浙江专版2023-2024学年新教材高中物理第4章原子结构和波粒二象性3原子的核式结构模型课件新人教版选择性必修第三册

3原子的核式结构模型课前·基础认知课堂·重难突破素养·目标定位随堂训练模型方法·素养提升素养•目标定位目标素养1.了解阴极射线及汤姆孙发现电子的过程。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α粒子散射实验的实验方法和实验现象以及核式结构模型的主要内容。知识概览课前·基础认知一、电子发现1.汤姆孙对阴极射线的研究。(1)探究方法:根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况,断定它的带电性质,并求出这种粒子的比荷。(2)实验现象: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。

(3)结论:①阴极射线粒子带负电,其

电荷量

的大小与氢离子大致相同,而

质量

比氢离子小得多,后来组成阴极射线的粒子被称为电子;②电子是原子的组成部分,是比原子更基本的物质单元。

2.电子的电荷量及电荷量子化。(1)电子电荷量:1910年前后由密立根通过著名的“油滴实验”得出,电子电荷的现代值为e=1.602×10-19C。(2)电荷是量子化的,即任何带电体的电荷只能是e的整数倍。(3)电子的质量:me=9.10938356×10-31kg,质子质量与电子质量的比为

=1836。微思考

哪些方法可以判断运动的带电粒子所带电荷的正负?提示:带电粒子垂直进入匀强电场时,正负电荷的偏转方向不同,偏转方向与电场方向相同(相反)的粒子带正(负)电,不带电者不偏转。带电粒子垂直进入匀强磁场时,做匀速圆周运动,所受的洛伦兹力提供向心力,根据左手定则可知其电性。二、原子的核式结构模型1.汤姆孙原子模型。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。

2.α粒子散射实验。(1)实验的装置:主要由

放射源

、金箔、荧光屏、显微镜和转动圆盘几部分组成。

(2)实验现象:绝大多数沿

原来

的方向前进,少数发生了

较大

偏转,极少数发生

大角度

偏转。

(3)原子的核式结构的提出。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。

(4)实验现象的解释。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粒子穿过原子时,十分接近原子核才受到很大的库仑力作用,偏转角才很大,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°,这种机会极少。微探究

下图为卢瑟福所做的α粒子散射实验装置的示意图。(1)该实验中为什么用金箔作靶子?(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)金的延展性好,可以做得很薄而且金的原子序数大,产生的库仑斥力大,偏转明显。(2)在A处相同时间内观察到屏上的闪光次数最多。三、原子核的电荷与尺度1.原子核的电荷: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

。

2.原子核的大小:原子半径的数量级为

10-10

m

,原子核半径的数量级为

10-15

m

。

微判断

(1)α粒子带有一个单位的正电荷,质量为氢原子质量的2倍。(

)(2)α粒子散射实验证实了汤姆孙的枣糕式原子模型。(

)(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。(

)××√×√课堂·重难突破重难归纳1.对阴极射线的理解。(1)阴极射线实际上就是电子流。(2)阴极射线的来源:若真空度高,阴极射线的粒子主要来自阴极;若真空度不高,粒子还可能来自管中气体。(3)阴极射线不是X射线。一对阴极射线的认识2.对阴极射线本质的认识——两种观点。(1)电磁波说,代表人物——赫兹,他认为这种射线是一种电磁辐射。(2)粒子说,代表人物——汤姆孙,他认为这种射线是一种带电粒子流。3.汤姆孙对阴极射线的研究。(1)根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定,它的本质是带负电的粒子流,并求出了这种粒子的比荷。(2)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。(3)结论:阴极射线粒子带负电,其电荷量的大小与氢离子大致相同,而质量比氢离子小得多,后来组成阴极射线的粒子被称为电子。(1)在如图所示的演示实验中,K是金属板制成的阴极,A是金属环制成的阳极。K和A之间加上近万伏的高电压后,管端玻璃壁上能观察到什么现象?该现象说明了什么问题?(2)人们对阴极射线的本质的认识有两种观点,一种观点认为是一种电磁波,另一种观点认为是带电微粒。你认为应如何判断哪种观点正确?提示:(1)能看到玻璃壁上淡淡的荧光及管中物体在玻璃壁上的影,这说明阴极能够发出某种射线,并且撞击玻璃引起荧光。(2)可以让阴极射线通过电场或磁场,若射线垂直于磁场(电场)方向射入之后发生了偏转,说明该射线是由带电微粒组成的。典例剖析在汤姆孙测阴极射线比荷的实验中,采用了如图所示的阴极射线管,从C出来的阴极射线经过A、B间的电场加速后,水平射入长度为l的D、G平行板间,接着在荧光屏F中心出现荧光斑。若在D、G间加上方向向上、大小为E的匀强电场,阴极射线将向下偏转;如果再利用通电线圈在D、G电场区加上一垂直纸面的磁感应强度为B的匀强磁场(图中未画),荧光斑恰好回到荧光屏中心,接着再去掉电场,阴极射线向上偏转,偏转角为θ。(1)说明阴极射线的电性。(2)说明图中磁场沿什么方向。(3)根据l、E、B和θ,求出阴极射线的比荷。答案:(1)负电(2)垂直纸面向外解析:(1)由于阴极射线在电场中向下偏转,因此阴极射线受电场力方向向下,又由于匀强电场方向向上,则电场力的方向与电场方向相反,所以阴极射线带负电。(2)由于所加磁场使阴极射线受到向上的洛伦兹力,而与电场力平衡,由左手定则得磁场的方向垂直纸面向外。(3)设此射线电荷量为q,质量为m,当射线在D、G间做匀速直线运动时,有qE=Bqv学以致用阴极射线是从阴极射线管的阴极发出的高速运动的粒子流,这些微观粒子是

。若在如图所示的阴极射线管中部加上垂直于纸面向里的磁场,阴极射线将

(选填“向上”“向下”“向里”或“向外”)偏转。

答案:电子

向下解析:阴极射线管的阴极和电源的负极相连,发出的高速运动的粒子流是电子流;由于电子带负电,所以运用左手定则时四指应指向电子运动的反方向,由左手定则可知阴极射线将向下偏转。重难归纳1.α粒子散射实验。(1)实验装置:α粒子源、金箔、显微镜和荧光屏。(2)实验现象。①绝大多数的α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进。②少数α粒子发生了大角度的偏转。③极少数α粒子的偏转角大于90°,甚至有极个别α粒子被反弹回来。二α粒子散射实验和原子的核式结构模型(3)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。(4)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,建立了核式结构模型。2.原子的核式结构模型。(1)核式结构模型。1911年由卢瑟福提出,在原子中心有一个很小的核,它集中了原子全部的正电荷和几乎全部的质量,电子在核外空间运动。(2)原子核的电荷与尺度。3.原子的核式结构模型与原子的枣糕模型的比较。

项目枣糕模型核式结构模型特点原子是充满了正电荷的球体,电子均匀镶嵌在原子球体内原子内部是非常空旷的,正电荷集中在一个很小的核里,电子绕核高速旋转项目枣糕模型核式结构模型对α粒子散射实验的解释受力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偏转不会发生大角度偏转,更不会被弹回绝大多数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不符合α粒子散射现象符合α粒子散射现象汤姆孙的原子结构模型为什么被卢瑟福否定掉?提示:按照汤姆孙的“枣糕”原子模型,α粒子如果从原子之间或原子的中心轴线穿过时,它受到周围的正负电荷作用的库仑力是平衡的,α粒子不产生偏转;如果α粒子偏离原子的中心轴线穿过,两侧电荷作用的库仑力相当于一部分被抵消,α粒子偏转很小;如果α粒子正对着电子射来,质量远小于α粒子的电子不可能使α粒子发生明显偏转,更不可能使它反弹。所以α粒子的散射实验结果否定了汤姆孙的原子模型。典例剖析下图是卢瑟福的α粒子散射实验装置,在一个小铅盒里放有少量的放射性元素钋,它发出的α粒子从铅盒的小孔射出,形成很细的一束射线,射到金箔上,最后打在荧光屏上产生闪烁的光点。下列说法正确的是(

)A.该实验是卢瑟福建立核式结构模型的重要依据B.该实验证实了汤姆孙原子模型的正确性C.α粒子与原子中的电子碰撞会发生大角度偏转D.绝大多数的α粒子发生大角度偏转A解析:α粒子散射实验的现象是绝大多数α粒子几乎不发生偏转,少数α粒子发生了较大角度的偏转,极少数α粒子发生了大角度偏转(偏转角度超过90°,有的甚至达到180°,被反弹回来),是卢瑟福建立核式结构模型的重要依据,故选项A正确,B、D错误;发生α粒子偏转现象,主要是由于α粒子和原子核发生碰撞,故选项C错误。规律总结1.分析α粒子散射实验中的现象时,应注意是“绝大多数”“少数”还是“极少数”粒子的行为。“大角度偏转”只是少数粒子的行为。

2.α粒子散射实验是得出核式结构模型的实验基础,对实验现象的分析是建立卢瑟福核式结构模型的关键。通过对α粒子散射实验这一宏观探测,间接地构建出原子结构的微观图景。学以致用(多选)在α粒子散射实验中,如果两个具有相同能量的α粒子,从不同大小的角度散射出来,则散射角度大的α粒子(

)A.更接近原子核B.更远离原子核C.受到一个以上的原子核作用D.受到原子核较大的冲量作用答案:AD解析:由于原子的体积远远大于原子核的体积,当α粒子穿越某一个原子的空间时,其他原子核距α粒子相对较远,而且其他原子核对α粒子的作用力也可以近似相互抵消,所以散射角度大的这个α粒子并非由于受到多个原子核作用,选项C错误;由库仑定律可知,α粒子受到的斥力与距离的二次方成反比,α粒子距原子核越近,斥力越大,运动状态改变越大,即散射角度越大,选项A正确,B错误;当α粒子受到原子核较大的冲量作用时,速度的变化量就大,则散射角度就大,选项D正确。模型方法•素养提升对阴极射线的研究——科学思维培养方法归纳1.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带电的性质。(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。2.电子比荷(或电荷量)的测定方法。根据电场、磁场对电子的偏转测量比荷(或电荷量),可按以下方法。(1)让电子通过正交的电磁场,如图甲所示,让其做匀速直线运动,根据二力平衡,即Bqv=qE,得到电子的运动速度v=。如图所示,阴极射线管中电子束由阴极沿x轴正方向射出,在荧光屏上出现一条亮线,要使该亮线向z轴正方向偏转,可加上怎样的电场或磁场?提示:可加一沿z轴负方向的电场,电子受沿z轴的正方向电场力作用,将向z轴正方向偏转;加一沿y轴负方向的磁场,根据左手定则,洛伦兹力方向沿z轴正方向,亮线向z轴正方向偏转。典例剖析下图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,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)推导出电子比荷的表达式。规律总结巧妙运用电磁场测定电子比荷

1.当电子在复合场中做匀速直线运动时,qE=qvB,可以测出电子速度的大小。

2.电子在荧光屏上的落点到屏中心的距离等于电子在电场中的偏转位移与电子出电场到屏之间的倾斜直线运动偏转位移的和。

3.也可以让电子匀速通过复合场进入匀强磁场,测出在磁场中的运动半径,进而求得电子比荷。学以致用19世纪后期,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电磁辐射,另一种观点认为阴极射线是带电粒子。1897年,汤姆孙判断出该射线的电性,并求出了这种粒子的比荷,为确定阴极射线的本质做出了重要贡献。假设你是当年“阴极射线是带电粒子”观点的支持者,请回答下列问题。(1)如图所示的真空玻璃管内,阴极K发出的粒子经加速后形成一细束射线,以平行于金属板CD的速度进入该区域,射在屏上O点。如何判断射线粒子的电性?(2)已知C、D间的距离为d,在C、D间施加电压U,使极板D的电势高于极板C,同时施加一个磁感应强度为B的匀强磁场,可以保持射线依然射到O点,求该匀强磁场的方向和此时阴极射线的速度v。(3)撤去磁场,射线射在屏上P点。已知极板的长度为l1,极板区的中点M到荧光屏中点O的距离为l2,磁感应强度为B,P到O的距离为y,求该粒子的比荷。答案:(1)根据带电粒子从电场的负极向正极加速的特点判断出射线粒子带负电解析:(1)根据带电粒子从电场的负极向正极加速的特点,所形成的电场方向由正极指向负极,即可判断射线粒子带负电。(2)极板D的电势高于极板C,形成的电场竖直向上,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,亮点重新回复到中心O点,由左手定则可知,磁场方向应垂直纸面向外,设电子的速度为v,则evB=eE随堂训练1.(多选)关于电子的发现,下列说法正确的是(

)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.电子的发现,说明原子不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:BCD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,但并没有证明原子核的存在,也不能说明原子是由电子和原子核组成的,故选项A错误,B、C正确;物体带电过程,就是电子的转移过程,电子的发现可以比较好地解释物体的带电现象,故选项D正确。2.下图为卢瑟福α粒子散射实验的金原子核和两个α粒子的径迹,其中可能正确的是(

)答案:B解析:α粒子在靠近金原子核时,离金原子核越近,所受库仑斥力越大,偏转角度越大,且粒子做曲线运动时,合外力指向凹的一侧,根据这些特点可以判断出,选项B正确,A、C、D错误。3.在物理学的发展史中,实验对物理学的发展有着关键性作用。下列关于物理学家、物理实验及其作用的描述正确的是(

)A.汤姆孙