第四章第3节原子的核式结构模型

选择性必修三学案第四章原子结构和波粒二象性第3节原子的核式结构模型一、新课标要求1.知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分，知道电子的电荷量。2.了解汤姆孙发现电子的研究方法及蕴含的科学思想，领会电子的发现对揭示原子结构的重大意义。3.知道α粒子散射实验的实验器材、实验原理和实验现象。4.知道卢瑟福的原子核式结构模型的主要内容，知道原子核半径的数量级。二、科学素养要求1.物理观念：知道阴极射线及本质，了解电子及其比荷，知道原子的核式结构模型及原子核的电荷量与尺度。2.科学思维：知道电子的电荷量、原子的核式结构模型，能够通过科学推理解决相关的问题。3.科学探究：探究阴极射线的本质，理解α粒子散射实验，揭示实验本质，得出结论，体会科学家的探索方法，提高观察与实验的能力。4.科学态度与责任：通过学习体验科学家探索科学的艰辛，坚持实事求是的科学态度，培养积极探索科学的兴趣。三、教材研习要点原子的核式结构模型1911年，卢瑟福提出了自己的原子结构模型①，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。正电体的尺度是很小的，称为原子核。自主思考①在探究原子内部结构的过程中，卢瑟福说:“我知道了，原子到底是什么样的……可以将它想象成一个小的太阳系。”怎样理解这段话？答案：提示在原子的中心有一个很小的核，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，带负电的电子在核外空间运动，这就像行星绕太阳运转一样，原子内部就像一个小型的太阳系。名师点睛理解建立核式结构模型的要点：（1）汤姆孙的原子模型不能解释α粒子的大角度散射。（2）原子核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变。（3）少数α粒子发生了大角度偏转，极少数甚至反弹回来，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。（4）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，原子的正电荷和几乎全部质量都集中在体积很小的核内。四、互动探究探究点一、电子的发现情境探究1.在如图所示的演示实验中，K和A之间加上高电压后，玻璃管壁上观察到淡淡的荧光及管中物体在玻璃管壁上的影，这说明阴极能够发出某种射线，并且撞击玻璃引起荧光。（1）人们对这种阴极射线的本质的认识有两种观点，一种观点认为是电磁辐射，另一种观点认为是带电微粒，如何用实验判断哪种观点正确？（2）根据带电粒子在电、磁场中的运动规律，哪些方法可以判断运动的带电粒子所带电荷的电性？答案：（1）提示可以让阴极射线通过电场或磁场，比如射线沿垂直于磁场方向通过磁场后发生了偏转，则说明该射线是由带电微粒组成的。（2）提示判断粒子所带电荷的正负，可以让粒子以一定的初速度垂直于电场线的方向进入一匀强电场，如果粒子沿着电场线的方向偏转，则粒子带正电。也可以让粒子以一定的速度垂直于磁感线的方向进入一匀强磁场，由左手定则也可以判断粒子的电性。探究归纳1.对阴极射线本质的认识——两种观点两种观点代表人物观点内容电磁波说赫兹阴极射线是一种电磁辐射粒子说汤姆孙阴极射线是一种带电粒子流2.阴极射线带电性质的判断方法（1）方法一：在阴极射线所经区域加上电场，通过打在荧光屏上的亮点的变化和电场的情况确定阴极射线带电性质。如图所示带电粒子在电场中运动，受电场力作用运动发生改变（粒子重力忽略不计）。带电粒子在不受其他力时，沿电场线方向偏转时，粒子带正电，逆电场线方向偏转时，粒子带负电。（2）方法二：在阴极射线所经区域加一磁场，根据亮点位置的变化和左手定则确定带电的性质。如图所示粒子将受到洛伦兹力作用，速度方向始终与洛伦兹力方向垂直，利用左手定则，即可判断粒子的电性。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；如做逆时针的圆周运动，则粒子带负电。3.电子比荷（或电荷量）的测定方法（1）让粒子通过正交的电磁场（如图），让其做直线运动，根据二力平衡，即F洛=F（2）在其他条件不变的情况下，撤去电场，保留磁场让粒子在磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力即Bqv=mv2r，根据粒子运动的轨迹由几何知识求出其半径（3）当电子在匀强电场中偏转时，y=14.电子发现的意义电子是人类发现的第一个比原子小的粒子。电子的发现，打破了原子不可再分的传统观念，使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也有内部结构。从此，原子物理学飞速发展，人们对物质结构的认识进入了一个新时代。汤姆孙也由于发现了电子，不仅荣获了1906年诺贝尔物理学奖，而且被后人誉为“最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。探究应用例（多选）关于电子的发现，下列叙述中正确的是()A.电子的发现，说明原子是由电子和原子核组成的B.电子的发现，说明原子具有一定的结构C.电子被人类发现前，人们认为原子是组成物质的最小微粒D.电子的发现，比较好地解释了物体的带电现象答案：B;C;D解析：发现电子之前，人们认为原子是不可再分的最小粒子，电子的发现，说明原子有一定的结构，B、C两项正确；物体带电的过程，就是电子的得失和转移的过程，D项正确。迁移应用1.关于电荷的电荷量下列说法错误的是()A.电子的电荷量是由密立根通过油滴实验测得的B.物体所带电荷量可以是任意值C.物体所带电荷量最小值为1.6×D.物体所带的电荷量都是元电荷的整数倍答案：B解析：密立根的油滴实验测出了电子的电荷量为1.6×10-19C2.（★）如图所示为汤姆孙用来测定电子比荷的装置。当极板P和P'间不加偏转电压时，电子束打在荧光屏的中心O点处，形成一个亮点；加上偏转电压U后，亮点偏离到O'点，O'点到O点的竖直距离为d，水平距离可忽略不计；此时在P与P'之间的区域里再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场，调节磁感应强度，当其大小为B时，亮点重新回到O点。已知极板水平方向长度为L1（1）求打在荧光屏O点的电子速度的大小；（2）推导出电子比荷的表达式。答案：（1）UBb（2）解析：（1）当电子受到的电场力与洛伦兹力平衡时，电子做匀速直线运动，亮点重新回到中心O，设电子的速度为v，则evB=eE，得v=EB，即（2）当极板间仅有偏转电场时，电子以速度v进入后，竖直方向做匀加速运动，加速度为a=eU电子在水平方向做匀速运动，在电场中的运动时间t1这样，电子在电场中，竖直向上偏转的距离为d1离开电场时竖直向上的分速度vy电子离开电场后做匀速直线运动，经t2时间到达荧光屏，t2=L2这样，电子向上的总偏转距离为d=d1+探究点二、α粒子散射实验和原子的核式结构模型情境探究1.如图为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的α粒子散射实验时的实验装置，阅读课本，完成以下探究。（1）α粒子是什么？（2）实验装置由几部分组成？实验过程是怎样的？（3）α粒子散射实验的实验现象是什么？（4）α粒子射入金箔时，难免与电子碰撞，试分析这种碰撞对α粒子速度影响的大小？（5）按照汤姆孙的原子模型，正电荷是均匀分布在整个原子中的，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？（6）α粒子散射实验能不能观察到原子的实际结构？答案：（1）α粒子(24He)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（2）实验装置有：α粒子源、金箔、显微镜和荧光屏。其中α粒子源是把放射性物质放在带小孔的铅盒中，放射出高能的α粒子；金箔的特点是金原子的质量大，且易延展成很薄的箔，α粒子很容易穿过；显微镜能绕金箔在水平面内转动；荧光屏装在显微镜上。整个实验过程需在真空中进行。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，由于金原子中的带电粒子对α粒子有库仑力作用，一些α粒子会改变原来的运动方向。带有显微镜的荧光屏可以沿图中虚线转动，以统计向不同方向散射的α粒子的数目。（3）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大于90∘（4）假设α粒子与电子发生弹性正碰（电子原来是静止的），设α粒子初速度为v，质量为M，与电子碰后速度为v1，电子质量为m，与α粒子碰后速度为v2，由动量守恒定律可得由能量守恒定律可得1联立解得碰撞后α粒子速度为v1α粒子速度变化量为Δv=v1-v=-2mvM+m，把M=7300m代入上式得Δv=-0.0003v（5）按照汤姆孙的模型，正电荷是均匀分布在整个原子中的，当α粒子穿过原子时受到的各个方向上的正电荷的斥力会相互抵消很多，沿直线运动的可能性最大，最不可能沿着很大的角度甚至180∘（6）粒子散射实验并不能观察到原子的实际结构，它只能由α粒子通过金箔时的散射情况，推断出金原子的核式结构模型。探究归纳1.对α粒子散射实验的理解（1）现象及解释①绝大多数的α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，因为大多数α粒子离金原子核较远。②少数α粒子发生较大的偏转，发生较大偏转的α粒子是由于离金原子核较近，库仑斥力较大。③极少数α粒子偏转角度超过90∘，有的几乎达到180∘，正对或基本正对着金原子核入射的（2）实验的注意事项①整个实验过程在真空中进行。②金箔需要做得很薄，α粒子才能穿过。③使用金箔的原因是金的延展性好，可以做得很薄，另外一点就是金的原子序数大，α粒子与金核间的库仑斥力大，偏转明显。（3）α粒子的受力及能量转化情况①α粒子的受力情况α粒子与原子核间的作用力是库仑斥力F=kQqα粒子离原子核越近，库仑力越大，运动加速度越大；反之，则越小。方向：α粒子的受力沿原子核与α粒子的连线，由原子核指向α粒子。②库仑力对α粒子的做功情况当α粒子靠近原子核时，库仑力做负功，电势能增加；当α粒子远离原子核时，库仑力做正功，电势能减小。③α粒子的能量转化情况仅有库仑力做功，能量只在电势能和动能之间相互转化，而总能量保持不变。2.原子的核式结构模型（1）原子的核式结构与原子的枣糕模型的比较核式结构枣糕模型原子内部是非常空旷的，正电荷集中在一个很小的核原子是充满了正电荷的球体电子绕核高速旋转电子均匀嵌在原子球体内（2）核式结构模型对α粒子散射实验结果的解释①当α粒子穿过原子时，如果离核较远，受到原子核的斥力很小，α粒子就像穿过“一片空地”一样，无遮无挡，运动方向改变很小，因为原子核很小，所以绝大多数α粒子不发生偏转。②只有当α粒子十分接近原子核时，才受到很大的库仑力作用，发生大角度偏转，而这种机会很少。③如果α粒子正对着原子核射来，偏转角几乎达到180∘3.原子核的电荷与尺度原子内的电荷关系原子核的电荷数即核内质子数，与核外的电子数相等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原子核的大小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10探究应用【典例】关于α粒子散射实验的下述说法中正确的是()A.实验表明原子中心的核带有原子的全部正电及全部质量B.实验表明原子中心有一个较大的核，它占有原子体积的较大部分C.在实验中观察到的现象是绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来方向前进，少数发生了较大偏转，极少数偏转超过90∘，有的甚至被弹回接近D.使α粒子发生明显偏转的力是来自带正电的核及核外电子，当α粒子接近核时是核的斥力使α粒子发生明显偏转，当α粒子接近电子时，是电子的吸引力使之发生明显偏转答案：C解析：验表明原子中心的核带有原子的全部正电，但不是全部质量，故A项错误；α粒子散射实验的内容是：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），使α粒子发生明显偏转