2020-2021学年高二下学期物理鲁科版（2019）选择性必修第三册课件：4.1-4.2 电子的发现与汤姆孙原子模型　原子的核式结构模型（71张PPT）

第4章　原 子 结 构
第1节　电子的发现与汤姆孙原子模型
第2节　原子的核式结构模型
一、物质结构的早期探究
1.古人对物质的认识:
(1)我国西周的“_______”认为万物是由金、木、水、火、土五种基本“元
素”组成。
(2)古希腊的亚里士多德认为万物的本质是土、水、火、空气四种“元素”,
天体则由第五种“元素”——“_____”构成。
(3)古希腊哲学家德谟克利特等人建立了早期的_______。
五行说
以太
原子论
2.大约在17世纪中叶,人们开始通过实验来了解物质的结构:
(1)1661年,玻意耳以化学实验为基础建立了科学的_______。
(2)19世纪初,道尔顿提出了原子论,认为_____是元素的最小单元。
(3)1811年,意大利化学家阿伏伽德罗提出了_________,指出分子可以由多个
相同的原子组成。
(4)19世纪初期形成的分子—原子论认为,宏观物质的化学性质决定于_____,
它是由_____构成的;_____是构成物质的不可再分割的最小微粒。
元素论
原子
分子假说
分子
原子
原子
二、电子的发现
1.阴极射线:科学家研究稀薄气体放电时发现,当玻璃管内的气体足够稀薄时,
阴极发出一种射线,这种射线能使玻璃管壁发出荧光,这种射线称为_________。
2.汤姆孙对阴极射线本质的探究:
(1)通过实验巧妙地利用___________和___________相抵消等方法,确定了阴极射
线粒子的速度,并测量出了这些粒子的比荷: = 。
(2)换用不同材料的阴极和不同的气体,所得粒子的_______大体相同。
阴极射线
静电偏转力
磁场偏转力
比荷值
3.结论:
(1)阴极射线是带电粒子流,带_____。
(2)不同物质都能发射这种带电粒子,它是各种物质中共有的成分,比最轻的
氢原子的质量还要小得多,汤姆孙把这种带电粒子称为_____。
4.电子发现的意义:
电子的发现说明原子具有___________, 揭开了人类认识原子结构的序幕,是
19世纪末的三大著名发现之一。
负电
电子
一定的结构
三、汤姆孙原子模型

　
汤姆孙认为,原子带_____的部分应充斥整个原子,很小很轻的_____镶嵌在球体
的某些固定位置,正像葡萄干嵌在面包中那样,这就是原子的___________模型。
正电
电子
葡萄干面包
四、α粒子散射实验
1.实验方法:
用由放射源发射的α粒子束轰击_____,利用荧光屏接收,探测通过_____后的α
粒子分布情况。
2.实验结果:
_________α粒子穿过金箔后,仍沿_______方向前进,但有_____α粒子发生了
较大的偏转,有_______α粒子偏转角超过了90°,有的甚至被_________,α粒
子被反射回来的概率竟然有 。
金箔
金箔
绝大多数
原来的
少数
极少数
原路弹回
五、卢瑟福原子模型
1.核式结构模型:原子内部有一个很小的核,叫作_______,原子的___________
以及_______________都集中在_______内,带负电的_____绕核运动。原子的核
式结构模型又被称为_____模型。
原子核
全部正电荷
几乎全部的质量
原子核
电子
行星
2.原子的大小:
(1)原子直径数量级:_____ m。
(2)原子核直径数量级:_____ m。
10-10
10-15
一　阴极射线与电子的发现
1.阴极射线的产生机理:
通常情况下,气体是不导电的。但在强电场中,气体能够被电离而导电。在研究
气体放电时,一般都用玻璃管中的稀薄气体。当玻璃管中的气体足够稀薄时,阴
极发出的某种射线射在玻璃管壁上而发出荧光,人们把这种射线称为阴极射线。
2.电子的发现:
(1)电子发现的时代背景:
19 世纪后期,人们对阴极射线的本质的认识有两种观点。一种观点认为阴极射
线是一种以太波,另一种观点认为阴极射线是一种带电微粒。为了找到有利于
自己的证据,双方都做了很多实验。
(2)汤姆孙在研究阴极射线时的实验装置如图所示:
(3)实验过程和方法:
①从高压电场的阴极发出的阴极射线,穿过C1C2后沿直线打在荧光屏A′上。
②当在平行极板上只加一如图所示的电场时,发现阴极射线打在荧光屏上的位
置向下偏,则可判定,阴极射线带有负电荷。
③为使阴极射线不发生偏转,需要在平行极板区域加一磁场,且磁场方向垂直
纸面向外。当满足条件qvB=qE时,阴极射线不发生偏转,则v= 。
④使电场强度为0,带电粒子在磁场区内做圆周运动时洛伦兹力提供向心力,
即qvB=m 。将v= 代入可得: 。测量结果大约是1011 C/kg。
(4)实验结论:
用不同材料的阴极和不同的方法做实验,所得比荷的数值大致相等。
3.阴极射线带电性质的判断方法:
(1)阴极射线的本质是电子,在电场(或磁场)中所受电场力(或洛伦兹力)远大于所受重力,故研究电场力(或洛伦兹力)对电子运动的影响时,一般不考虑重力的影响。
(2)带电性质的判断方法。
①粒子在电场中运动如图1所示。
带电粒子受电场力作用运动方向发生改变(粒子质量忽略不计)。带电粒子在
不受其他力的作用时,若沿电场线方向偏转,则粒子带正电;若逆着电场线方向
偏转,则粒子带负电。
②粒子在磁场中运动,如图2所示。
粒子将受到洛伦兹力作用F=qvB,洛伦兹力方向始终与速度方向垂直,利用左手定则即可判断粒子的电性。不考虑其他力的作用,如果粒子按图示方向进入磁场,且做顺时针的圆周运动,则粒子带正电;若做逆时针的圆周运动,则粒子带负电。
【思考?讨论】
汤姆孙通过阴极射线管发现电子,他是通过什么现象确定阴极射线是电子的?
提示:(1)汤姆孙通过实验运用磁偏转力与静电偏转力相抵消的方法,测得阴
极射线的速度v= 。
(2)带电粒子在磁场中做匀速圆周运动,通过列牛顿第二定律方程,得到电子
的比荷。
【典例示范】
向荧光屏看去,电子向我们飞来,在偏转线圈中通以如图所示的电流,电子偏转方向为 (　　)
A.向上　　　B.向下　　　　
C.向左　　　D.向右
【解析】选A。磁环上的偏转线圈通以图示方向的电流时,根据安培定则,在磁环上形成的磁场方向向右,磁场是闭合的,故在磁环中心处的磁场是水平向左的。再根据左手定则,当电子束沿轴线向外射出时,电子束受到向上的洛伦兹力,故电子束的偏转方向向上。故A正确,B、C、D错误。
【素养训练】
关于阴极射线的本质,下列说法正确的是 (　　)
A.阴极射线本质是氢原子
B.阴极射线本质是电磁波
C.阴极射线本质是电子
D.阴极射线本质是X射线
【解析】选C。阴极射线是电子流,电子带负电。故A、B、D错误,C正确。
【补偿训练】
人们对原子结构的认识有一个不断深化的过程,下列先后顺序中符合史实的
是 (　　)
①道尔顿提出的原子论
②德谟克利特的古典原子论
③汤姆孙提出的葡萄干面包原子模型
A.①②③　　　　　　 B.②①③
C.③②① D.③①②
【解析】选B。人们对物质结构的探究经历了漫长的历史进程,从德谟克利特的古典原子论——物质由一种或多种微小的实体组成,到道尔顿提出的原子论——原子是元素的最小单元,再发展为汤姆孙的葡萄干面包原子模型——电子镶嵌在原子的某些固定位置,人们对原子结构的认识有一个不断深化的过程。
二　α粒子散射实验
1.实验背景:
α粒子散射实验是卢瑟福和他的合作者做的一个著名的物理实验,实验的目的是想证实汤姆孙原子模型的正确性,实验结果却成了否定汤姆孙原子模型的有力证据。在此基础上,卢瑟福提出了原子核式结构模型。
2.实验的注意事项:
(1)整个实验装置及实验过程必须在真空中进行。
(2)α粒子是氦核,穿透能力很弱,因此金箔必须很薄,α粒子才能穿过。
3.实验现象:
绝大多数α粒子穿过金箔后,仍沿原来的方向前进,但有少数α粒子发生了较
大的偏转,有极少数α粒子偏转角超过了90°,有的甚至被原路弹回,α粒子被
反射回来的概率可达 。
4.实验分析:
(1)由于电子质量远小于α粒子质量,所以电子不可能使α粒子发生大角度偏转。
(2)使α粒子发生大角度偏转的只能是原子中带正电的部分。按照汤姆孙原子模型,正电荷在原子内是均匀分布的,α粒子穿过原子时,它受到的两侧斥力大部分抵消,因而也不可能使α粒子发生大角度偏转,更不能使α粒子反向弹回,这与α粒子的散射实验相矛盾。
(3)实验现象表明原子绝大部分是空的,原子的几乎全部质量和所有正电荷都集中在原子中心的一个很小的核上,否则,α粒子大角度散射是不可能的。
5.实验意义:
(1)否定了汤姆孙的原子结构模型。
(2)提出了原子核式结构模型,明确了原子核大小的数量级。
6.解决α粒子散射实验问题的技巧:
(1)熟记实验装置及原理。
(2)核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变。
(3)汤姆孙的原子模型不能解释α粒子的大角度散射。
(4)少数α粒子发生了大角度偏转,甚至反弹回来,表明这些α粒子在原子中的
某个地方受到了质量、电荷量均比它本身大得多的物体的作用。
(5)绝大多数α粒子在穿过厚厚的金原子层时运动方向没有明显变化,说明原子
中绝大部分是空的,原子的质量、电荷量都集中在体积很小的核内。
【思考?讨论】
如图所示,用α粒子轰击金箔的实验装置图。
讨论:
(1)用金箔作“靶子”的原因。
提示:①金原子核电荷Q=79e,对α粒子有库仑力的作用;
②金原子核比α粒子的质量大得多,α粒子不会使金原子核发生明显的运动;
③金的延展性好,可制成很薄的箔,能减少α粒子与金原子核发生二次碰撞的可能性。
(2)α粒子散射实验是观看到了原子的核式结构吗?
提示:不是观看到了,而是由实验现象推断出来的。
【典例示范】
(多选)如图为卢瑟福和他的同事们做的α粒子散射实验装置示意图,以下说法
中正确的是 (　　)
A.选择金箔的理由是“金”这种原子具有较大的核电荷数和优良的延展性能
B.观察到α粒子多数进入A,少数进入B,没有进入C和D的
C.原子的直径大小约为原子核的直径大小的10万倍
D.实验装置可以不抽成真空
【解析】选A、C。α粒子散射实验中,选择金箔的理由是“金”这种原子序数
大,则原子核的质量比较大,具有较大的核电荷数和优良的延展性能,故A正确;
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;
估算出原子核的直径约为10-15 m,原子直径大约是10-10 m,所以原子核的直径大
约是原子直径的10万分之一,故C正确;实验装置中,为排除其他因素,必须抽成
真空,故D错误。
【素养训练】
1.在α粒子散射实验中,使少数粒子产生大角度偏转的作用力是 (　　)
A.原子核对α粒子的库仑斥力
B.原子核对α粒子的万有引力
C.原子核对α粒子磁场力
D.核外电子对粒子的引力
【解析】选A。α粒子带正电,原子核质量很大也带正电,它们接近时就表现出很大的库仑斥力作用,使α粒子产生大角度偏转,故A正确,B、C、D错误。
2.关于α粒子散射实验及核式结构模型,下列说法正确的是(　　)
A.从α粒子源到荧光屏处于真空环境中
B.绝大多数α粒子穿过金箔后发生大角度偏转
C.α粒子接近金原子核时,受到很强的吸引力才可能发生大角度偏转
D.α粒子散射实验否定了核式结构模型
【解析】选A。从α粒子源到荧光屏处于真空环境中,选项A正确;绝大多数α粒子穿过金箔后不改变方向,只有极少数的粒子发生大角度偏转,选项B错误;α粒子接近金原子核时,受到很强的排斥力才可能发生大角度偏转,选项C错误;α粒子散射实验建立了原子的核式结构模型,选项D错误。
【补偿训练】
1.卢瑟福利用α粒子轰击金箔的实验研究原子结构,正确反映实验结果的示意图是 (　　)
【解析】选D。实验结果是:离金原子核远的α粒子偏转角度小,离金原子核近的α粒子偏转角度大,正对金原子核的α粒子原路返回,故A、B、C错误,D正确。
2.(多选)在α粒子散射实验中,当α粒子最接近金原子核时,符合下列哪种情
况 (　　)
A.动能最小
B.电势能最小
C.α粒子和金原子核组成的系统的能量最小
D.加速度最大
【解析】选A、D。α粒子带正电,金原子核也带正电,二者互相排斥,因此距离越近,速度越小,距离最近的时候动能最小,库仑力最大,所以加速度也最大,故A、D正确;全程库仑力做负功,因此电势能增加,距离最近时达到最大值,故B错误;α粒子和金原子核组成的系统的能量不变,故C错误。
三　汤姆孙原子模型与卢瑟福原子模型
1.两种原子模型:

(1)汤姆孙原子模型的特点:汤姆孙认为原子是一个直径约为10-10 m的球体,正
电荷均匀分布在整个球体中,带负电的电子嵌在其中,就好像面包中嵌着一粒
粒葡萄干一样。
(2)卢瑟福的原子模型的特点:卢瑟福认为原子有些像太阳系,电子绕核运动就像太阳系的行星绕太阳运动一样,因此,卢瑟福的核式结构模型又被称为行星模型。
2.两种原子模型的对比:
汤姆孙的葡萄干面包模型
卢瑟福的原子核式模型
分布
情况
正电荷和质量均匀分布,负电荷镶嵌在其中
正电荷以及几乎全部质量集中在原子中心的一个极小核内,电子质量很小,分布在很大空间内
受力
情况
α粒子在原子内部时,受到的库仑斥力相互抵消,几乎为零
少数靠近原子核的α粒子受到的库仑力大,而大多数离核较远的α粒子受到的库仑力较小
汤姆孙的葡萄干面包模型
卢瑟福的原子核式模型
偏转
情况
不会发生大角度偏转,更不会弹回
绝大多数α粒子运动方向不变,少数α粒子发生大角度偏转,极少数α粒子偏转角度超过90°,有的甚至被弹回
分析
结论
不符合α粒子散射现象
符合α粒子散射现象
3.原子核式结构的含义:
(1)原子内的电荷关系:原子核的电荷数与核外的电子数相等,非常接近它们的原子序数。
(2)原子核的组成:原子核由质子和中子组成,原子核的电荷数等于原子核的质子数。
(3)原子半径的数量级是10-10m,原子核半径的数量级是10-15m,两者相差十万倍之多。
【思考?讨论】
卢瑟福无法用汤姆孙原子结构模型解释α粒子发生大角度散射现象,卢瑟福经
过严谨的理论推导,于1911年提出了原子的核式结构模型。

思考:(1)电子为什么不因为受到库仑力的吸引而落到原子核上?
(2)两种原子模型的主要区别是什么?
提示:(1)因为电子绕核运转,正如地球绕太阳运转一样,库仑力提供向心力。
(2)汤姆孙原子模型认为:正电荷和质量均匀分布,负电荷镶嵌在其中;卢瑟福原子模型认为:原子的全部正电荷以及几乎全部质量都集中在原子中心的一个极小的核内,电子质量很小,分布在很大空间内。
【典例示范】
如图所示为原子核式结构模型的α粒子散射情景,图中实线表示α粒子运动轨
迹,其中一个α粒子在从a运动到b、再运动到c的过程中,α粒子在b点时距原子
核最近,下列说法正确的是 (　　)
A.α粒子从a到c的运动过程中加速度大小先增大后减小
B.卢瑟福在α粒子散射实验中发现了电子
C.α粒子从a到c的运动过程中电势能先减小后增大
D.α粒子出现较大角度偏转的原因是α粒子运动到b时受到的库仑引力较大
【思维·建模】
【解析】选A。根据点电荷周围电场可知,距离原子核近的地方电场强度大,故越靠近原子核加速度越大,因此α粒子加速度大小先增大后减小,故A正确;α粒子的散射实验说明了原子具有核式结构,并不能发现电子,故B错误;α粒子从a到c的运动过程中,受到原子核的斥力,斥力先做负功,过了b后斥力做正功,因此电势能先增大后减小,故C错误;α粒子出现较大角度偏转的原因是α粒子接近原子核时受到的库仑斥力较大,故D错误。
【素养训练】
1.关于α粒子的散射实验,下列说法正确的是 (　　)
A.α粒子穿过金箔后多数发生了大角度的偏转
B.α粒子的散射实验发现了质子
C.α粒子的散射实验表明原子的正电荷和几乎全部质量均匀分布在一个球上
D.α粒子的散射实验表明原子的正电荷和几乎全部质量集中在一个很小的核上
【解析】选D。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,才会受到很大的库仑斥力,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α粒子发生大角度的偏转,而绝大多数基本按直线方向前进,故A、C错误,D正确;卢瑟福在用α粒子轰击金箔的实验中提出原子具有核式结构,故B错误。
2.(多选)关于α粒子的散射实验的解释有下列几种说法,其中错误的是 (　　)
A.从α粒子的散射实验数据,可以估算出原子核的大小
B.极少数α粒子发生大角度的散射的事实,表明原子中有一个质量很大而体积很小的带正电的核存在
C.证明了质子的存在
D.绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进,表明原子中正电荷是均匀分布的
【解析】选C、D。从α粒子的散射实验数据,可以估算出原子核的大小,A项正确;极少数α粒子发生大角度的散射的事实,表明原子中有一个质量很大而体积很小的带正电的核存在,B项正确;数年后,卢瑟福发现核内有质子并预测核内存在中子,C项错误;绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进,表明原子中是比较空旷的,D项错误。
【拓展例题】考查内容:由α散射实验估算原子核大小
【典例】在α粒子散射实验中,根据α粒子与原子核发生对心碰撞时所能达到
的最小距离就可以估算原子核的大小,现有一个α粒子以2.0×107m/s的速度去
轰击金箔,若金原子的核电荷数为79,求该α粒子与金原子核之间的最近距离。
(已知带电粒子在点电荷电场中的电势能表达式为Ep=k ,α粒子质量为
6.64×10-27kg)
【解析】α粒子散射实验使人们认识到原子的核式结构,从能量转化角度看,当
α粒子靠近原子核运动时,α粒子的动能转化为电势能,达到最近距离时,动能
全部转化为电势能,可以估算原子核的大小。
α粒子与原子核发生对心碰撞时所能达到的最小距离为d,由能量守恒有

d= m
=2.7×10-14m。
答案:2.7×10-14m
【课堂回眸】
1.阴极射线从阴极射线管中的阴极发出,在其间的高电压下加速飞向阳极,如图所示,若要使射线向上偏转,所加磁场的方向应为 (　　)
A.平行于纸面向左　　　　　　　
B.平行于纸面向上
C.垂直于纸面向外
D.垂直于纸面向里
【解析】选C。应用左手定则判断洛伦兹力时,四指指向电子运动的反方向,磁场穿过掌心,则大拇指所指方向为受力方向,故所加的磁场垂直于纸面向外,所以A、B、D错误,C正确。
2.如图所示为卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验装置的示意图,荧光屏和
显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时,观察到的现象,下述说法中
正确的是 (　　)
A.放在A位置时,相同时间内观察到屏上的闪光次数最少
B.放在B位置时,相同时间内观察到屏上的闪光次数最多
C.放在C位置时,屏上仍能观察一些闪光,但次数极少
D.放在D位置时,屏上观察不到闪光
【解析】选C。α粒子散射实验结果是:绝大多数α粒子几乎不发生偏转;少数α粒子发生了较大的角度偏转;极少数α粒子发生了大角度偏转(偏转角度超过90°,有的甚至几乎达到180°,被反弹回来)。所以A位置时,相同时间内观察到屏上的闪光次数最多,故A、B错误;放在C位置时,屏上仍能观察一些闪光,但次数极少,故C正确;放在D位置时,屏上可以观察到闪光,只不过很少很少,故D错误。
3.卢瑟福指导他的助手进行的α粒子散射实验所用仪器的示意图如图所示。放
射源发射的α粒子打在金箔上,通过显微镜观察散射的α粒子。实验发现,绝大
多数α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来方向前进,但少数α粒子发生了大角度
偏转,极少数的角度甚至大于90°,于是卢瑟福大胆猜想 (　　)
A.原子核内存在中子
B.原子核内存在质子
C.电子围绕原子核运动
D.原子内部有体积很小、质量很大的核
【解析】选D。查德威克通过实验证实了原子核内中子的存在,故A错误;卢瑟福用α粒子轰击氮核,证实了在原子核内存在质子,故B错误;卢瑟福的α粒子散射实验不能说明电子围绕原子核运动,故C错误;从绝大多数α粒子几乎不发生偏转,可以推测使粒子受到排斥力的核体积极小,说明原子的中心有一个体积很小的核;极少数发生了大角度的偏转,说明原子中心的核带有原子的全部正电和绝大部分质量,故D正确。
4.(多选)用α粒子轰击金箔,α粒子在接近金原子核时发生偏转的情况如图所示,则α粒子的路径可能是 (　　)
A.a　　　　　　　　
B.b
C.c
D.a、b、c都是不可能的
【解析】选A、C。α粒子在穿过金箔时轨迹发生大角度偏转的主要原因是金原子核对α粒子的静电力作用。由于电子质量太小,对α粒子的运动影响甚微,α粒子和金原子核均带正电,故应相互排斥,轨迹a、c是符合实验情况的轨迹。α粒子与原子核(金核)通过库仑力发生作用,二者表现为斥力,而b路径表现为引力,故B不正确。
【新思维·新考向】
情境:1909年英国科学家卢瑟福进行了著名的α粒子(带正电)轰击金箔实验。结果发现:绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进,但是有少数α粒子却发生了较大的偏转,并且有极少数α粒子的偏转超过90°,有的甚至几乎达到180°,像是被金箔弹了回来。
问题:
(1)1 μm厚的金箔包含了3 000层金原子,绝大多数α粒子穿过后方向不变,说
明什么?
(2)科学家对原子结构的探究经历了三个过程,通过α粒子散射实验,你认为原
子结构是哪个?
【解析】(1)原子的质量分布不均匀,原子内部绝大部分空间是空的。
(2)通过上述实验,能说明原子结构:原子核位于原子的中心,质量主要集中在原子核上,应选C。
答案:见解析