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3. 原子的核式结构模型
人教版（2019）物理（选择性必修第三册）
第四章 原子结构和波粒二象性
目录
素养目标
01
课程导入
02
新课讲解
03
总结归纳
04
课堂练习
05
正确教育
素养目标
1.知道发现电子的意义，体会电子发现过程中蕴含的科学方法
2.了解α粒子散射实验原理和实验现象
3.了解卢瑟福的原子核式结构模型，知道原子和原子核大小的数量级
4.认识原子核式结构模型建立的科学推理与论证方法
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？
早在1858年，德国物理学家普吕克尔就发现了气体导电时的辉光放电现象。
1876年，德国物理学家戈德斯坦认为管壁上的荧光是由于玻璃受到的阴极发出的某种射线的撞击而引起的，并把这种未知射线称之为阴极射线。
正确教育
电子的发现
电子的发现
一种观点认为阴极射线像X射线一样是电磁辐射
另一种观点认为阴极射线是带电微粒
19世纪，对阴极射线本质的认识有两种观点

赫兹
汤姆孙
思考与讨论：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
阴极射线的本质是带电粒子流
阴极射线的本质是电磁波
发生了偏转
没有发生偏转
那么阴极射线到底是什么？
英国物理学家J.J.汤姆孙认为阴极射线是带电粒子流。
为了证实这点，从1890年起他进行了一系列实验研究。
真空玻璃管
阴极
阳极
感应圈
施加电场E之后，射线发生偏转并射到屏上P2处。由此可以推断阴极射线带有什么性质的电荷？怎么判断的？
带负电，因为场强E 的方向竖直向上，而射线向下偏，说明电场力F 的方向竖直向下，所以射线带负电。
再加磁场抵消阴极射线的偏转，使它从P2点回到P1，需要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。
这个磁场的方向是？根据什么判断？
垂直于黑板面向外，用左手定则判断。
设粒子质量为m，带电荷为e，受到磁场力和电场力的作用，如果不发生偏转，则受力平衡：
电场力：
磁场力：
. . . . . . . . . . . . . . . .
去掉D1、D2间的电场E，只保留磁场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
阴极射线是带负电的粒子流
还可求出这种粒子的比荷
思考：汤姆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？
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共有成分。
J.J 汤姆孙(英国)
1857 ～ 1940
汤姆孙为了确定电荷量和质量进一步的实验得到：粒子的电荷量与氢离子的大致相同，质量很小，是最轻的原子近 1/2000 。
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测量出的？为什么说电荷是量子化的？
密立根(美国)
1868 ～ 1953
密立根油滴实验
密立根的实验表明，电荷具有量子化的特征。即任何带电体的电量只能是e 的整数倍。电子的质量m＝9.1093897×10-31kg
e＝ 1.602 176 634 × 10 -19 C
正确教育
原子的核式结构模型
原子的核式结构模型
1.汤姆孙的“西瓜模型”或“枣糕模型”
1903德国物理学家勒纳德做了一个实验，使电子束射到金属膜，发现较高速度的电子很容易穿透原子。这说明原子不是一个实心球体，这个模型可能不正确。之后不久，α粒子散射的实验彻底否定了这个模型！
“枣糕”模型：原子是个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中。
枣糕模型
2. α 粒子散射实验
α粒子放射源
金箔
带有荧光屏的显微镜
实验装置：
放射源：放射性元素钋（Po）放出粒子，粒子是氦核，带2e正电荷，质量是氢原子的4倍，具有较大的动能。
金箔：作为靶子，厚度1μm，重叠了3000层左右的金原子。
荧光屏：粒子打在上面发出闪光。
显微镜：通过显微镜观察闪光， 且可360°转动观察不同角度粒子 的到达情况。
2. α 粒子散射实验
α粒子放射源
金箔
带有荧光屏的显微镜
荧光屏
根据汤姆生模型猜想的结果：
电子质量很小，对粒子的运动方向不会发生明显影响；由于正电荷均匀分布，粒子所受库仑力也很小，故粒子偏转角度不会很大。
(2)实验结果
①绝大多数α粒子穿过金箔后基本上沿原来的方向前进或发生很小的偏转。
②少数α粒子发生了较大的偏转。
③极少数α粒子的偏转角超过了90度，有极个别甚至接近180度，就像被弹回来了一样。
卢瑟福
卢瑟福和他的学生惊呼：“这件事情是如此的不可能，就好像你用炮弹射向一层薄纸，但炮弹却被纸弹了回来”
(3)实验意义
卢瑟福通过α粒子散射实验，否定了汤姆孙的原子模型，建立了核式结构模型。
(4)实验的注意事项
①整个实验过程在真空中进行。
②金箔需要做得很薄，α粒子才能穿过。
③使用金箔的原因是金的延展性好，可以做得很薄。另外一点就是金的原子序数大，α粒子与金核间的库仑斥力大，偏转明显。
3.α粒子散射实验的分析
粒子大角度散射甚至被弹回的原因是什么呢？
因为带负电的电子质量太小，如果质量大的α粒子与电子发生碰撞，那么电子对α粒子的速度大小和方向的影响就像灰尘对炮弹的影响，完全可以忽略。
“枣糕模型”能否解释粒子在穿越原子内部后发生的大角度偏吗？
按照汤姆孙的“枣糕模型”正电荷在原子内部均匀分布，那么α粒子穿过原子时，由于粒子两侧正电荷对它的斥力大部分互相抵消，使α粒子偏转的力不会很大，这样，汤姆孙的“枣糕模型”虽然能够解释绝大多数的α粒子基本上仍沿原方向进行，但是却无法解释大角度散射的实验结果。
卢瑟福——原子的核式结构模型
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
原子核式结构模型对α粒子散射实验的解释
当α粒子接近原子时，电子对它的影响仍如前述可以忽略，但是带正电的原子核则不同。因为原子核很小，原子内部非常“空旷”，所以绝大多数α粒子从离核较远的地方经过时，
受到的库伦斥力就很小，运动方向几乎不
改变。只有极少数的α粒子有机会从离核
很近的地方经过，受到比较大的斥力，才
会发生大角度的偏转。
1.（多选）当α粒子被原子核散射时，如图所示的运动轨迹中不可能存在的是( )
A.a B.b C.c D.d
经典例题
BC
解题思路：因为α粒子要受到原子核的库仑斥力作用,根据曲线运动的条件很容易得出b、c是不可能的,故选BC。
正确教育
原子核的电荷与尺度
由不同元素对α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＋Ze 的核
核外电子（Z 个）
原子的组成
原子序数Z =
核电荷
电子电荷
质子
中子
原子内部是十分“空旷”的
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。
2.α粒子散射实验又称金箔实验、Geiger-Marsden实验或卢瑟福粒子散射实验，实验装置如图所示。通过该实验，我们可以知道( )
A.该实验证实了汤姆孙的“西瓜模型”是正确的
B.大多数粒子穿过金箔后，其运动方向受到较大的影响
C.原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌在其中
D.占原子质量绝大部分的带正电的那部分物质集中在很小的空间范围内
经典例题
D
答案：D
解析：ACD、正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中是汤姆孙的认为，卢瑟福设计了α粒子散射证明带正电的那部分物质占原子质量的绝大部分集中在很小的空间范围，从而证明汤姆孙的“西瓜模型”是错误的，故AC错误，D正确；
B、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；
故选：D。
原子的核式结构模型
电子的发现
原子的核式结构模型
原子核的电荷与尺度
电子的电荷量
电子的比荷
卢瑟福α粒子散射实验
由质子和中子组成
原子核半径数量级10-15m
原子半径的数量级为10-10m
原子的核式结构模型
卢瑟福的α粒子散射实验装置如图所示，开有小孔的铅盒里面包裹着少量的放射性元素钋。铅能够很好地吸收α粒子，使得α粒子只能从小孔射出，形成一束很细的射线射到金箔上，最后打在荧光屏上产生闪烁的光点。下列说法正确的是( )
A.α粒子碰撞到了电子会反向弹回
B.极少数α粒子发生了大角度偏转
C.该实验为汤姆孙的“枣糕模型”奠定了基础
D.该实验说明原子具有核式结构，负电荷集中在原子中心
B
答案：B
解析：A.α粒子的质量远大于电子的质量，α粒子碰撞到了电子不会改变运动方向，A错误；
B.极少数α粒子发生了大角度偏转，B正确；
C.该实验为核式结构奠定了基础，C错误；
D.该实验说明原子具有核式结构，正电荷集中在原子中心，D错误。
故选B。
在卢瑟福的α粒子散射实验中，某一α粒子经过某一原子核附近时的轨迹如图中实线所示，图中P、Q为轨迹上的点，虚线是过P、Q两点并与轨迹相切的直线，两虚线和轨迹将平面分为五个区域，不考虑其他原子核对该α粒子的作用，下列说法正确的是( )
A.α粒子受到引力
B.该原子核的位置可能在①区域
C.根据α粒子散射实验可以估算原子核大小
D.α粒子在间的运动为匀速圆周运动
C
答案：C
解析：卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子的核式结构模型，正电荷全部集中在原子核内，α粒子带正电，同种电荷相互排斥，结合受力的特点与轨迹的特点可知原子核可能在③区域，故AB错误；根据α粒子散射实验可以估算原子核大小，故C正确；粒子受到的库仑力大小随α粒子与金原子核之间距离的变化而变化，力的大小是变化的，所以α粒子不可能做匀速圆周运动，故D错误。
关于电子的发现，下列叙述正确的是( )
A.汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子，从而揭示了原子核是可以再分的
B.电子的发现，说明原子是由电子和原子核组成的
C.电子质量与电荷量的比值称为电子的比荷
D.电子电荷量的精确测定最早是由密立根通过著名的“油滴实验”实现的
D
答案：D
解析：汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子，从而揭示了原子是可以再分的，A错误；原子的核式结构是卢瑟福通过α粒子的散射实验才提出的，B错误；电子的电荷量与质量的比值称为电子的比荷，C错误；电子电荷量的精确测定最早是由密立根通过著名的“油滴实验”实现的，D正确。
如图所示，是α粒子散射实验的示意图，①②③④四条轨迹分别对应4个α粒子与原子核相互作用时的运动路径。已知α粒子的入射速度都相等，散射后的速度大小等于初速度大小，则4个α粒子在散射过程中受到原子核冲量最大的是( )
A.① B.② C.③ D.④
D
答案：D
解析：散射角度大的α粒子动量变化大，所以受到原子核的冲量也大，所以4个α粒子在散射过程中受到原子核冲量最大的是④。
故选D。
谢谢观看

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