3. 原子的核式结构模型（培优教学课件）物理人教版选择性必修第三册

第四章 原子结构和波粒二象性 选择性必修三•人教版 3.原子的核式结构模型 量子论的建立是 20 世纪物理学的最大成就之一。量子论解释了原子、分子等微观粒子遵循的规律，这些规律和牛顿力学等宏观、低速情况下的物理规律有很大不同。量子论不但深化和丰富了人类对自然界的认识，而且催生了一 大批新技术，深刻地改变了人们的生活方式 和社会形态。 导入新课 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？ 物理观念 形成物质观念，理解原子的结构和组成，认识原子核式结构模型的本质。 科学思维 通过实验现象的分析和推理，培养学生的逻辑思维、批判性思维和模型建构能力。 科学探究 验阴极射线和α粒子散射实验的探究过程，提高学生提出问题、作出假设、设计实验、分析数据和得出结论的能力。 科学态度 与责任 了解原子结构模型的发展历程，感受科学家的探索精神，增强学生对科学的敬畏感和责任感。 学习目标 重点难点 重点 1.α粒子散射实验及原子的核式结构模型的建立。 2. 原子的核式结构模型的主要内容。 难点  1. 汤姆孙发现电子的理论推导。 2. 原子的核式结构模型的建立过程。 一、电子的发现 3.原子的核式结构模型 一、电子的发现 这种射线称为阴极射线（cathode ray）。对这种射线本质的认识有两种观点：一种观点认为，它是一种电磁辐射；另一种观点认为，它是带电微粒。如何用实验判断哪一种观点正确呢？ 一、电子的发现 当时，两种观点的支持者争执不下，谁也说服不了谁。为了找到有利于自己的证据，双方都做了许多实验。英国物理学家J. J. 汤姆孙认为阴极射线是带电粒子流。为了证实这一点，从1890年起他和他的助手进行了一系列实验研究。 一、电子的发现 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K：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 一、电子的发现 1.实验装置：真空玻璃管、阴极、阳极和感应圈. 在金属板D1D2之间未加电场时，射线不偏转，射在P1点 施加如图电场后射线偏转，射在P2点 发现阴极射线带负电 3.阴极射线：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，这种射线命名为阴极射线. 2.实验现象：感应圈产生的高电压加在两极之间，玻璃管壁上发出荧光。 4.阴极射线是带负电的粒子 一、电子的发现 一、电子的发现 电场力： 洛伦兹力： 在两块金属板之间的区域再施加一个大小、方向合适的磁场抵消阴极射线的偏转，使它从P2点回到P1。 一、电子的发现 去掉D1、D2间的电场E，只保留向外磁场B，阴极射线在有磁场的区域将会形成一个半径为r的圆弧（r可以通过P3的位置算出）。 r 一、电子的发现 J.J 汤姆孙(英国) 1857 ～ 1940 1889年4月30日，J.J.汤姆孙正式宣布发现电子; 电子的发现，结束了关于阴极射线本质的争论; 从此，人类意识到，原子并不是组成物质的最小单位，探索原子结构的序幕由此拉开…… 金属原子 原子核 电子 阴极射线是带负电的电子流。 由于J.J.汤姆生的杰出贡献，1906年他获得诺贝尔物理学奖。 一、电子的发现 J.J.汤姆孙的儿子G.P.汤姆孙，因通过实验发现受电子照射的晶体中的干涉现象，1937年获得诺贝尔物理学奖。 　　汤姆孙父子分别于1906年、1937年获得物理学奖，是诺贝尔奖历史上6次“子承父业”奇迹之一。 G.P.汤姆孙(英国) 1892 ～ 1975 一、电子的发现 密立根实验更重要的发现： 电荷具有量子化的特征，即任何带电体的电荷只能是e的整数倍。 电子的电荷量e=1.6022×10－19 C 电子的质量m=9.1094×10－31 kg 质子质量是电子质量的1836倍 一、电子的发现 发现电子以后， J. J.汤姆孙又进一步研究了许多新现象，如光电效应、热离子发射效应和β射线等。他发现，不论阴极射线、光电流、热离子流还是β射线，它们都包含电子。也就是说，不论是由于正离子的轰击、紫外光的照射、金属受热还是放射性物质的自发辐射，都能发射同样的带电粒子——电子。 二、原子的核式结构模型 3.原子的核式结构模型 二、原子的核式结构模型 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布的？ 二、原子的核式结构模型 1.汤姆孙的原子模型 原子是一个球体，里面充满了均匀分布的带正电的流体，电子镶嵌在正电荷液体中，就象枣点缀在一块蛋糕里一样，所以又被人们称为“枣糕模型”。 电子等间隔地排列在与正电球同心的圆周上，并以一定的速度做圆周运动从而发出电磁辐射，原子光谱所反映的就是这些电子的辐射频率。 正电荷 电子 二、原子的核式结构模型 二、原子的核式结构模型 2.α粒子散射实验 实验发现，绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子（约占 1/8 000 ）发生了大角度偏转，极少数偏转的角度甚至大于90°，也就是说，它们几乎被撞了回来. （2）实验现象： 二、原子的核式结构模型 （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。 （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。 因为电子的质量只有α粒子的 ，它对α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。 J.J.汤姆孙的模型无法解释大角度散射的实验结果。 二、原子的核式结构模型 ⑶带负电的电子在核外空间绕着核旋转做圆周运动 ⑴在原子的中心有一个体积很小、带正电荷的核，叫做原子核 ⑵原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里 卢瑟福核式结构模型 三、原子的电荷和尺度 3.原子的核式结构模型 三、原子核的电荷和尺度 ⑴原子是由带电荷＋Ze的核与核外Z个电子组成的。电子数Z等于原子核所带正电荷数。 ⑶原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数就是核中的质子数。 Ze是原子核的电荷，单位是库仑；Z是原子序数，也是原子核的电荷数，它表示原子核的电荷是一个电子电荷（绝对值）的多少倍。Z是没有单位的，或者说Z的单位是1。 ⑵原子序数Z 等于核电荷与电子电荷大小的比值 三、原子核的电荷和尺度 原子核的电荷数:电荷数(Z)=质子数=原子序数 原子核的符号: 原子核的质量数:质量数(A)=核子数=质子数+中子数 X为元素符号，Z为质子数，A 为质量数。 核电荷数＝质子数(Z)＝元素的原子序数＝核外电子数 质量数（A）＝核子数＝质子数＋中子数 H的三种同位素： 原子 原子核 核外电子 质子 中子 三、原子核的电荷和尺度 原子核的半径是很难测量的，一般通过其他粒子与核的相互作用来确定。α粒子散射可以用来估算核半径。对于一般的原子核，实验确定的核半径的数量级为10-15 m，而整个原子半径的数量级是10-10 m，两者相差十万倍之多。 核半径的数量级为10-15 m 原子半径的数量级是10-10 m 原子内部是十分“空旷”的 四、课堂总结 3.原子的核式结构模型 电子的发现 原子的核式结构模型 原子核的的电荷与尺度 3.带负电的电子在核外空间绕着核旋转做圆周运动。 1.在原子的中心有一个体积很小、带正电荷的核，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。 原子内部是十分“空旷”的 五、练习与应用 5.液体 3.原子的核式结构模型 五、练习与应用 1.如图所示，α粒子散射实验中，移动显微镜M分别在a、b、c、d四个位置观察，则(　　) A．在a处观察到的是金原子核 B．在b处观察到的是电子 C．在c处能观察到α粒子 D．在d处不能观察到任何粒子 五、练习与应用 【答案】C 【解析】四个位置观察到的均为α粒子，故选C． 五、练习与应用 2.如图，卢瑟福进行的α粒子散射实验现象表明(　　) A．在原子的中心有一个很小的核 B．原子核具有复杂结构 C．原子核集中了原子所有的质量 D．核外电子在绕核做圆周运动 五、练习与应用 【答案】A 【解析】为了解释α粒子散射实验现象，卢瑟福提出了原子核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，A正确，C错误；实验现象不能说明原子核具有复杂结构，也不能说明核外电子的运动规律，B、D错误． 五、练习与应用 3.α粒子散射实验被评为世界十大经典物理实验之一，此实验开创了原子结构研究的先河，为建立现代原子核理论打下了基础，关于α粒子散射实验，下列说法正确的是(　　) A．汤姆孙根据α粒子散射实验，提出了原子核的核式结构 B．该实验需要在真空环境下才能完成 C．该实验表明α粒子大角度偏转可能是与电子直接碰撞造成的 D．在其他条件相同情况下，只改变金箔的厚度，对实验结果没有影响 五、练习与应用 【答案】B 【解析】卢瑟福根据α粒子散射实验，提出了原子核的核式结构，A错误；α粒子轰击金箔的实验需要在真空条件下完成，避免α粒子和空气中的原子碰撞影响实验结果，B正确；α粒子发生大角度偏转是与原子核之间的距离较近，同种电荷之间体现库仑力，相互排斥，C错误；在相同的条件下，改变金箔的厚度对实验结果有影响，D错误． 五、提升训练 3.原子的核式结构模型 五、提升训练 1．1909年，英国物理学家卢瑟福和他的助手盖革、马斯登一起进行了著名的“粒子散射实验”，实验中大量的α粒子穿过金箔前后的运动轨迹如图所示．卢瑟福通过对实验结果的分析和研究，于1911年建立了原子的核式结构．下列描述中，正确的是(　　) A．绝大多数α粒子穿过金箔后，都发生了大角度偏转 B．少数α粒子穿过金箔后，基本上沿原来方向前进 C．该实验证实了汤姆孙原子模型的正确性 D．通过α粒子散射实验，估计出原子核半径的数量级为10-15 m 五、提升训练 【答案】D 【解析】卢瑟福“粒子散射实验”结果表明，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粒子发生了较大角度的偏转，并有极少数α粒子的偏转超过90°，有的甚至几乎达到180°而被反弹回来，A、B错误；通过α粒子散射实验，卢瑟福否定了汤姆孙原子模型，建立了原子的核式结构模型，C错误；通过α粒子散射实验，卢瑟福确定了原子核半径的数量级为10-15 m，D正确． 五、提升训练 2．许多物理学家的科学研究推动了人类文明的进程．如图是科学史上一个著名的实验，以下说法正确的是 (　　) 五、提升训练 A．此实验是库仑测量油滴电荷量的实验 B．此实验是法拉第测量电子电荷量的实验 C．通过此油滴实验直接测定了元电荷的数值 D．通过多次实验测量，发现油滴所带的电荷量虽不相同，但都是某个最小电荷量的整数倍，这个最小电荷量被认为是元电荷 五、提升训练 【答案】D 【解析】题图为密立根油滴实验的示意图，密立根通过油滴实验直接测定了油滴的电荷量．通过多次实验测量，发现油滴所带的电荷量虽不相同，但都是某个最小电荷量的整数倍，这个最小电荷量被认为是元电荷，D正确． 五、提升训练 3.关于α粒子散射实验，下列说法正确的是(　　) A．在实验中观察到的现象是：绝大多数α粒子穿过金箔后发生了较大偏转，有的甚至被弹回，极少数仍沿原来方向前进 B．使α粒子发生明显偏转的力是来自带正电的核及核外电子，当α粒子接近核时是核的斥力使α粒子偏转，当α粒子接近电子时是电子的吸引力使之偏转 C．实验表明：原子中心有一个极小的核，它占有原子体积的极小部分 D．实验表明：原子中心的核带有原子的全部正电荷和原子的全部质量 五、提升训练 【答案】C 【解析】α粒子散射实验的内容是：绝大多数α粒子几乎不发生偏转；少数α粒子发生了较大的角度偏转；极少数α粒子发生了大角度偏转(偏转角度超过90°，有的甚至几乎达到180°，被反弹回来)，A错误；当α粒子接近核时，是核的斥力使α粒子发生明显偏转，B错误；从绝大多数α粒子几乎不发生偏转，推测使粒子受到排斥力的核体积极小，实验表明：原子中心有一个极小的核，它占有原子体积的极小部分，C正确；实验表明：原子中心的核带有原子的全部正电荷和绝大部分质量，D错误. 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