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第四章 第3节
原子的核式结构模型
选择性必修 第三册
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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？
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19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X射线一样是电磁辐射代表人物赫兹
另一种观点认为阴极射线是带电微粒代表人物汤姆孙?
赫兹
德国
汤姆孙
英国
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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
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J.J.汤姆孙自1890年对阴极射线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
真空玻璃管
阴极
阳极
感应圈
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阴极K：发出带电粒子
小孔AB：使由C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
带有标尺的荧光屏
1、阴极射线实验
实验结论：
1、在金属板D1D2之间未加电场时，射线不偏转，射在P1点
2、施加如图电场后射线偏转，射在P2点
3、发现阴极射线带负电
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1、阴极射线实验
思考与讨论1：运用带电粒子在电磁场中运动的知识，测定带电粒子的速度。
在D1D2之间施加垂直纸面向外的磁场
射线回到P1点
????????0????=????????
?
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?
屏幕
L
D
?
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思考与讨论2：如何测定带电粒子的比荷（????????）。
?
1、阴极射线实验
y
P1
P2
θ
根据类平抛运动：
根据几何关系：
化简得：
当带电粒子在电场中偏转时：
X X X X X X X
X X X X X X X
X X X X X X X
X X X X X X X
X X X X X X X
X X X X X X X
思考与讨论3：若撤去电场，利用磁场使带电的阴极射线发生偏转，能否测定带电粒子的比荷（????????）。
?
1、阴极射线实验
屏幕
L
D
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P1
P2
θ
θ
????
?
根据圆周运动：
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?
????=????????????????????
?
根据几何关系：
化简得：
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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？
1、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？
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密立根(美国)
1868 ～ 1953
2、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
巩固练习
【例题】(多选)如图所示是J.J.汤姆孙的气体放电管的示意图，下列说法中正确的是(　　)



A．若在D1、D2之间不加电场和磁场，则阴极射线应打到最右端的P1点
B．若在D1、D2之间加上竖直向下的电场，则阴极射线应向下偏转
C．若在D1、D2之间加上竖直向下的电场，则阴极射线应向上偏转
D．若在D1、D2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
【例题】(多选)1897年英国物理学家J.J.汤姆孙发现了电子并被称为“电子之父”，下列关于电子的说法正确的是(　　)
A．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的粒子流的结论，并求出了阴极射线的比荷
B．J.J.汤姆孙通过对光电效应的研究，发现了电子
C．电子的质量是质子质量的1836倍
D．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，说明电子是原子的组成部分，是比原子更小的基本的物质单元
AD
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电子发现的历史意义
在19世纪末年，物理学有三项重大的实验发现，这就是X射线、放射性和电子。
电子发现的具有更伟大的意义，因为这一事件使人们认识到自然界还有比原子更小的实物。电子的发现打开了通向原子物理学的大门 ,人们开始研究原子的结构……
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？
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3、汤姆孙的原子模型
J.J 汤姆孙(英国)
1857 ～ 1940
枣糕模型（西瓜模型）——
电子镶嵌在正电荷之中
正电荷均匀分布在球体中
原子是一个球体
这个模型不久就被实验事实否定了
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勒纳德（德国）
4、α 粒子散射实验
③M显微镜带有光屏S，可以在水平而内转到不同的方向对散射的α粒子进行观察。
①R是被铅块包围的α粒子源
②F是金箔：接收高速α粒子的轰击
思考与讨论：依据汤姆孙的枣糕模型，预期的实验现象是的什么样？
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4、α 粒子散射实验
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，由于受库仑斥力的作用，α粒子穿过原子时，受到的各个方向正电荷的斥力基本会相互平衡，因此对α粒子运动的影响不会很大。大部分α粒子会有小角度偏转，但不可能有大角度偏转。
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4、α 粒子散射实验
4、α 粒子散射实验
实验现象：绝大多数α粒子运动方向不改变或发生很小的偏转；
少数（1/8000）α粒子发生较大角度偏转。
极少数偏转角度甚至超过90?，有的甚至几乎达到180°
思考讨论：1.各种偏转的原因是什么？
2.为什么不是碰撞到电子上导致的偏转？
3.为什么选择金箔，而不是其他固体？
4.α粒子散射实验的微观情境是什么样？
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4、α 粒子散射实验
大角度的偏转不可能是电子造成的
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。
α粒子偏转主要是具有原子的大部分质量的带正电部分造成的
占原子质量绝大部分的带正电的物质集中在很小的空间范围。这样才会使α粒子在经过时受到很强的斥力，使其发生大角度的偏转
J.J.汤姆孙的模型无法解释大角度散射的实验结果
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5、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
物理科普
科学人物——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）。
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【例题】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？
答案：BC
为什么用α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。
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。
物理科普
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6、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
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6、原子核的电荷与尺度
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。
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
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体育场
原子
原子核
6、原子核的电荷与尺度
知识总结
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。
2.α 粒子散射实验
实验现象：绝大多数α粒子运动方向不改变或发生很小的偏转；少数发生较大角度偏转。极少数偏转角度甚至超过90?，有的甚至几乎达到180°。
实验结论：汤姆孙枣糕模型错误
3.卢瑟福核实结构模型
巩固练习
(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布在整个球体内。 (　　)
(2)α粒子散射实验中绝大多数α粒子都发生了较大偏转。 (　　)
(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，电子在正电体外面运动。 (　　)
(4)原子核的电荷数等于核中的中子数。 (　　)
(5)对于一般的原子，由于原子核很小，所以内部十分空旷。 (　　)
√　
×　
√　
×　
√　
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习题：(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
ABD
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习题：关于α粒子散射实验 ( )
A.绝大多数α粒子经过金箔后，发生了角度不太大的偏转
B.α粒子在接近原子核的过程中，动能减少，电势能减少
C.α粒子离开原子核的过程中，动能增加，电势能也增加
D.对α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
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习题：卢瑟福α粒子散射实验的结果 ( )
A、证明了质子的存在
B、证明了原子核是由质子和中子组成的
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
D、说明原子的电子只能在某些不连续的轨道上运动
C

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