高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册第四章 原子结构和波粒二象性3 原子的核式结构模型示范课ppt课件

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册第四章 原子结构和波粒二象性3 原子的核式结构模型示范课ppt课件，文件包含43原子的核式结构模型课件-点石成金系列2021-2022学年高中物理课件人教版2019选择性必修第三册pptx、188模拟α粒子散射实验avi、引入mp4、演示阴极射线_标清_baofeng_003_baofengmp4等4份课件配套教学资源，其中PPT共52页， 欢迎下载使用。

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？
这种射线称为阴极射线（cathde ray）。对这种射线本质的认识有两种观点：一种观点认为，它是一种电磁辐射；另一种观点认为，它是带电微粒。如何用实验判断哪一种观点正确呢？
19世纪，对阴极射线本质的认识有两种观点
一种观点认为阴极射线像X射线一样是电磁辐射代表人物赫兹
另一种观点认为阴极射线是带电微粒代表人物汤姆孙 
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
J.J.汤姆孙对阴极射线进行了一系列的实验研究。他确认阴极射线是带电的粒子。自1890年起开始研究。
小孔AB：使由C发出的粒子形成一束细细的射线
平行的金属板之间夹有电场
通过射线产生的荧光的位置，可以研究射线的径迹
汤姆孙的气体放电管示意图
【阴极射线实验】1.实验装置：真空玻璃管、阴极、阳极和感应圈.
在金属板D1D2之间未加电场时，射线不偏转，射在P1点。
施加如图电场后射线偏转，射在P2点。
3.阴极射线：荧光是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的，这种射线命名为阴极射线.
2.实验现象：感应圈产生的高电压加在两极之间，玻璃管壁上发出荧光。
4. 阴极射线是带负电的粒子
需在D1D2之间施加垂直纸面向外的磁场
去掉D1D2之间的电场
射线在磁场作用下偏转，射在P3点。
换用不同材料的阴极做实验,所得比荷的数值都相同,是氢离子比荷的近两千倍.证明这种粒子是构成各种物质的共有成分.
1.真空玻璃管两极加上高电压
2.物理学家戈德斯坦将阴极发出的射线命名为阴极射线.
3.猜想:(1)阴极射线是一种电磁辐射.(2)阴极射线是带电微粒.
4.英国物理学家汤姆孙让阴极射线在电场和磁场中偏转.
由实验测得的阴极射线粒子的比荷是氢离子比荷的近两千倍。 J.J汤姆孙猜测若这种粒子的电荷量与氢离子的电荷量相同，则其质量约为氢离子质量的近两千分之一。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，证明了他当初的猜测是正确的。 后来，物理学家把新发现的这种组成阴极射线的粒子称之为电子。
1889年4月30日，J.J.汤姆孙正式宣布发现电子; 电子的发现，结束了关于阴极射线本质的争论; 从此，人类意识到，原子并不是组成物质的最小单位，探索原子结构的序幕由此拉开…… 由于J.J.汤姆生的杰出贡献，1906年他获得诺贝尔物理学奖。
由此可见电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元。
阴极射线是带负电的电子流。
【特别提醒】(1)注意阴极射线和X射线的区别.阴极射线是电子流，X射线是电磁辐射.(2)由阴极射线在电场、磁场中的偏转可确定射线由带负电的粒子组成.
汤姆孙发现电子之前人们认为原子是组成物体的最小微粒,是不可再分的.汤姆孙对阴极射线等现象的研究中发现了电子,从而敲开了原子的大门.
J.J.汤姆孙的儿子G.P.汤姆孙（1937年诺贝尔物理学奖）
G.P.汤姆孙（Gerge Paget Thmsn，1892-1975），因通过实验发现受电子照射的晶体中的干涉现象，1937年获得诺贝尔物理学奖。 　　汤姆逊父子分别于1906年、1937年获得物理学奖，是诺贝尔奖历史上6次“子承父业”奇迹之一。
想一想：为什么说电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元？
J.J汤姆孙研究发现： ① 许多现象中都发现了同样的带电粒子---电子， ② 它的质量只比最轻原子质量的两千分之一稍多一点。
阴极射线是由比最小的原子还小的多的带负电荷的微粒构成的
1、为使阴极射线不发生偏转，在平行极板区域应采取什么措施？
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：
2、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？
3、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？
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：
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：
（1）产生电子的方法
（2）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。
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。
电子的质量m=9.1094×10－31 kg
电子的电荷量e=1.6022×10－19 C
密立根实验发现：电荷具有量子化的特征，即任何带电体的电荷只能是e的整数倍。
电子电荷的精确测定是在1909〜1913年间由密立根通过著名的“油滴实验”做出的。目前公认的电子电荷e的值为：
e＝ 1.602 176 634 × 10 -19 C
密立根实验更重要的发现是：电荷是量子化的，即任何带电体的电荷只能是e的整数倍。
从实验测到的比荷及e的数值，可以确定电子的质量。现在人们普遍认为电子的质量为：
me＝ 9.109 383 56 × 10 -31 kg
质子质量与电子质量的比值为：
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？
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
1903年勒纳德实验：使电子束射到金属膜上。
1、现象：较高速度的电子束很容易穿透原子。
2、推断：说明原子内部很空，或者说原子不是一个实心球体。
3、矛盾：与汤姆孙的原子模型（实心）不符。
说明汤姆孙的枣糕模型是有问题的，再后来卢瑟福α粒子散射实验则完全否定了汤姆孙的模型。
从经典物理学的角度看，汤姆孙的模型是很成功的。解释原子是电中性的，电子在原子里是怎样分布的，解释原子为什么会发光，能估计出原子的大小约为一亿分之一厘米。
原子的尺度小，结构非常紧密。我们可以采取什么样的方法来研究微观粒子的内部结构呢？英籍新西兰物理学家卢瑟福认为，要了解原子里到底有什么东西，最好用“炮弹”—— α粒子打到原子里面去试探一下。
以汤姆孙为首的英国剑桥学派，在原子物理学上所取得的这些惊人成就，使欧洲大陆上的物理学家都拜倒在他们的脚下。他的学生卢瑟福也接受了汤姆孙的原子模型，1909年卢瑟福建议其学生兼助手盖革和马斯顿用α粒子轰击金箔去验证汤姆孙原子模型。
欧内斯特·卢瑟福1871年8月30日生于新西兰纳尔逊的一个手工业工人家庭，并在新西兰长大。他进入新西兰的坎特伯雷学院学习。23岁时获得了三个学位（文学学士、文学硕士、理学学士）。
α粒子特性：（1）具有足够的能量可以接近原子中心。（2）可使荧光物质发光。
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。
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。
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。
金的延展性好，核电荷量大，核质量大。
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。
α粒子的质量大约是电子质量的7300倍，α粒子与电子碰撞时，对α粒子速度影响的很小，碰撞前后，质量大的α粒子速度几乎不变。只可能是电子的速度发生大的改变，因此不可能出现α粒子反弹现象，即使是非对心碰撞，也不会有大角度散射。
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，由于受库仑斥力的作用，α粒子穿过原子时，受到的各个方向正电荷的斥力基本会相互平衡，因此对α粒子运动的影响不会很大。大部分α粒子会有小角度偏转，但不可能有大角度偏转。
2、α粒子散射实验现象
①绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进。
③极少数偏转的角度甚至大于90°，也就是说，它们几乎被“撞了回来”。
3、对α粒子散射实验的解释
①J. J.汤姆孙的模型无法解释大角度散射的实验结果。
②占原子质量绝大部分的带正电的物质集中在很小的空间范围。这样才会使α粒子在经过时受到很强的斥力，使其发生大角度的偏转。
⑴大角度的偏转不可能是电子造成的
⑵α粒子偏转主要是具有原子的大部分质量的带正电部分造成的
4、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
1895年在新西兰大学毕业后，获得英国剑桥大学的奖学金进入卡文迪许实验室，成为汤姆孙的研究生。提出原子结构的核式模型，为原子结构的研究做出很大的贡献。 1898年，在汤姆孙的推荐下，担任加拿大麦吉尔大学的物理教授。 1907年返回英国出任曼彻斯特大学的物理系主任。 1919年接替退休的汤姆孙，担任卡文迪许实验室主任。 1925年当选为英国皇家学会主席。1931年受封为纳尔逊男爵。 1937年10月19日因病在剑桥逝世，与牛顿和法拉第并排安葬，享年66岁。
欧内斯特·卢瑟福1871年8月30日生于新西兰纳尔逊的一个手工业工人家庭，并在新西兰长大。他进入新西兰的坎特伯雷学院学习。 23岁时获得了三个学位（文学学士、文学硕士、理学学士）。
杰出贡献:1899年命名 α 射线、β 射线；1902年提出原子自然衰变理论；1909～1911年，卢瑟福指导他的学生盖革和马斯顿进行了α粒子散射实验。1911年提出原子的核式结构模型；1919年发现质子，预言中子；实现人工核反应。直接培养了11名诺贝尔奖获得者。被誉为原子物理学之父。
卢瑟福(1871～1937)
桃李满天下 在卢瑟福的悉心培养下，他的学生和助手有多人获得了诺贝尔奖金：1921年，卢瑟福的助手索迪获诺贝尔化学奖；1922年，卢瑟福的学生阿斯顿获诺贝尔化学奖；1922年，卢瑟福的学生玻尔获诺贝尔物理奖；1927年，卢瑟福的助手威尔逊获诺贝尔物理奖；1935年，卢瑟福的学生查德威克获诺贝尔物理奖；1948年，卢瑟福的助手布莱克特获诺贝尔物理奖；1951年，卢瑟福的学生科克拉夫特和瓦耳顿，共同获得诺贝尔物理奖；1978年，卢瑟福的学生卡皮茨获诺贝尔物理奖。　　
1、原子核的电荷、电子数、原子序数
⑴原子是由带电荷＋Ze的核与核外Z个电子组成的。电子数Z等于原子核所带正电荷数。
⑶原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数就是核中的质子数。
Ze是原子核的电荷，单位是库仑；Z是原子序数，也是原子核的电荷数，它表示原子核的电荷是一个电子电荷（绝对值）的多少倍。Z是没有单位的，或者说Z的单位是1。
⑵原子序数Z 等于核电荷与电子电荷大小的比值
原子核的电荷数:电荷数(Z)=质子数=原子序数
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
原子核的半径是很难测量的，一般通过其他粒子与核的相互作用来确定。α粒子散射可以用来估算核半径。对于一般的原子核，实验确定的核半径的数量级为10-15 m，而整个原子半径的数量级是10-10 m，两者相差十万倍之多。
原子内部是十分“空旷”的
通常用核半径描述核的大小
核半径的数量级为10-15 m
原子半径的数量级是10-10 m
『判一判』(1)阴极射线本质是氢原子。(　　)(2)阴极射线本质是电磁波。(　　)(3)物体的带电荷量可以是任意值。(　　)(4)物体带电荷量的最小值为1.6×10－19 C。(　　)(5)阴极射线在真空中沿直线传播。(　　)
(6)阴极射线是由真空玻璃管中的感应圈发出的. ( )(7)阴极射线撞击玻璃管壁会发出荧光. ( )
(1)阴极射线由阴极发出
(2)玻璃受到阴极射线的撞击会产生荧光效应
『判一判』(1)汤姆孙的枣糕式模型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。(　　)(2)α粒子散射实验中绝大多数α粒子都发生了较大偏转。(　　)(3)卢瑟福的核式结构模型认为原子中带正电的部分体积很小，电子在正电体外面运动。(　　)(4)原子核的电荷数等于核中的中子数。(　　)(5)对于一般的原子，由于原子核很小，所以内部十分空旷。(　　)
【例题1】美国物理学家密立根通过如图所示的实验装置，最先测出了电子的电荷量，被称为密立根油滴实验.两块水平放置的金属板A、B分别与电源的正、负极相连接，板间产生匀强电场，方向竖直向下，图中油滴由于带负电悬浮在两板间保持静止.(1)若要测出该油滴的电荷量，需要测出的物理量有________.A.油滴质量m B.两板间的电压UC.两板间的距离d D.两板的长度L(2)用所选择的物理量表示出该油滴的电荷量q＝________.(已知重力加速度为g)
板间电场为匀强电场，油滴处于静止状态，所以电场力与重力平衡。
所以需要测出的物理量有油滴质量m，两板间的电压U，两板间的距离d。
【例题2】(多选)(卢瑟福和他的学生用α粒子轰击不同的金属，并同时进行观测，经过大量的实验，最终确定了原子的核式结构.如图为该实验的装置，其中荧光屏能随显微镜在图中的圆面内转动.当用α粒子轰击金箔时，在不同位置进行观测，如果观测的时间相同，则下列说法正确的是（ ）A.在1处看到的闪光次数最多B.2处的闪光次数比4处多C.3和4处没有闪光D.4处有闪光但次数极少
在卢瑟福α粒子散射实验中，α粒子穿过金箔后，绝大多数α粒子仍沿原来的方向前进，则在1处看到的闪光次数最多，故A正确；少数α粒子发生大角度偏转，极少数α粒子偏转角度大于90°，极个别α粒子被反弹回来，在2、3、4位置观察到的闪光次数依次减少，故C错误，B、D正确。
【例题3】(多选)根据卢瑟福的原子核式结构理论，下列对原子结构的认识中，正确的是（ ）A.原子中绝大部分是空的，原子核很小B.电子在核外运动，库仑力提供向心力C.原子的全部正电荷都集中在原子核里D.原子核的直径大约为10－10 m
　卢瑟福α粒子散射实验的结果否定了关于原子结构的汤姆孙模型，提出了关于原子的核式结构学说，并估算出原子核半径的数量级为10－15 m，原子半径的数量级为10－10 m，原子半径是原子核半径的十万倍，所以原子内部是十分“空旷”的，核外带负电的电子由于受到带正电的原子核的吸引而绕核旋转，所以A、B、C正确，D错误.
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
⑵应用带电粒子在恒定磁场中的偏转求比荷（磁偏转）
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。