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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之之间间施施加加垂垂直直纸纸面面向向外外的的磁磁场场射线回到射线回到P P1 1点点 0=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 2根据类平抛运动：根据类平抛运动：根据几何关系：根据几何关系：化简得化简得：当当带
5、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：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
6、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。电电子子的的电电荷荷量量是是由由谁谁测测量量出出的的？为为什什么么说说电电荷荷是是量量子子化化的的？新课教学新课教学密立根密立根(美国美国)186
7、8 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的的整整数数倍。电子的质量倍。电子的质量m m9.1093897109.109389710-31-31kgkge 1.602 176 634 10-19 C巩固练习巩固练习【例例题题】(多多选选)如如图图所所示示是是J.J.J.J.汤汤姆姆孙孙的的气气体体放放电电管管的的示示意意图图，下下列列说说法法中中正正确确的的是是()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
8、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【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
9、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
10、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世世纪纪末末年年，物物理理学学有有三三项项重重大大的的实实验验发发现现，这这就就是是X X射射线线、放放射射性和电子。性和电子。电电子子发发现现的的具具有有更更伟伟大大的的意意义义，因因为为这这一一事事件件使使人人们们认认识识到到自自然然界界还还有有比比原原子子更更小小的的实实物物。电电子子的的发发现现打打开开了了通通向向原原子子物物理理学学的的大大门门 ,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
11、：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
12、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这这个个模模型型不不久久就就被被实实验验事事实实否否定定了了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显显微微镜镜带带有有光光屏屏S S，可可以以在在水水平平而而内内转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
13、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按照照J.J.J.J.汤汤姆姆孙孙的的原原子子模模型型，正正电电荷荷均均匀匀分分布布在在整整个个原原子子球球体体内内，由由于于受受库库仑仑斥斥力力的的作作用用，粒粒子子穿穿过过原原子子时时，受受到到的的各各个个方方向向正正电电荷荷的的斥斥力力基基本本会会相相互互平平衡衡，因因此此对对 粒粒子子运运动动的的影影响响不不会会很很大大。大大部部分分 粒粒子子会会有有小角度偏转，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
14、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？4.4.4.4.粒子散射实验的微观情境是什么样？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
15、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因为为电电子子的的质质量量只只有有粒粒子子的的 ，它它对对粒粒子子速速度度的的大大小小和和方方向向的的影影响响就就像像灰灰尘尘对对枪枪弹的影响，完全可以忽略。弹的影响，完全可以忽略。粒粒子子偏偏转转主主要要是是具具有有原原子子的的大大部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占原原子子质质量量绝绝大大部部分分的的带带正正电电的的物物质质集集中中在在很很小小的的空空间间范范围围。这这样样才才会会使使 粒粒子子在在经经过过时受到很强的斥力，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.
16、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
17、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【例例题题】当当 粒
18、粒子子被被重重核核散散射射时时，如如图图所所示示的的运运动动轨轨迹迹哪哪些些是是不不可可能能存在的？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
19、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，
20、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，一般通过其他一般通过其他粒子与核的相互作用来确定。粒子与核的相互作用来确定。粒子散射可以用粒子散射可以用来估
21、算核半径。来估算核半径。对于一般的原子核，实验确定对于一般的原子核，实验确定的核半径的数量级为的核半径的数量级为1010-15-15 m m，而整个原子半径，而整个原子半径的数量级是的数量级是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
22、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
23、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习题题：(多多选选)()(卢卢瑟瑟福福和和他他的的学学生生用用 粒粒子子轰轰击击不不同同的的金金属属
24、，并并同同时时进进行行观观测测，经经过过大大量量的的实实验验，最最终终确确定定了了原原子子的的核核式式结结构构.如如图图为为该该实实验验的的装装置置，其其中中荧荧光光屏屏能能随随显显微微镜镜在在图图中中的的圆圆面面内内转转动动.当当用用 粒粒子子轰轰击击金金箔箔时时，在在不不同同位位置置进进行行观观测测，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ABDAB
25、D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