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第3节 原子的
核式结构模型
第四章
人教版（2019）选择性必修三
CONTENTS
目录
电子的发现
01
原子的核式结构模型
02
原子核的电荷与尺度
03
学以致用提高练习
04
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，这种未知射线称之为阴极射线。
思考与讨论：阴极射线的本质是什么？
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 。
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一、电子的发现
问题：那么阴极射线到底是什么呢？如何探究阴极射线的本质是电磁波还是带电粒子流？
方法：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。如果阴极射线发生了偏转，那么阴极射线就是在电场力或洛伦兹力的作用下偏转的，说明阴极射线的本质是带电粒子流；如果阴极射线没有发生偏转，表示阴极射线不带电，说明阴极射线的本质是电磁波。
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
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1.汤姆孙的实验装置：
由阴极K发出的带电粒子通过小孔AB形成一束细细的阴极射线，它穿过两片平行的金属板D1D2之间的空间，到达右端带有标尺的荧光屏上P1点。
真空玻璃管、阴极、阳极和感应圈
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2.判断阴极射线是否带电
（1）阴极射线过电场实验
施加电场E之后，射线发生偏转并射到屏上P2处，P2处的玻璃由于受到阴极射线的撞击而发出荧光。
结论：所受电场力方向向下，阴极射线带负电。
演示：阴极射线过电场实验
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（2）阴极射线过磁场实验
再加磁场抵消阴极射线的偏转，使荧光点从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。
结论：所加磁场垂直纸面向外，且电场力等于磁场力，阴极射线带负电。
演示：阴极射线过磁场实验
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为了使射线回到P1点
3.测定带电粒子的比荷
需在D1D2之间施加
垂直纸面向外的磁场
去掉D1D2之间的电场
射线在磁场作用下偏转，射在P3点。
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4.汤姆孙还发现用不同材料的阴极做实验，比荷数值都相同。
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。
5.汤姆孙还由实验测得的阴极射线的比荷是氢离子的比荷近2000倍。后来，汤姆孙直接测到了阴极射线粒子的电荷量，尽管当时测量很不准确，但足以证明这种粒子的电荷量与氢离子大致相同，质量比氢离子小得多。
6.阴极射线的本质
（1）阴极射线的本质是电子。
（2）电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元。
（3）电子的电荷量与氢离子的电荷量相同。
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……
J.J 汤姆孙(英国)
1857 ～ 1940
由于J.J.汤姆生的杰出贡献，1906年他获得诺贝尔物理学奖。
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7.密立根油滴实验
第一次较为精确测量出电子电荷量的是美国物理学家密立根利用油滴实验测量出的。
密立根实验发现：
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
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二、原子的核式结构模型
通过电子的发现人们知道：电子是原子的组成部分，由于电子是带负电的，质量很小，而原子又是中性的，因此推断出原子中还有带正电的物质，几乎占有原子的全部质量。对于原子中正负电荷如何分布的问题，科学家们提出了许多模型，汤姆孙本人于1898 年提出了一种“枣糕模型”模型。
1.汤姆孙的“西瓜模型”或“枣糕模型”
“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。
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！
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视频演示：原子结构模型
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2. α 粒子散射实验
⑴α粒子：α粒子是从放射性物质（如铀和镭）中发射出来的快速运动的粒子，质量为氢原子质量的4 倍、电子质量的7300倍。
⑵实验原理和实验装置
1909 年，英国物理学家卢瑟福指导他的助手盖革和马斯顿进行α粒子散射实验的研究时，所用仪器的示意图。
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α粒子的轰击
当α粒子打到金箔时，发生了α粒子的散射。统计散射到各个方向的α粒子所占的比例，可以推知原子中电荷的分布情况。
金的延展性好，核电荷量大，核质量大。
为什么用金？
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（3）实验演示：α 粒子散射实验
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(4)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”。
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（5）α粒子散射实验的分析
①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，所以大角度的偏转不可能是电子造成的。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
②“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。
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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
3、卢瑟福核式结构模型
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视频演示：卢瑟福核式结构模型（上）
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视频演示：卢瑟福核式结构模型（下）
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三、原子核的电荷与尺度
原子是由带电荷＋Ze的核与核外Z个电子组成的，原子是电中性的，原子核所带正电荷数（质子数）等于电子数。各种元素的原子核的电荷数，即原子内的电子数，非常接近它们的原子序数。
1.原子核的电荷、电子数、原子序数
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
2.原子核的表示方法
原子核的电荷数:电荷数(Z)=质子数=原子序数
原子核的质量数:质量数(A)=核子数=质子数+中子数
原子
原子核
核外电子
质子
中子
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原子核的符号:
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：
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3.原子核的尺度
原子核式结构模型示意图
原子半径的数量级为10-10m
对于一般的原子核，实验确定的核半径数量级为10-15m
原子半径是原子核半径的约十万倍，原子的体积是原子核体积的1015倍
露珠
原子核
体育场
原子
原子内部是十分“空旷”的
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四、学以致用提高练习
1．下列关于原子模型及其建立过程叙述正确的是 （　　）
A．阴极射线是电子流，J.J.汤姆孙测出了电子的比荷，并精确测定了电子电荷量B．J.J.汤姆孙认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布于球内，电子镶嵌其中;该理论无法解释α粒子散射现象，后被卢瑟福核式结构模型所取代
C．通过α粒子散射实验可以估算出原子核尺度数量级为10-10 m
D．卢瑟福根据α粒子散射实验指出原子的全部正电荷和全部质量都集中在一个很小的区域——原子核
【答案】B
【解析】A．阴极射线是电子流，J.J.汤姆孙测出了电子的比荷，密立根精确测定了电子电荷量，故A错误。B．J.J.汤姆孙认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布于整个球内;该理论无法解释α粒子散射现象，后被卢瑟福核式结构模型所取代，故B正确。C．通过α粒子散射实验可以估算出原子核尺度数量级为10-15 m，故C错误。D．卢瑟福根据α粒子散射实验指出原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的区域——原子核，故D错误。故选B。
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2.(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
【答案】AC
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3.如图所示为卢瑟福α粒子散射实验装置的示意图，图中的显微镜可在圆周轨道上转动，通过显微镜前相连的荧光屏可观察α粒子在各个角度的散射情况。下列说法中正确的是(　)
A．在图中的A、B两位置分别进行观察，相同时间内观察到屏上的闪光次数一样多
B．在图中的B位置进行观察，屏上观察不到任何闪光
C．卢瑟福选用不同金属箔片作为α粒子散射的靶，观察到的实验结果基本相似
D．α粒子发生散射的主要原因是α粒子撞击到金箔原子后产生的反弹
【答案】C
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4.关于原子的核式结构模型，下列说法正确的是（ ）
A．原子中绝大部分是“空”的，原子核很小
B．电子在核外绕核旋转的向心力是原子核对它的库仑力
C．原子的全部电荷和质量都集中在原子核里
D．原子核的直径的数量级是10－10 m
【答案】AB
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5.美国物理学家密立根通过如图所示的实验装置，最先测出了电子的电荷量，被称为密立根油滴实验.两块水平放置的金属板A、B分别与电源的正、负极相连接，板间产生匀强电场，方向竖直向下，图中油滴由于带负电悬浮在两板间保持静止.
(1)若要测出该油滴的电荷量，需要测出的物理量有________.
A.油滴质量m B.两板间的电压U
C.两板间的距离d D.两板的长度L
(2)用所选择的物理量表示出该油滴的电荷量q＝________.(已知重力加速度为g)
板间电场为匀强电场，油滴处于静止状态，
所以电场力与重力平衡。
所以需要测出的物理量有油滴质量m，两板间的电压U，两板间的距离d。
解析：
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布置作业（再见）

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