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3 原子的核式结构模型
第四章 原子结构和波粒二象性
High school physics
了解α粒子散射实验现象以及卢瑟福原子核式结构模型的主要内容
02
知道阴极射线的组成，体会电子发现过程中所蕴含的科学方法，知道电荷是量子化的
01
重难点
知道原子和原子核大小的数量级，知道原子核的电荷数
03
重点
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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电子的发现
01
对这种射线本质的认识有两种观点
是一种电磁辐射
是一种高速带电微粒
让阴极射线沿垂直场的方向通过电场或磁场
如何用实验判断哪一种观点正确呢？
如果偏转则带电，否则不带电。
VS
汤姆孙实验装置及实验原理
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如图所示为汤姆孙的气体放电管。

(1)K、A部分起什么作用？
答案　K、A部分产生阴极射线。
(2)在金属板D1、D2之间加上如图所示的电场时，发现阴极射线向下偏转，说明它带什么性质的电荷？
答案　阴极射线向下偏转，与电场线方向相反，说明阴极射线带负电。
E
qE
(3)在金属板D1、D2之间单独加哪个方向的磁场，可以让阴极射线向上偏转？
答案　由左手定则可得，在金属板D1、D2之间单独加垂直纸面向外的磁场，可以让阴极射线向上偏转。
B
qvB
(1)本质是带负电的粒子流
(2)构成各种物质的共有成分
(3)实验测得比荷是氢离子比荷的近两千倍
电子
电子发现意义：
原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也有结构。
一种高速带电微粒
阴极射线的本质
1
阴极射线
阴极发出的一种射线，能使玻璃管壁发出荧光
2
密立根实验
密立根通过著名的“油滴实验”精确测定电子电荷
目前公认的电子电荷的值为 e =1.6×10-19 C
3
电荷的量子化
任何带电体的电荷只能是e的整数倍
4
电子的质量me=9.1×10-31 kg，
质子质量与电子质量的比值为=1 836
电子的发现
(1)阴极射线管发出荧光是由于阴极射线撞击管壁而引起的。(　　)
(2)阴极射线实际上是高速运动的电子流。(　　)
(3)带电体的电荷量可以是任意数值。(　　)
(4)电子的电荷量是汤姆孙首先精确测定的。(　　)
(5)电子的质量与电荷量的比值称为电子的比荷。(　　)
√
×
√
×
×
1.汤姆孙测定电子比荷(电子的电荷量与质量之比)的实验装置如图所示。真空玻璃管内，阴极K发出的电子经加速后，穿过小孔A、C，沿中心轴线OP1以速度v进入两块水平正对放置的极板D1、D2间，射出后到达右端的荧光屏上形成光点。若极板D1、D2间无电压，电子将打在荧光屏上的中心P1点。现在极板间加上竖直方向、电场强度大小为E的匀强电场后，电子向上偏转；再在极板间施加一个方向垂直于纸面的匀强磁场(图中未画出)，电子在荧光屏上产生的光点又回到了P1点；接着去掉电场，电子向下偏转，射出极板时偏转角为θ。已知
极板的长度为L，忽略电子的重力及电子
间的相互作用。求：
(1)匀强磁场的磁感应强度大小；(2)电子的比荷。
答案　 (1) 　 (2) sin θ
E
eE
B
evB
(1)电子以速度v进入叠加场，当电子在静电力和洛伦兹力共同作用下做匀速直线运动时，电子将打在P1点，则电子受力平衡eE=evB
解得匀强磁场的磁感应强度大小为B=
(2)撤去电场后，电子仅在磁场中偏转，如图所示
由洛伦兹力提供向心力得evB=
由几何关系知L=rsin θ，
可得=sin θ。
原子的核式结构模型
02
汤姆孙原子模型
汤姆孙于1898年提出了原子模型，他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，电子镶嵌其中，有人形象地把
汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“枣糕模型”，如图。
如图所示为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粒子散射实验的实验装置，阅读课本，回答以下问题：
(1)什么是α粒子？
答案　α粒子He)是从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，实质是失去两个电子的氦原子核，质量是电子质量的7 300倍。
(2)实验装置中各部件的作用是什么？
答案　
①α粒子源：把放射性元素钋放在带小孔的铅盒中，放射出高能的α粒子。
②带荧光屏的显微镜：观察α粒子打在荧光屏上发出的微弱闪光。
点
击
图
片
播
放
视
频
(2)实验过程是怎样的？
答案　
实验过程：α粒子经过一条细通道，形成一束射线，打在很薄的金箔上，带有显微镜的荧光屏可以转动，以统计向不同方向散射的α粒子的数目。
点
击
图
片
播
放
视
频
α粒子散射实验现象
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α粒子散射实验
1
实验装置
由α粒子源、金箔、显微镜等几部分组成，
实验时从α粒子源到荧光屏这段路程应处于真空中。
2
实验现象
①绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进
②少数α粒子发生了大角度偏转；极少数偏转的角度甚至大于90°
3
实验意义
否定了汤姆孙的原子模型，建立了核式结构模型
卢瑟福对α粒子发生大角度偏转的解释
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原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动。
核式结构模型
1.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。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？
答案　α粒子受到的各方向正电荷的斥力
基本会相互平衡，因此α粒子沿直线运动
的可能性最大，最不可能发生大角度偏转。
2.少数α粒子发生大角度偏转的原因是什么？
答案　α粒子带正电，α粒子受原子中带正电的占原子质量绝大部分的原子核的库仑斥力从而发生了大角度偏转。
3.α粒子散射实验用的是金箔等重金属箔，而没有用轻金属箔，例如
铝箔。除了金的延展性好，可以把金箔做得非常薄这个原因以外，
你认为还有什么原因？
答案　金原子的质量比α粒子质量大得多，且几乎全部集中在金原子核内。当α粒子穿过金原子区域，靠近金原子核时，两者之间的库仑斥力对α粒子运动方向影响很大，而对金原子影响很小，所以α粒子散射实验选用比α粒子质量大得多的重金属箔。
2.(2025·南通市模拟预测)如图所示是α粒子散射实验装置，实验时在图中甲、乙、丙、丁四处观察，相同时间内荧光屏上闪光点最多的位置是
A.甲 B.乙
C.丙 D.丁
√
在α粒子散射实验中，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粒子发生了大角度偏转，极少数偏转的角度甚至超过90°，所以荧光屏和显微镜放在甲位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多。
3.(2025·浙江6月选考)一束α粒子撞击一静止的金原子核，它们的运动轨迹如图所示。图中虚线是以金原子核为圆心的圆。已知静电力常量k=9.0×109 N·m2/C2，元电荷e=1.6×10-19 C，金原子序数为79，不考虑α粒子间的相互作用和自身所受重力，则
A.沿轨迹1运动的α粒子受到的库仑力先做正功，后
做负功
B.沿轨迹2运动的α粒子到达P时动能为零、电势能最大
C.位于图中虚线圆周上的3个α粒子的电势能不相等
D.若α粒子与金原子核距离为10-14 m，则库仑力数量级为102 N
√
沿轨迹1运动的α粒子受到的库仑力先做负功，后做正功，故A错误；
沿轨迹2运动的α粒子因为做曲线运动，则到达P时动能不为零，因距离原子核最近，则电势能最大，故B错误；
位于图中虚线圆周上各点的电势都相等，可知虚线圆周上的3个α粒子的电势能相等，故C错误；
若α粒子与金原子核距离为10-14 m，则库仑力F=k=9×109×
N≈364 N，即数量级为102 N，故D正确。
原子核的电荷与尺度
03
原子核的电荷
1
原子核的电荷数
各种元素的原子核的电荷数，即原子内的电子数
2
原子核的组成
原子核由质子和中子组成，原子核的电荷数就是核中的质子数。
原子核的尺度
核半径的数量级为10-15 m
原子半径的数量级是10-10 m
体育场
原 子
原子核
类比
4.下列对原子及原子核的认识，正确的是
A.原子由原子核和核外电子组成
B.原子核带有原子的全部正电荷和全部原子的质量
C.原子核半径的数量级为10-10 m
D.中性原子核外电子带的负电荷之和小于原子核所带的正电荷
√
原子由原子核和核外电子组成，故A正确；
原子核的质量与电子的质量之和就是原子的质量，故B错误；
原子半径的数量级是10-10 m，原子核是原子内很小的核，半径数量级为10-15 m，C错误；
中性原子核外电子带的负电荷之和与原子核所带的正电荷相等，D错误。
电子的发现
原子的核式结构模型
原子核的电荷与尺度
汤姆生实验探究：阴极射线的本质
带负电的粒子流
各种物质的共有成分
比荷是氢离子比荷的近两千倍
密立根测电子电量
e＝ 1.602176634×10-19C
me＝ 9.10938356×10-31kg
电荷是量子化的
卢瑟福核式结构模型
在原子的中心有一个体积很小、带正电荷的核，叫作原子核
原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里
带负电的电子在核外空间绕着核旋转做圆周运动
实验现象
绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍按原来方向前进
少数α粒子粒子发生了大角度偏转
极少数偏转角度甚至大于90°
电子数与原子序数
电子发现意义：原子本身有结构
汤姆孙推测：原子枣糕模型
无法解释
原子核的尺度
原子半径的数量级是10-l0m
实验确定的核半径的数量级为10-l5m

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