高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册3 原子的核式结构模型教案

原子的核式结构模型

【教学目标】

一、知识与技能

1．了解阴极射线及电子发现的过程。

2．了解原子结构模型建立的历史过程及各种模型建立的依据。

3．知道??粒子散射实验的实验方法和实验现象，及原子核式结构模型的主要内容。

二、过程与方法

1．通过对??粒子散射实验结果的讨论与交流，培养学生对现象的分析中归纳中得出结论的逻辑推理能力。

2．通过核式结构模型的建立，体会建立模型研究物理问题的方法，理解物理模型的演化及其在物理学发展过程中的作用。

3．了解研究微观现象的方法。

三、情感、态度与价值观

1．理解人类对原子的认识和研究经历了一个十分漫长的过程，这一过程也是辩证发展的过程，根据事实建立学说，发展学说，或是决定学说的取舍，发现新的事实，再建立新的学说。人类就是这样通过光的行为，经过分析和研究，逐渐认识原子的。

2．通过对原子模型演变的历史的学习，感受科学家们细致、敏锐的科学态度和不畏权威、尊重事实、尊重科学的科学精神。

3．通过对原子结构的认识的不断深入，使学生认识到人类对微观世界的认识是不断扩大和加深的，领悟和感受科学研究方法的正确使用对科学发展的重要意义。

【教学重点】

1．电子的发现。

2．原子的核式结构模型。

【教学难点】

??粒子散射实验。

【教学过程】

一、新课导入

很早以来，人们一直认为构成物质的最小粒子是原子。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。

实验演示：观察阴极射线管

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？

二、新课教学

（一）电子的发现

对于阴极射线的本质，有大量的科学家作了大量的科学研究，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。

思考：你能否设计一个实验来进行阴极射线的研究，能通过实验现象来说明这种射线是一种电磁波还是一种高速粒子流。

如果出现什么样的现象就可以认为这是一种电磁波，如果出现其他什么样的现象就可以认为这是一种高速粒子流，能否测定这是一种什么粒子。

1．汤姆孙的研究

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，从高压电场的阴极发出的阴极射线，穿过D1D2后沿直线打在荧光屏P上。

思考：

（1）实验目的是什么？

（2）判断阴极射线是否是带电粒子流的基本方法是什么？

（3）测阴极射线比荷的基本思路是怎样的？

（4）哪些量可以当作已知量处理？

教师解答：

（1）实验目的：

①判断阴极射线是否带电。

②如果阴极射线带电，则测出其比荷。

（2）判断阴极射线是否是带电粒子流的基本方法是什么？

让带电粒子通过电场或磁场，观察它是否偏转。

如果偏转则带电，否则不带电。

（3）测阴极射线比荷的基本思路是怎样的？

①先加电场使阴极射线偏转。

②再加磁场，调整电场磁场的强度，使阴极射线不偏转。

③每个阴极射线微粒受到的库仑力等于洛伦兹力，求出阴极射线的速度。

④只保留磁场，阴极射线只受洛伦兹力，做匀速圆周运动，再求比荷。

（4）哪些量可以当作已知量处理？

场强E，磁感应强度B，圆周运动的半径r。

教师：施加电场E之后，射线发生偏转并射到屏上P2处。由此可以推断阴极射线带有什么性质的电荷？怎么判断的？

学生：带负电，因为场强E的方向竖直向上，而射线向下偏，说明电场力F的方向竖直向下，所以射线带负电。

教师：再加磁场抵消阴极射线的偏转，使它从P2点回到P1，需要在两块金属板之间的区域再施加一个大小、方向合适的磁场。

这个磁场的方向是？根据什么判断？

学生：垂直于黑板面向外，用左手定则判断。

教师：怎么得到不偏转的时候电子的速度？

学生：设粒子质量为m，带电荷为e，受到磁场力和电场力的作用，如果不发生偏转，则受力平衡：

，

，得：

教师：如果偏转P3，我们可以得到什么？

去掉D1、D2间的电场E，只保留磁场B，阴极射线在有磁场的区域将会形成一个半径为r的圆弧（r可以通过P3的位置算出）。

得：

2．实验结论：阴极射线是带负电的粒子流。还可求出这种粒子的比荷。

汤姆孙还发现用不同材料的阴极做实验，比荷数值都相同。

说明：不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物质的共有成分。

汤姆孙还由实验测得的阴极射线的比荷是氢离子的比荷近2000倍。后来，汤姆孙直接测到了阴极射线粒子的电荷量，尽管当时测量很不准确，但足以证明这种粒子的电荷量与氢离子大致相同，质量比氢离子小得多。

发现电子以后，汤姆孙进一步研究又发现了许多新现象：

金属受热→热离子流

紫外线照射→光电流

放射性物质→β射线

汤姆孙后续的实验粗略测出了这种粒子的电荷量确实与氢离子的电荷量差别不大，证明了汤姆孙的猜测是正确的。汤姆生把新发现的这种粒子称之为电子。

第一次较为精确测量出电子电荷量的是美国物理学家密立根利用油滴实验测量出的。密立根通过实验还发现，电荷具有量子化的特征。即任何电荷只能是e的整数倍。

电子的电荷量：e＝1.60217733×10-19C

电子的质量：m＝9.1093897×10-31kg

（二）原子的核式结构模型

1．汤姆孙的原子模型在J.J.汤姆孙发现电子之后，对于原子中正负电荷如何分布的问题，科学家们提出了许多模型。J.J.汤姆孙本人于1898年提出了一种模型。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。有人形象地把他的这个模型称为“西瓜模型”或“枣糕模型”。这个模型能够解释一些实验现象。但德国物理学家勒纳德1903年做了一个实验，使电子束射到金属膜上，发现较高速度的电子很容易穿透原子。这说明原子不是一个实心球体，这个模型可能不正确。之后不久，??粒子散射实验则完全否定了这个模型。

2．??粒子散射实验

根据汤姆生模型猜想的结果：

电子质量很小，对??粒子的运动方向不会发生明显影响；由于正电荷均匀分布，??粒子所受库仑力也很小，故??粒子偏转角度不会很大。

教师演示实验，根据演示的实验描述实验现象：

（1）绝大多数??粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进；

（2）少数??粒子（约占8000分之一）发生了较大的偏转；

（3）极少数??粒子的偏转超过了90°，有的甚至几乎被撞了回来。

这个现象让卢瑟福很是震惊，在晚年曾说过：这是我一生中最不可思议的事件，就像你对着一张纸发射一枚炮弹，却被反射回来的炮弹击中一样的不可思议！

采访学生：此刻的你有什么感想？

老师总结：这个结果固然让我们震惊，很是激动，但是我觉得在这个过程中科学家们的锲而不舍、严谨务实的科学态度，更让我们敬畏。

这个实验是物理学史上十大最美实验之一（伽利略的自由落体、卡文迪许的扭秤实验、密里根的油滴实验，其他的大家不熟悉，有兴趣的可以查资料了解）。

实验结果与之前预测完全不一致！

思考：既然电子影响不大，那只能是正电荷，均匀分布又不行。那你认为原子中的正电荷应如何分布，才有可能造成??粒子的大角度偏转？以及如何用你新的模型解释三条现象？

学生讨论

引导：不是电子，必为正电物质，但又不时均匀分布，那么质量和电荷量只能集中在很小的空间内。

点评：卢瑟福也是这么想的！英雄所见略同！

总结原子特点：绝大部分是空的，正电体占原子质量绝大部分而只占据很小的空间范围。

老师：此时的卢瑟福既激动，又矛盾：难道汤姆孙的模型是错误的吗？可是这是他的恩师，也是当时物理学界的权威啊！如果是你，你会怎么做？（有前途，下一个卢瑟福）

老师：最后他花了一两年的时间，做了大量的实验和理论计算后深思熟虑，决定尊重事实，不畏权威，大胆的推翻了汤姆孙的模型，提出了核式结构模型。

3．原子的核式结构模型

（1）在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核。

（2）原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里。

（3）带负电的电子在核外空间绕着核旋转。

卢瑟福提出的原子模型中，带正电的原子核像太阳，带负电的电子像绕着太阳转的行星。因而这个模型又被称为“行星模型”。而这个唯美的图片也已经广泛出现在科普读物上，称为科学的标志。

再次验证：卢瑟福以这个模型为依据，利用经典力学计算了各个方向粒子的比例，结果与实验数据符合的很好。

这里大家会发现一个很有趣的现象：刚开始我们公认的牛人：电子之父有着重要的贡献，但是今天所有的教科书都要批评他的西瓜模型。这也告诉我们：曾经正确的科学家也会犯错误，矛盾的出现预示着新的理论的形成，也只有新的理论可以解决矛盾。科学就是这样螺旋式前进着，一步步地走向真理。

（三）原子核的电荷与尺度

1．原子核的带电量

思考：原子核带多少正电荷？

回答：原子核的电荷数＝电子数＝原子序数＝质子数

2．原子核的尺度

原子半径的数量级多大？原子核半径的数量级多大？

回答：原子半径的数量级为10-10m、原子核半径数量级为10-15m，两者相差105倍！

举例：假设我们的教室就是一个原子，半径大约10米，大家找找原子核相当于教室里的什么呢？

原子核的半径大约只有0.1毫米！

相当于教室里的一个灰尘。

【练习巩固】

1．电子的发现说明（    ）

A．原子是由原子核和电子组成的

B．物质是带电的且一定带负电

C．原子可进行再分

D．原子核可再分

答案：C

2．关于阴极射线，下列说法正确的是（    ）

A．阴极射线就是稀薄气体导电的辉光放电现象

B．阴极射线是在真空管内由阴极发出的电子流

C．阴极射线是某一频率的电磁波

D．阴极射线可以直线传播，也可被电场、磁场偏转

答案：BD

3．一只阴极射线管，左侧不断有电子射出，若在管的正下方，放一通电直导线AB时，发现射线径迹向下偏，则（    ）

A．导线中的电流由A流向B

B．导线中的电流由B流向A

C．若要使电子束的径迹往上偏，可以通过改变AB中的电流方向来实现

D．电子束的径迹与AB中的电流方向无关

答案：BC

4．有一电子（电荷量为e）经电压为U0的电场加速后，进入两块间距为d，电压为U的平行金属板间，若电子从两板正中间垂直电场方向射入，且正好能穿过电场，求：

（1）金属板AB的长度；

（2）电子穿出电场时的动能。

答案：（1）

（2）

5．提出原子核式结构模型的科学家是（    ）

A．汤姆孙        B．法拉第

C．卢瑟福        D．奥斯特

答案：C

6．在用α粒子轰击金箔的实验中，卢瑟福观察到的α粒子的运动情况是（    ）

A．全部α粒子穿过金属箔后，仍按原来的方向前进

B．绝大多数α粒子穿过金属箔后，仍按原来的方向前进，少数发生较大偏转，极少数甚至被弹回

C．少数α粒子穿过金属箔后，仍按原来的方向前进，绝大多数发生较大偏转，甚至被弹回

D．全部α粒子都发生很大偏转

答案：B

7．卢瑟福α粒子散射实验的结果（    ）

A．证明了质子的存在

B．证明了原子核是由质子和中子组成的

C．说明原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核上

D．说明原子的电子只能在某些不连续的轨道上运动

答案：C

8．在α粒子散射实验中，没有考虑α粒子跟电子的碰撞，其原因是（    ）

A．α粒子不跟电子发生相互作用

B．α粒子跟电子相碰时，损失的能量极少，可忽略

C．电子的体积很小，α粒子不会跟电子相碰

D．由于电子是均匀分布的，α粒子所受电子作用的合力为零

答案：B

9．卢瑟福原子核式结构理论的主要内容有（         ）

A．原子的中心有个核，叫做原子核

B．原子的正负电荷都均匀分布在整个原子中

C．原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里

D．带负电的电子在核外绕核旋转

答案：ACD

10．在卢瑟福的α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转，其原因是（    ）

A．原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上

B．正电荷在原子中是均匀分布的

C．原子中存在着带负电的电子

D．原子只能处于一系列不连续的能量状态中

答案：A