人教版高中物理选择性必修第三册第四章3原子的核式结构模型课件

3．原子的核式结构模型第四章

原子结构和波粒二象性整体感知·自我新知初探[学习任务]

任务1．知道发现电子的意义，体会电子发现过程中蕴含的科学方法。任务2．了解α粒子散射实验原理和实验现象。任务3．了解卢瑟福的原子核式结构模型。知道原子和原子核大小的数量级。任务4．认识原子核式结构模型建立的科学推理与论证过程。[问题初探]

问题1．阴极射线有什么特点？问题2．谁发现了电子？电子的发现对人类探索微观世界有什么重大意义？问题3．为什么α粒子散射实验中选金箔作为“靶子”？问题4．核电荷数等于质子数，也等于中子数吗？[思维导图]探究重构·关键能力达成1．阴极射线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，这种射线称为________。知识点一电子的发现阴极射线2．汤姆孙的探究方法及结论(1)根据阴极射线在____和____中的偏转情况断定，它的本质是带__电的粒子流，并求出了这种粒子的比荷。(2)换用________的阴极做实验，所得比荷的数值都____，是氢离子比荷的近两千倍。(3)结论：阴极射线粒子带负电，其电荷量的大小与氢离子________，而质量比氢离子______，后来组成阴极射线的粒子被称为____。电场磁场负不同材料相同大致相同小得多电子

[微提醒]

电子的发现说明原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也有结构，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。密立根油滴实验602×10-19Ce的整数倍1836如图所示为汤姆孙的气体放电管。问题1．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？问题2．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？提示：1．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。2．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。1．阴极射线带电性质的判断方法(1)在阴极射线所经区域加上电场，通过打在荧光屏上的亮点位置的变化和电场的情况确定阴极射线的带电性质。(2)在阴极射线所经区域加一磁场，根据荧光屏上亮点位置的变化和左手定则确定阴极射线的带电性质。2．实验结果根据阴极射线在电场中和磁场中的偏转情况，判断出阴极射线是粒子流，并且带负电。

思路点拨：先由安培定则判定通电直导线在阴极射线管处产生的磁场方向，再由左手定则判定受力方向。D

[由题目条件不难判断阴极射线管所在处磁场垂直纸面向外，电子从负极射出，由左手定则可判定阴极射线(电子束)向上偏转。故正确选项为D。]【典例1】

(判断射线的电性)如图所示，在阴极射线管正上方平行放一通有强电流的长直导线，则阴极射线(电子束)将(

)A．向纸内偏转

B．向纸外偏转C．向下偏转

D．向上偏转√【典例2】

(电子比荷的测定)汤姆孙用来测定电子的比荷(电子的电荷量与质量之比)的实验装置如图所示。真空管内的阴极K发出的电子(不计初速度、重力和电子间的相互作用)经K、A间加速电压加速后，穿过小孔C沿中心轴O1O的方向进入到两块水平正对放置的平行极板P和P′间的区域内。当极板间不加偏转电压时，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′点与O点的竖直间距为d，水平间距可忽略不计)。此时，在P和P′间的区域内，再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场。调节磁场的强弱，当磁感应强度的大小为B时，亮点重新回到O点。已知极板水平方向的长度为L1，极板间距为b，极板右端到荧光屏的距离为L2。(1)求打在荧光屏O点的电子速度的大小。(2)推导出电子的比荷的表达式。(3)上述实验中，未记录阴极K与阳极A之间的加速电压U0，根据上述实验数据能否推导出U0的表达式？说明理由。

【教用·备选例题】一个半径为1.64×10-4cm的带负电的油滴，在电场强度大小为1.92×105N/C的匀强电场中，如果油滴受到的电场力恰好与重力平衡，问：(1)电场方向如何？(2)这个油滴带有几个电子的电荷量？(已知油的密度为0.851×103kg/m3，g取10m/s2)思路点拨：重力方向竖直向下，电场力与重力平衡，说明电场方向竖直向下。已知油滴的体积与密度，可求出重力，从而利用受力平衡的条件，求得油滴所带电荷量。

[答案]

(1)竖直向下(2)5个拓展电场存在于图中两条虚线之间的区域，即带相反电荷的平行金属板之间。倘若上方金属板开有小孔，油滴从上方滴落，在重力作用下加速，并从上金属板的小孔进入电场，调节电场强度的大小，直到油滴在电场中匀速下落，即可测出油滴所带的电荷量。[链接教材]

(1)α粒子射入金箔时难免与电子碰撞。试估计这种碰撞对α粒子速度影响的大小。(2)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。请分析：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。

(3)α粒子散射实验装置有什么巧妙之处？知识点二原子的核式结构模型原子核的电荷与尺度提示：(1)α粒子质量比电子大得多，因此α粒子与电子碰撞时速度几乎不受影响。(2)α粒子如果从原子之间或原子的中心轴线穿过，它受到周围正负电荷的库仑力是平衡的，故α粒子沿直线前进的可能性最大，最不可能发生大角度偏转。(3)显微镜可在一个圆周上运动，统计各个不同位置相同时间内接收到的粒子数就可以确定α粒子穿过金箔后的偏转情况。1．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，______弥漫性地均匀分布在整个球体内，____镶嵌其中，如图所示。有人形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“枣糕模型”。正电荷电子2．α粒子散射实验(1)α粒子散射实验装置由________、____、显微镜等几部分组成，实验时从α粒子放射源到荧光屏这段路程处于____中。(2)实验现象①_________的α粒子穿过金箔后，基本上仍沿____的方向前进。②____α粒子发生了______偏转，极少数偏转的角度甚至________，它们几乎被“撞了回来”。(3)实验意义：卢瑟福通过α粒子散射实验，否定了汤姆孙的原子模型，建立了________模型。α粒子源金箔真空绝大多数原来少数大角度大于90°核式结构3．核式结构模型：原子中带__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。4．原子核的电荷与尺度(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____数，非常接近它们的____序数，这说明元素周期表中的各种元素是按原子中的____数来排列的。(2)原子核的组成：原子核是由____和____组成的，原子核的电荷数就是核中的____数。正电子原子电子质子中子质子(3)原子核的大小：用核____描述核的大小。一般的原子核，实验确定的核半径的数量级为______m，而整个原子半径的数量级是______m，两者相差十万倍之多。[微提醒]

α粒子散射实验的巧妙之处：高速α粒子，电荷量是氢离子的2倍，质量是氢离子的4倍，是电子的7300倍，速度是光速的十分之一，能量巨大。半径10-1510-10如图所示为卢瑟福所做的α粒子散射实验装置的示意图。问题1．该实验中为什么用金箔作靶子？问题2．当把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，哪个位置相同时间内观察到屏上的闪光次数最多？提示：1．金原子核原子序数大，对α粒子产生的库仑斥力大，α粒子偏转明显。金的延展性好，可以做得很薄。2．在A处相同时间内观察到屏上的闪光次数最多。1．原子的核式结构模型与汤姆孙模型的根本区别核式结构模型汤姆孙模型原子内部是非常空旷的，正电荷集中在一个很小的核里。原子是均匀地充满了正电荷的球体。电子绕核高速运转。电子镶嵌在原子球体内。提醒：卢瑟福提出的原子核式结构模型中，带正电的原子核像太阳，带负电的电子像绕着太阳运转的行星。在这个“太阳系”中，它们之间的作用力是电磁相互作用力。因而这个模型又被称为“行星模型”。2．原子的核式结构模型对α粒子散射实验的解释当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，运动方向改变极少，由于原子核很小，所以绝大多数α粒子不发生偏转；只有当α粒子十分接近原子核穿过，受到很大的库仑斥力时，偏转角才很大，但这种机会很少；如果α粒子几乎正对着原子核射来，偏转角就几乎达到180°，这种机会极少。如图所示。【典例3】

(α粒子散射实验现象)如图所示，α粒子散射实验中，移动显微镜M分别在a、b、c、d四个位置观察，则(

)A．在a处观察到的是金原子核B．在b处观察到的是电子C．在c处不能观察到任何粒子D．在d处能观察到α粒子√D

[α粒子散射实验中用α粒子轰击金箔，观察到的现象是绝大多数的α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向继续前进，有少数的α粒子运动轨迹发生了较大的偏转，极少数的α粒子甚至被弹回，实验中用显微镜观察到的实际上是α粒子，在c处能观察到少数发生较大偏转的α粒子，在d处则能观察到极少数被弹回的α粒子，故D正确，A、B、C错误。]【典例4】

(α粒子散射实验现象分析)根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。如图所示为α粒子散射图景，图中实线表示α粒子的运动轨迹，则关于α粒子散射实验，下列说法正确的是(

)A．根据α粒子散射实验可以估算原子大小B．图中的α粒子反弹是因为α粒子与金原子核发生了直接碰撞C．绝大多数α粒子沿原方向继续前进说明了带正电的原子核占据原子的空间很小D．图中大角度偏转的α粒子的电势能先减小后增大√C

[根据α粒子散射实验可以估算原子核的大小，A错误；题图中的α粒子反弹是因为α粒子与金原子核之间的库仑斥力作用，并没有发生碰撞，B错误；绝大多数α粒子沿原方向继续前进说明了带正电的原子核占据原子的空间很小，C正确；题图中大角度偏转的α粒子，库仑斥力先做负功后做正功，故电势能先增大后减小，D错误。]【典例5】

(原子的核式结构)根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。如图表示了原子核式结构模型的α粒子散射图景。图中实线表示α粒子的运动轨迹。其中—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)，下列判断中正确的是(

)A．α粒子的动能先增大后减小B．α粒子的电势能先增大后减小C．α粒子的加速度先变小后变大

D．电场力对α粒子先做正功后做负功√B

[α粒子先靠近原子核，然后又远离原子核，则在运动过程中，库仑力对α粒子先做负功后做正功，所以其电势能先增大后减小，由动能定理知，动能先减小后增大，B正确，A、D错误；α粒子受到的库仑力先增大后减小，由牛顿第二定律知，加速度先增大后减小，C错误。]应用迁移·随堂评估自测1．人们在研究原子结构时提出过许多模型，其中比较有名的是“枣糕模型”和核式结构模型，它们的模型示意图如图所示。下列说法正确的是(

)A．α粒子散射实验与“枣糕模型”和核式结构模型的建立无关B．科学家通过α粒子散射实验否定了“枣糕模型”，建立了核式结构模型C．科学家通过α粒子散射实验否定了核式结构模型，建立了“枣糕模型”D．科学家通过α粒子散射实验否定了“枣糕模型”和核式结构模型，建立了玻尔的原子模型√B

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