物理人教版（2019）选择性必修第三册 4.3 原子的核式结构模型（共38张ppt）

(共38张PPT)
4.3原子的核式结构模型--电子的发现
学习目标：
（1）知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元。
（2）体会电子的发现过程中蕴含的科学方法。
（3）知道电荷是量子化的，即任何电荷质能是e的整数倍。
（4）领会电子的发现对揭示原子结构的重大意义。
很早以来，人们一直认为原子是构成物质的最小微粒，是不可再分的。这种认识一直统治了人类思想近两千年。直到19世纪末，科学家对实验中的阴极射线进行深入研究时，才发现原来原子也是有内部结构的.
那么，你知道原子的基本结构是什么吗？
你知道电子是怎样发现的吗？
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？
新课导入
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。
那么，阴极射线的本质是什么？电子的发现经历了怎样的曲折历程？
一、阴极射线
大量科学家主要形成了两种观点。
（1）电磁波说：代表人物，赫兹。认为这种射线的本质是一种电磁波的传播过程。
（2）粒子说：代表人物，汤姆孙。认为这种射线的本质是一种高速粒子流。
阴极射线的本质：
1、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
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
2、采用何种方法可以方便地判断阴极射线是否带电？
带电粒子的性质
3、如果阴极射线是带电粒子流，如何能够测定粒子的速度或比荷？
场：电场或磁场
二、电子的发现
英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子。实验装置如图所示，
金属板D1D2之间未加电场时射线不偏转，射在屏上的P1点，按图示方向加电场E之后，射线发生偏转并射到屏上的P2点，由此推断阴极射线带有什么性质的电荷？
P2
K
A
B
y
P1
P3
D1
D2
思考:
带负电
+
-
为了抵消阴极射线的偏转，使它从P2点回到P1，使阴极射线不发生偏转，在平行极板区域应采取什么措施？
P2
K
A
B
y
P1
P3
D1
D2
思考:
在平行板区域加一磁场且磁场方向必须垂直纸面向外，当满足条件 时，则阴极射线不发生偏转，则：
+
-
1、若撤去磁场，带电粒子由P1点偏离到P2，P2到P1竖直距离为y,屏幕到金属板D1、D2右端的距离为D，你能算出阴极射线的比荷吗？
做一做:
e
m
屏幕
L
D


v0
y
P1
P2
e
m
屏幕
L
D


v0
θ
化简得：
P1
P2
y
根据几何关系：
根据类平抛运动：
还有其他方法吗？
相似
2、若撤去电场，利用磁场使带电的阴极射线发生偏转，能否根据磁场的特点和带电粒子在磁场中的运动规律来计算阴极射线的比荷？
做一做:
荧幕
L
D
v0
θ
L
D
v0
θ
θ
P2
阴极射线打在屏上的P2点，只要测出粒子打到屏上的速度方向（与水平方向的夹角θ）由图可知：
R
屏幕
1. 用“电偏转”测定阴极射线比荷的表达式
2. 用“磁偏转”测定阴极射线比荷的表达式
比荷求法
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？
汤姆孙为了确定电荷量和质量进一步的实验得到了什么实验结果？
这种带电粒子是构成各种物质的共有成分。
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？
荷质比大有两种可能：或者这种带电粒子的电荷量很大；或者它的质量很小。
思考问题
电子电荷的精确测定——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
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。为量子力学的创立奠定了理论基础，成为通向这一王国的序曲，同时也揭开了电的本质，打消了人们对电的神秘感。
电子发现的历史意义
汤姆孙通过进一步的研究证明：电子是原子的组成部分，是比原子更基本的单元。
练习:
1、一只阴极射线管的左侧不断有电子射出，若在管的正上方放一根通电直导线AB，发现电子的径迹向下弯曲，下列正确的是（）
A.导线中电流的方向由A到B
B.导线中电流的方向由B到A
C.改变电流方向, 电子向上偏
D.电子径迹与电流无关
2、如图7所示，一个垂直于匀强磁场B方向射入的带电粒子运动的径迹，从图中判断（）
A．若粒子带正电，粒子应做顺时针方向运动
B．若粒子带正电，粒子应做逆时针方向运动
C．若粒子带负电，粒子应做顺时针方向运动
D．若粒子带负电，粒子应做逆时针方向运动
图6
K
A
图7
B
q
AC
BC
A
B
练习:
3、一个长b，宽a的长方形有界匀强磁场B。一个带电为q,质量为m的粒子从宽边a的下底边垂直于磁场方向以速度v射入，运动径迹如图，求粒子电性和运动轨迹半径。
a
b
原子的核式结构模型
学习目标：
（1）了解α粒子散射实验原理和实验现象。
（2）知道卢瑟福的原子核式结构模型的主要内容。
（3）知道原子和原子核的大小数量级，原子核的电荷数。
(4)领会卢瑟福提出原子核式结构的实验和思维过程，培养学生抽象思维能力和想象力。
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？
思考与讨论
枣糕模型（西瓜模型）
汤姆孙
汤姆孙提出了
电子
正电荷
原子是一个球体，正电荷均匀分布在球体中，电子镶嵌在正电荷之中，就象枣点缀在一块蛋糕里一样，所以又被人们称为“枣糕模型”。
这个模型不久就被实验事实否定了
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。
⑴α粒子
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。
1、 α粒子散射实验
⑵实验原理和实验装置
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。
氦的原子核
金箔的厚度10-6m
思考2：依据汤姆孙的枣糕模型，预期的实验现象是的什么样？
思考3：按照大家理解的原子结构，应该的实验现象如何？
1微米厚的金箔大约有3300个原子层，
α粒子散射实验
目镜视野
动画页
模拟 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4：各种偏转的原因是什么？
思考5：为什么不是碰撞到电子上导致的偏转？
思考6：为什么选择金箔，而不是其他固体？
重金属的原子质量大，与α粒子的相互作用力对α粒子的运动影响大，对重金属的原子影响小。
思考7：α粒子散射实验的微观情境是什么样？（画出）
粒子质量是电子质量的7000多倍。
粒子穿越核式结构模型的情境
电子对α粒子的作用忽略不计。
因为原子核很小，大部分α粒子穿过原子时离原子核很远，受到较小的库仑斥力，运动几乎不改变方向。
极少数α粒子穿过原子时离原子核很近，因此受到很强的库仑斥力，发生大角度散射。
动画页
思考8：如何估计原子核的尺度？
①绝大多数粒子不偏移→原子内部绝大部分是“空”的。
②少数粒子发生较大偏转→原子内部有“核”存在。
③极少数粒子被弹回→ 表明：作用力很大；质量很大；电量集中。
动画页
粒子穿越“枣糕”模型的情境
“枣糕”模型中正负电荷均匀分布其中，当 粒子穿过时，两侧受到的力相差不多， 粒子的偏转应很小。汤姆孙原子模型无法解释 粒子散射实验中的大角度散射现象。
卢瑟福核式结构模型
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
欧内斯特·卢瑟福
1871-1937
原子
原子核
核外电子
质子
中子
原子核的电荷数:电荷数(Z)=质子数=原子序数
原子核的符号:
原子核的质量数:质量数(A)=核子数=质子数+中子数
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：
原子核的电荷和大小
根据卢瑟福的原子核式模型和α粒子散射的实验数据，可以推算出各种元素原子核的电荷数，还可以估计出原子核的大小。
（1）原子的半径约为10-10米、原子核半径约是10-15米，相差10万倍。
（2）原子核所带正电荷数+Ze与核外电子数以及该元素在周期表内的原子序数Z相等。
（3）电子绕核旋转所需向心力就是核对它的库仑力。
动画页
230m
蚂蚁与胡夫金字塔的比较
体育场
原子
原子核
练习：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。
2、测定粒子的比荷
⑴应用带电粒子在恒定电场中的偏转求比荷（电偏转）
①两极板C、D间无电场和磁场时，粒子将打在荧光屏上的O点。
③在两极板间施加一个方向垂直于纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场，则粒子在荧光屏上产生的光点又回到O点。
②在极板间施加电压U（上正下负），离开极板区域的粒子将打在荧光屏上的P点
2、测定粒子的比荷
⑵应用带电粒子在恒定磁场中的偏转求比荷（磁偏转）
①两极板C、D间无电场和磁场时，粒子将打在荧光屏上的O点。
②在两极板间施加一个方向垂直于纸面向外、磁感应强度为B的匀强磁场，则离开极板区域的粒子将打在荧光屏上的P点。
③再在极板间施加电压U（下正上负）则粒子在荧光屏上产生的光点又回到O点。