭开了人类认识原子结构的序幕，是19世纪末的三大著名发现之一。 学生用书第57页 三、汤姆孙原子模型 汤姆孙认为，原子带正电的部分应充斥整个原子，很小很轻的电子镶嵌在球体的某些固定位置，正像葡萄干嵌在面包中那样，这就是原子的“葡萄干面包”模型。 四、α粒子散射实验 1．实验方法：用由放射源发射的α粒子束轰击金箔，利用荧光屏接收，探测通过金箔后的α粒子分布情况。 2．实验结果：绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但是有少数α粒子发生了较大的偏转，有极少数α粒子偏转角超过了90°，有的甚至被原路弹回。α粒子被反射回来的概率竟然有。 五、卢瑟福原子模型 1．核式结构模型：原子内部有一个很小的核，称为原子核，原子的全部正电荷及几乎全部的质量都集中在原子核内，电子在原子核外面运动。原子的核式结构模型又被称为行星模型。 2．原子的大小 (1)原子直径数量级：10-10 m。 (2)原子核直径数量级：10-15 m。 1．判断正误 (1)阿伏伽德罗提出分子可以由多个原子组成。 (×) (2)电子的发现，说明原子具有一定的结构。 (√) (3)电子的发现，是19世纪末的三大著名发现之一。(√) (4)汤姆孙发现了电子并精确地测出了电子的电荷量。(×) (5)α粒子大角度的偏转是电子造成的。 (×) (6)金属箔的厚度对实验无影响。(√) (7)α粒子之所以发生大角度偏转，是因为受到了金原子核的强大斥力作用。 (√) 2．链接实景 由原子的半径和原子核的半径数值可推知，原子核体积只占原子体积的，其空旷程度可想而知。据此，你能否说明产生α粒子散射现象的原因？可得到怎样的启示？ 提示：由于α粒子的质量远大于电子质量，电子不可能使其发生大角度偏转，产生大角度偏转的原因应该是原子核，由于原子核非常小，入射的α粒子绝大多数距原子核很远。只有极少数α粒子靠近原子核，由于其库仑斥力而使α粒子发生大角度偏转。由α粒子散射现象可知，原子核非常小；能够使α粒子发生大角度偏转，说明原子核聚集了原子的绝大部分质量且带正电的物质。 知识点一　阴极射线与电子的发现 1．阴极射线的产生 在研究气体放电时，当玻璃管中的气体足够稀薄时，在强电场中阴极发出的某种射线射在玻璃管壁上而发出荧光，人们把这种射线称为阴极射线。 2．电子的发现 (1)电子发现的时代背景：19世纪后期，人们对阴极射线的本质的认识有两种观点。一种观点认为阴极射线是一种以太波，另一种观点认为阴极射线是一种带电微粒。为了找到有利于自己的证据，双方都做了很多实验。 学生用书第58页 (2)汤姆孙在研究阴极射线时的实验装置如图所示： (3)实验过程和方法： ①从高压电场的阴极发出的阴极射线，穿过C1C2后沿直线打在荧光屏A上。 ②当在平行极板上只加一电场时，发现阴极射线打在荧光屏上的位置向下偏，则可判定，阴极射线带有负电荷。 ③为使阴极射线不发生偏转，需要在平行极板区域加一磁场，且磁场方向垂直纸面向外。当满足条件qvB＝qE时，阴极射线不发生偏转，则v＝。 ④使电场强度为0，带电粒子在磁场区内做圆周运动时洛伦兹力提供向心力，即qvB＝m。将v＝代入可得：＝。测量结果大约是1011 C/kg。　 (4)实验结论：用不同材料的阴极和不同的方法做实验，所得比荷的数值大致相等。 3．阴极射线带电性质的判断方法 (1)阴极射线的本质是电子，在电场(或磁场)中所受电场力(或洛伦兹力)远大于所受重力，故研究电场力(或洛伦兹力)对电子运动的影响时，一般不考虑重力的影响。 (2)带电性质的判断方法 ①粒子在电场中运动如图甲所示。 带电粒子受电场力作用运动方向发生改变(粒子质量忽略不计)。带电粒子在不受其他力的作用时，若沿电场线方向偏转，则粒子带正电；若逆着电场线方向偏转，则粒子带负电。 ②粒子在磁场中运动，如图乙所示。 粒子将受到洛伦兹力作用F＝qvB，洛伦兹力方向始终与速度方向垂直，利用左手定则即可判断粒子的电性。不考虑其他力的作用，如果粒子按图示方向进入磁场，且做顺时针的圆周运动，则粒子带正电；若做逆时针的圆周运动，则粒子带负电。 如图所示为测定阴极射线粒子比荷的装置，从阴极K发出的阴极射线通过一对平行金属板D1、D2间的匀强电场，发生偏转。 (1)在D1、D2间加电场后射线偏到P2，则由电场方向知，该射线带什么电？ (2)再在D1、D2间加一磁场(图中未画出)，电场与磁场垂直，让射线恰好不偏转。设电场强度为E，磁感应强度为B，则电子的速度多大？ (3)撤去电场，只保留磁场，使射线在磁场中做圆周运动，若测出轨道半径为R，则粒子的比荷是多大？ 答案：(1)负电　(2)　(3) 解析：(1)射线向下偏转，说明受到的电场力方向向下，而电场强度方向向上，故射线带负电。 (2)粒子受两个力作用：电场力和洛伦兹力，两个力平衡，即有qE＝qvB，得v＝。 (3)根据洛伦兹力充当向心力，有qvB＝m，得出＝ 又v＝，则＝，测出E、B、R即可求比荷。 针对练1．向荧光屏看去，电子向我们飞来，在偏转线圈中通以如图所示的电流，电子偏转方向为(　　) A．向上 B．向下 C．向左 D．向右 答案：A 解析：磁环上的偏转线圈通以图示方向的电流时，根据安培定则，在磁环上形成的磁场方向向右，磁场是闭合的，故在磁环中心处的磁场是水平向左的。再根据左手定则，当电子束沿轴线向外射出时，电子束受到向上的洛伦兹力，故电子束的偏转方向向上。故A正确，B、C、D错误。 针对练2．关于阴极射线的本质，下列说法正确的是(　　) A．阴极射线本质是氢原子 B．阴极射线本质是电磁波 C．阴极射线本质是电子 D．阴极射线本质是X射线 答案：C 解析：阴极射线是电子流，电子带负电。故A、B、D错误，C正确。 学生用书第59页 知识点二　α粒子散射实验 如图所示为卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验的装置示意图。荧光屏和显微镜一起分别放在图中A、B、C、D四个位置时观察实验现象。 (1)哪个位置相同时间内观察到屏上的闪光次数最多？为什么？ (2)哪个位置屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少？为什么？ 提示：(1)A位置；在α粒子散射实验中，α粒子穿过金箔后，绝大多数α粒子仍沿原来的方向前进，故A位置相同时间内观察到屏上的闪光次数最多。 (2)D位置；少数α粒子发生较大偏转，极少数α粒子偏转角度超过90°，极个别α粒子被反射回来，故D位置屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少。 1．实验背景：α粒子散射实验是卢瑟福和他的合作者做的一个著名的物理实验，实验的目的是想证实汤姆孙原子模型的正确性。 2．实验的注意事项 (1)整个实验装置及实验过程必须在真空中进行。 (2)α粒子是氦核，穿透能力很弱，因此金箔必须很薄，α粒子才能穿过。 3．实验现象：绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转，有极少数α粒子偏转角超过了90°，有的甚至被原路弹回，α粒子被反射回来的概率可达。 4．实验分析 (1)由于电子质量远小于α粒子质量，所以电子不可能使α粒子发生大角度偏转。 (2)使α粒子发生大角度偏转的只能是原子中带正电的部分。按照汤姆孙原子模型，正电荷在原子内是均匀分布的，α粒子穿过原子时，它受到的两侧斥力大部分抵消，因而也不可能使α粒子发生大角度偏转，更不能使α粒子反向弹回，这与α粒子的散射实验相矛盾。 (3)实验现象表明原子绝大部分是空的，原子的几乎全部质量和所有正电荷都集中在原子中心的一个很小的核上，否则，α粒子大角度散射是不可能的。 5．实验意义 (1)否定了汤姆孙的原子结构模型。 (2)提出了原子核式结构模型，明确了原子核大小的数量级。 6．解决α粒子散射实验问题的技巧 (1)熟记实验装置及原理。 (2)核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变。 (3)汤姆孙的原子模型不能解释α粒子的大角度散射。 (4)少数α粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些α粒子在原子中的某个地方受到了质量、电荷量均比它本身大得多的物体的作用。 (5)绝大多数α粒子在穿过厚厚的金原子层时运动方向没有明显变化，说明原子中绝大部分是空的，原子的质量、电荷量都集中在体积很小的核内。 (多选)如图为卢瑟福和他的同事们做的α粒子散射实验装置示意图，以下说法中正确的是(　　) A．选择金箔的理由是“金”这种原子具有较大的核电荷数和优良的延展性能 B．观察到α粒子多数进入A，少数进入B，没有进入C和D的 C．原子的直径大小约为原子核的直径大小的10万倍 D．实验装置可以不抽成真空 答案：AC 解析：α粒子散射实验中，选择金箔的理由是“金”这种原子序数大，则原子核的质量比较大，具有较大的核电荷数和优良的延展性能，故A正确；当α粒子穿过原子时，电子对α粒子影响很小，影响α粒子运动的主要是原子核，离核远则α粒子受到的库仑斥力很小，运动方向改变小。只有当α粒子与核十分接近时，才会受到很大库仑斥力，而原子核很小，所以α粒子接近它的机会就很少，所以只有极少数大角度的偏转，而绝大多数基本按直线方向前进，故B错误；估算出原子核的直径约为10-15 m，原子直径大约是10-10 m，所以原子核的直径大约是原子直径的10万分之一，故C正确；实验装置中，为排除其他因素，必须抽成真空，故D错误。 学生用书第60页 如图所示，根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。图中虚线表示原子核所形成的电场的等势线，实线表示一个α粒子的运动轨迹。在α粒子从a运动到b、再运动到c的过程中，下列说法中正确的是(　　) A．动能先增大，后减小 B．电势能先减小，后增大 C．电场力先做负功，后做正功，总功等于零 D．加速度先变小，后变大 答案：C 解析：α粒子从a到b电场力做负功，速度减小，动能减小，电势能增大。从b到c电场力做正功，α粒子的速度增大，动能增大，电势能减小，α粒子从a到b再运动到c的过程，加速度应先变大，后变小。故C正确。 α粒子散射实验中常用的规律 1．库仑定律F＝k：用来分析α粒子和原子核间的相互作用力。 2．牛顿第二定律：该实验中α粒子只受库仑力，可根据库仑力的变化分析加速度的变化。 3．功能关系：根据库仑力做功可分析电势能的变化，也可分析动能的变化。　　 针对练1．α粒子散射实验装置如图所示，下列说法正确的是(　　) A．α粒子散射实验证明了汤姆孙提出的“葡萄干面包”模型是正确的 B．由于电子对α粒子的库仑引力很小，所以在a处观察到绝大多数α粒子 C．在b、d两处，打在荧光屏上的α粒子数几乎相同 D．由实验数据可以估算出金原子核直径的数量级 答案：D 解析：α粒子散射实验证明了汤姆孙提出的“葡萄干面包”模型是错误的，选项A错误；根据α粒子散射实验的结论，绝大多数α粒子穿过金箔后不改变方向，在a处观察到绝大多数α粒子，这是由于金原子核较小，大多数的α粒子离原子核较远，受原子核的影响很小，并不是电子对α粒子的库仑引力很小，选项B错误；有少数α粒子发生了较大的偏转，极少数α粒子的偏转角超过90°，甚至有的被反向弹回，说明发生大角度散射的α粒子很少，即打在荧光屏上b处的α粒子数大于打在d处的α粒子数，选项C错误；由实验数据可以估算出金原子核直径的数量级，选项D正确。故选D。 针对练2．卢瑟福利用α粒子轰击金箔的实验研究原子结构，正确反映实验结果的示意图是(　　) 答案：D 解析：卢瑟福利用α粒子轰击金箔的实验研究原子结构，即α粒子散射实验，实验结果显示：绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但是有少数α粒子发生了较大角度的偏转，极少数α粒子的偏转角超过90°，有的几乎达到180°，也就是说它们几乎被“撞了回来”。所以能正确反映该实验结果的是选项D。 知识点三　汤姆孙原子模型与卢瑟福原子模型 J.J.汤姆孙发现电子后建立了“枣糕”模型，卢瑟福根据α粒子散射实验推翻了“枣糕”模型，建立了核式结构模型，请思考： (1)卢瑟福的核式结构模型是最科学的吗？ (2)如何理解原子内绝大部分是空的？ 提示：(1)卢瑟福的核式结构模型是比J.J.汤姆孙的“枣糕模型”更科学的模型，但不是最科学的模型，随着人们认识水平的不断提高，原子结构模型也在不断更新。 (2)原子核的半径数量级为10-15m，原子的半径数量级为10-10m，两者相差十万倍之多，故原子内部绝大部分是空的。 1．两种原子模型 (1)汤姆孙原子模型的特点：汤姆孙认为原子是一个直径约为10-10 m的球体，正电荷均匀分布在整个球体中，带负电的电子嵌在其中，就好像面包中嵌着一粒粒葡萄干一样。 (2)卢瑟福的原子模型的特点：卢瑟福认为原子有些像太阳系，电子绕核运动就像太阳系的行星绕太阳运动一样，因此，卢瑟福的核式结构模型又被称为行星模型。 2．两种原子模型的对比 汤姆孙的葡萄干面包模型 卢瑟福的原子核式模型 分布情况 正电荷且质量均匀分布，负电荷镶嵌在其中 正电荷以及几乎全部的质量都集中在原子中心的一个极小核内，电子质量很小，分布在很大空间内 学生用书第61页 受力情况 α粒子在原子内部时，受到的库仑斥力相互抵消，几乎为零 少数靠近原子核的α粒子受到的库仑力大，而大多数离核较远的α粒子受到的库仑力较小 偏转情况 不会发生大角度偏转，更不会弹回 绝大多数α粒子运动方向不变，少数α粒子发生大角度偏转，极少数α粒子偏转角度超过90°，有的甚至被弹回 分析结论 不能解释α粒子散射现象 可圆满解释α粒子散射现象 3．原子核式结构的含义 (1)原子内的电荷关系：原子核的电荷数与核外的电子数相等，非常接近它们的原子序数。 (2)原子半径的数量级是10-10 m，原子核半径的数量级是10-15 m，两者相差十万倍之多。 原子中的电子在核外绕核高速运转，电子与核之间的库仑力充当电子绕核运动的向心力，完全相似于行星绕太阳的运动，故原子的核式结构模型又称“行星模型”。　　 (多选)下列说法正确的有(　　) A．汤姆孙首先发现了电子，证明了原子不是不可再分的，由此提出了原子的葡萄干面包模型 B．卢瑟福根据α粒子散射现象，否定了汤姆孙的原子模型并提出了原子的核式结构模型 C．在α粒子散射实验中，α粒子在接近原子核的过程中动能减小，电势能增大，在离开原子核的过程中，动能增大，电势能减小 D．α粒子散射实验的目的是：探测原子内正负电荷的分布情况 答案：ABC 解析：根据原子结构的探索过程及实验现象的分析可知A、B正确，D错误；α粒子带正电，靠近原子核的过程中库仑力做负功，离开原子核的过程中库仑力做正功，故C正确。 针对练1．关于汤姆孙原子模型的说法正确的是(　　) A．汤姆孙原子模型的提出是以严格的实验为基础的 B．汤姆孙认为原子是实心的 C．汤姆孙发现电子后猜想出原子内的正电荷集中在原子的中心 D．汤姆孙通过实验发现了质子 答案：B 解析：汤姆孙原子模型是在一定的实验和理论基础上假想出来的，不是以严格的实验为基础的，A错误；汤姆孙认为，原子是球体，原子带正电的部分应充斥整个原子，很小很轻的电子镶嵌在球体的某些固定位置，正像葡萄干嵌在面包中那样，所以B正确，C错误；汤姆孙发现了电子，并没有发现质子，D错误。 针对练2．关于原子核式结构模型，下列说法正确的是(　　) A．原子中原子核很小，核外很“空旷” B．原子核的半径的数量级是10-10 m C．原子的全部电荷都集中在原子核里 D．原子的全部质量都集中在原子核里 答案：A 解析：卢瑟福的原子结构模型的内容为：在原子中心有一个很小的核，叫原子核。它集中了全部的正电荷和几乎全部的质量，电子在核外空间运动，故C、D错误；又因为原子核直径的数量级为10-15 m，原子直径的数量级为10-10 m，两者相差十万倍之多，因此原子内部是十分“空旷”的，故A正确，B错误。 针对练3．根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。如图所示为α粒子散射示意图，图中实线表示α粒子的运动轨迹。则关于α粒子散射实验，下列说法正确的是(　　) A．图中大角度偏转的α粒子的电势能先减小后增大 B．图中的α粒子反弹是因为α粒子与原子核发生了碰撞 C．绝大多数α粒子沿原方向继续前进说明了带正电的原子核占据原子的空间很小 D．根据α粒子散射实验，还可以知道原子核由质子和中子组成 答案：C 解析：题图中大角度偏转的α粒子受到的电场力先做负功，后做正功，则其电势能先增大后减小，故A错误；题图中的α粒子反弹是因为α粒子与原子核之间的库仑斥力作用，并没有发生碰撞，故B错误；从绝大多数α粒子几乎不发生偏转，可以推测使α粒子受到排斥力的核体积极小，所以带正电的原子核只占整个原子的很小空间，故C正确；卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子的核式结构模型，不能证明原子核是由质子和中子组成的，故D错误。故选C。 1．早期原子论是由谁创立的(　　) A．道尔顿 B．汤姆孙 C．玻意耳 D．德谟克利特 答案：D 解析：早期的原子论是由古希腊哲学家德谟克利特等人创立的，其认为“原子”是宇宙间存在的一种或多种微小的实体；而道尔顿在19世纪初才提出了原子论，认为原子是元素的最小单元。玻意耳以化学实验为基础建立了科学的元素论；汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子，D正确。 2．如图所示的阴极射线管，从K出来的阴极射线经过电场加速后，水平射入长度为L的D、G平行板间，接着在荧光屏F中心出现荧光斑，若在D、G间加上方向向下，场强为E的匀强电场，阴极射线将向上偏转；如果把D、G间的电场换成一垂直纸面向里的匀强磁场(图中未画出)，阴极射线(　　) 学生用书第62页 A．向下偏转 B．向上偏转 C．向外偏转 D．向里偏转 答案：A 解析：由题图可知，电场方向向下，受力向上，则带负电，当带负电的粒子水平向右垂直进入纸面向里的匀强磁场时，由左手定则判定其受力向下。故选A。 3．在α粒子散射实验中，当α粒子最接近金原子核时，符合下列哪种情况(　　) A．动能最小 B．电势能最小 C．α粒子和金原子核组成的系统的能量最小 D．加速度最小 答案：A 解析：α粒子带正电，金原子核也带正电，二者互相排斥，因此距离越近，速度越小，距离最近的时候动能最小，库仑力最大，所以加速度也最大，A正确，D错误；全程库仑力做负功，因此电势能增加，距离最近时达到最大值，B错误；α粒子和金原子核组成的系统的能量不变，C错误。故选A。 4．(多选)在图中画出了在α粒子散射实验中的一些曲线，这些曲线中可能是α粒子的轨迹的是(　　) A．a B．b C．c D．d 答案：BD 解析：α粒子与金原子核均带正电，相互排斥，故不可能沿轨迹c运动，C错误；a轨迹弯曲程度很大，说明受到库仑力很大，但a粒子离核较远，受到的库仑力较小，故a轨迹不可能存在而b轨迹正确，A错误，B正确；d轨迹是α粒子正对金原子核运动时的情况，D正确。故选BD。 学科网（北京）股份有限公司 $