浙江專版2023-2024學年新教材高中物理第4章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性3原子的核式結(jié)構(gòu)模型課件新人教版選擇性必修第三冊

3原子的核式結(jié)構(gòu)模型課前·基礎認知課堂·重難突破素養(yǎng)·目標定位隨堂訓練模型方法·素養(yǎng)提升素養(yǎng)?目標定位目標素養(yǎng)1.了解陰極射線及湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子的過程。2.了解原子結(jié)構(gòu)模型建立的歷史過程及各種模型建立的依據(jù)。3.知道α粒子散射實驗的實驗方法和實驗現(xiàn)象以及核式結(jié)構(gòu)模型的主要內(nèi)容。知識概覽課前·基礎認知一、電子發(fā)現(xiàn)1.湯姆孫對陰極射線的研究。(1)探究方法:根據(jù)陰極射線在電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)情況,斷定它的帶電性質(zhì),并求出這種粒子的比荷。(2)實驗現(xiàn)象:換用

不同材料

的陰極做實驗,所得比荷的數(shù)值都

相同

,是氫離子比荷的近兩千倍。

(3)結(jié)論:①陰極射線粒子帶負電,其

電荷量

的大小與氫離子大致相同,而

質(zhì)量

比氫離子小得多,后來組成陰極射線的粒子被稱為電子;②電子是原子的組成部分,是比原子更基本的物質(zhì)單元。

2.電子的電荷量及電荷量子化。(1)電子電荷量:1910年前后由密立根通過著名的“油滴實驗”得出,電子電荷的現(xiàn)代值為e=1.602×10-19C。(2)電荷是量子化的,即任何帶電體的電荷只能是e的整數(shù)倍。(3)電子的質(zhì)量:me=9.10938356×10-31kg,質(zhì)子質(zhì)量與電子質(zhì)量的比為

=1836。微思考

哪些方法可以判斷運動的帶電粒子所帶電荷的正負?提示:帶電粒子垂直進入勻強電場時,正負電荷的偏轉(zhuǎn)方向不同,偏轉(zhuǎn)方向與電場方向相同(相反)的粒子帶正(負)電,不帶電者不偏轉(zhuǎn)。帶電粒子垂直進入勻強磁場時,做勻速圓周運動,所受的洛倫茲力提供向心力,根據(jù)左手定則可知其電性。二、原子的核式結(jié)構(gòu)模型1.湯姆孫原子模型。原子是一個球體,正電荷彌漫性地

均勻

分布在整個球體內(nèi),電子

鑲嵌

其中。

2.α粒子散射實驗。(1)實驗的裝置:主要由

放射源

、金箔、熒光屏、顯微鏡和轉(zhuǎn)動圓盤幾部分組成。

(2)實驗現(xiàn)象:絕大多數(shù)沿

原來

的方向前進,少數(shù)發(fā)生了

較大

偏轉(zhuǎn),極少數(shù)發(fā)生

大角度

偏轉(zhuǎn)。

(3)原子的核式結(jié)構(gòu)的提出。原子中帶正電部分的體積很小,但幾乎占有全部

質(zhì)量

,

電子

在正電體的外面運動。

(4)實驗現(xiàn)象的解釋。①當α粒子穿過原子時,如果離核較遠,受到原子核的斥力很小,α粒子就像穿過“一片空地”一樣,無遮無擋,運動方向改變很小,因為原子核很小,所以絕大多數(shù)α粒子不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。②只有當α粒子穿過原子時,十分接近原子核才受到很大的庫侖力作用,偏轉(zhuǎn)角才很大,而這種機會很少。③如果α粒子正對著原子核射來,偏轉(zhuǎn)角幾乎達到180°,這種機會極少。微探究

下圖為盧瑟福所做的α粒子散射實驗裝置的示意圖。(1)該實驗中為什么用金箔作靶子?(2)當把熒光屏和顯微鏡一起分別放在圖中的A、B、C、D四個位置時,哪個位置相同時間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)最多?提示:(1)金的延展性好,可以做得很薄而且金的原子序數(shù)大,產(chǎn)生的庫侖斥力大,偏轉(zhuǎn)明顯。(2)在A處相同時間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)最多。三、原子核的電荷與尺度1.原子核的電荷:原子核是由質(zhì)子和中子組成的,原子核的電荷數(shù)就是核中的

質(zhì)子數(shù)

。

2.原子核的大小:原子半徑的數(shù)量級為

10-10

m

,原子核半徑的數(shù)量級為

10-15

m

。

微判斷

(1)α粒子帶有一個單位的正電荷,質(zhì)量為氫原子質(zhì)量的2倍。(

)(2)α粒子散射實驗證實了湯姆孫的棗糕式原子模型。(

)(3)盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型認為原子中帶正電的部分體積很小,電子在正電體外面運動。(

)(4)原子核的電荷數(shù)等于核中的中子數(shù)。(

)(5)對于一般的原子,由于原子核很小,所以內(nèi)部十分空曠。(

)××√×√課堂·重難突破重難歸納1.對陰極射線的理解。(1)陰極射線實際上就是電子流。(2)陰極射線的來源:若真空度高,陰極射線的粒子主要來自陰極;若真空度不高,粒子還可能來自管中氣體。(3)陰極射線不是X射線。一對陰極射線的認識2.對陰極射線本質(zhì)的認識——兩種觀點。(1)電磁波說,代表人物——赫茲,他認為這種射線是一種電磁輻射。(2)粒子說,代表人物——湯姆孫,他認為這種射線是一種帶電粒子流。3.湯姆孫對陰極射線的研究。(1)根據(jù)陰極射線在電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)情況斷定,它的本質(zhì)是帶負電的粒子流,并求出了這種粒子的比荷。(2)換用不同材料的陰極做實驗,所得比荷的數(shù)值都相同,是氫離子比荷的近兩千倍。(3)結(jié)論:陰極射線粒子帶負電,其電荷量的大小與氫離子大致相同,而質(zhì)量比氫離子小得多,后來組成陰極射線的粒子被稱為電子。(1)在如圖所示的演示實驗中,K是金屬板制成的陰極,A是金屬環(huán)制成的陽極。K和A之間加上近萬伏的高電壓后,管端玻璃壁上能觀察到什么現(xiàn)象?該現(xiàn)象說明了什么問題?(2)人們對陰極射線的本質(zhì)的認識有兩種觀點,一種觀點認為是一種電磁波,另一種觀點認為是帶電微粒。你認為應如何判斷哪種觀點正確?提示:(1)能看到玻璃壁上淡淡的熒光及管中物體在玻璃壁上的影,這說明陰極能夠發(fā)出某種射線,并且撞擊玻璃引起熒光。(2)可以讓陰極射線通過電場或磁場,若射線垂直于磁場(電場)方向射入之后發(fā)生了偏轉(zhuǎn),說明該射線是由帶電微粒組成的。典例剖析在湯姆孫測陰極射線比荷的實驗中,采用了如圖所示的陰極射線管,從C出來的陰極射線經(jīng)過A、B間的電場加速后,水平射入長度為l的D、G平行板間,接著在熒光屏F中心出現(xiàn)熒光斑。若在D、G間加上方向向上、大小為E的勻強電場,陰極射線將向下偏轉(zhuǎn);如果再利用通電線圈在D、G電場區(qū)加上一垂直紙面的磁感應強度為B的勻強磁場(圖中未畫),熒光斑恰好回到熒光屏中心,接著再去掉電場,陰極射線向上偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)角為θ。(1)說明陰極射線的電性。(2)說明圖中磁場沿什么方向。(3)根據(jù)l、E、B和θ,求出陰極射線的比荷。答案:(1)負電(2)垂直紙面向外解析:(1)由于陰極射線在電場中向下偏轉(zhuǎn),因此陰極射線受電場力方向向下,又由于勻強電場方向向上,則電場力的方向與電場方向相反,所以陰極射線帶負電。(2)由于所加磁場使陰極射線受到向上的洛倫茲力,而與電場力平衡,由左手定則得磁場的方向垂直紙面向外。(3)設此射線電荷量為q,質(zhì)量為m,當射線在D、G間做勻速直線運動時,有qE=Bqv學以致用陰極射線是從陰極射線管的陰極發(fā)出的高速運動的粒子流,這些微觀粒子是

。若在如圖所示的陰極射線管中部加上垂直于紙面向里的磁場,陰極射線將

(選填“向上”“向下”“向里”或“向外”)偏轉(zhuǎn)。

答案:電子

向下解析:陰極射線管的陰極和電源的負極相連,發(fā)出的高速運動的粒子流是電子流;由于電子帶負電,所以運用左手定則時四指應指向電子運動的反方向,由左手定則可知陰極射線將向下偏轉(zhuǎn)。重難歸納1.α粒子散射實驗。(1)實驗裝置:α粒子源、金箔、顯微鏡和熒光屏。(2)實驗現(xiàn)象。①絕大多數(shù)的α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進。②少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度的偏轉(zhuǎn)。③極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)角大于90°,甚至有極個別α粒子被反彈回來。二α粒子散射實驗和原子的核式結(jié)構(gòu)模型(3)實驗的注意事項。①整個實驗過程在真空中進行。②金箔需要做得很薄,α粒子才能穿過。③使用金箔的原因是金的延展性好,可以做得很薄。另外一點就是金的原子序數(shù)大,α粒子與金核間的庫侖斥力大,偏轉(zhuǎn)明顯。(4)實驗意義:盧瑟福通過α粒子散射實驗,否定了湯姆孫的原子模型,建立了核式結(jié)構(gòu)模型。2.原子的核式結(jié)構(gòu)模型。(1)核式結(jié)構(gòu)模型。1911年由盧瑟福提出,在原子中心有一個很小的核,它集中了原子全部的正電荷和幾乎全部的質(zhì)量,電子在核外空間運動。(2)原子核的電荷與尺度。3.原子的核式結(jié)構(gòu)模型與原子的棗糕模型的比較。

項目棗糕模型核式結(jié)構(gòu)模型特點原子是充滿了正電荷的球體,電子均勻鑲嵌在原子球體內(nèi)原子內(nèi)部是非?？諘绲?正電荷集中在一個很小的核里,電子繞核高速旋轉(zhuǎn)項目棗糕模型核式結(jié)構(gòu)模型對α粒子散射實驗的解釋受力α粒子在原子內(nèi)部時,受到的庫侖斥力相互抵消,幾乎為零少數(shù)靠近原子核的α粒子受到的庫侖力大,而大多數(shù)離核較遠的α粒子受到的庫侖力較小偏轉(zhuǎn)不會發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn),更不會被彈回絕大多數(shù)α粒子運動方向不變,少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn),極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角度超過90°,有的甚至被彈回分析不符合α粒子散射現(xiàn)象符合α粒子散射現(xiàn)象湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型為什么被盧瑟福否定掉?提示:按照湯姆孫的“棗糕”原子模型,α粒子如果從原子之間或原子的中心軸線穿過時,它受到周圍的正負電荷作用的庫侖力是平衡的,α粒子不產(chǎn)生偏轉(zhuǎn);如果α粒子偏離原子的中心軸線穿過,兩側(cè)電荷作用的庫侖力相當于一部分被抵消,α粒子偏轉(zhuǎn)很小;如果α粒子正對著電子射來,質(zhì)量遠小于α粒子的電子不可能使α粒子發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn),更不可能使它反彈。所以α粒子的散射實驗結(jié)果否定了湯姆孫的原子模型。典例剖析下圖是盧瑟福的α粒子散射實驗裝置,在一個小鉛盒里放有少量的放射性元素釙,它發(fā)出的α粒子從鉛盒的小孔射出,形成很細的一束射線,射到金箔上,最后打在熒光屏上產(chǎn)生閃爍的光點。下列說法正確的是(

)A.該實驗是盧瑟福建立核式結(jié)構(gòu)模型的重要依據(jù)B.該實驗證實了湯姆孫原子模型的正確性C.α粒子與原子中的電子碰撞會發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)D.絕大多數(shù)的α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)A解析:α粒子散射實驗的現(xiàn)象是絕大多數(shù)α粒子幾乎不發(fā)生偏轉(zhuǎn),少數(shù)α粒子發(fā)生了較大角度的偏轉(zhuǎn),極少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)(偏轉(zhuǎn)角度超過90°,有的甚至達到180°,被反彈回來),是盧瑟福建立核式結(jié)構(gòu)模型的重要依據(jù),故選項A正確,B、D錯誤;發(fā)生α粒子偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象,主要是由于α粒子和原子核發(fā)生碰撞,故選項C錯誤。規(guī)律總結(jié)1.分析α粒子散射實驗中的現(xiàn)象時,應注意是“絕大多數(shù)”“少數(shù)”還是“極少數(shù)”粒子的行為?！按蠼嵌绕D(zhuǎn)”只是少數(shù)粒子的行為。

2.α粒子散射實驗是得出核式結(jié)構(gòu)模型的實驗基礎,對實驗現(xiàn)象的分析是建立盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型的關鍵。通過對α粒子散射實驗這一宏觀探測,間接地構(gòu)建出原子結(jié)構(gòu)的微觀圖景。學以致用(多選)在α粒子散射實驗中,如果兩個具有相同能量的α粒子,從不同大小的角度散射出來,則散射角度大的α粒子(

)A.更接近原子核B.更遠離原子核C.受到一個以上的原子核作用D.受到原子核較大的沖量作用答案:AD解析:由于原子的體積遠遠大于原子核的體積,當α粒子穿越某一個原子的空間時,其他原子核距α粒子相對較遠,而且其他原子核對α粒子的作用力也可以近似相互抵消,所以散射角度大的這個α粒子并非由于受到多個原子核作用,選項C錯誤;由庫侖定律可知,α粒子受到的斥力與距離的二次方成反比,α粒子距原子核越近,斥力越大,運動狀態(tài)改變越大,即散射角度越大,選項A正確,B錯誤;當α粒子受到原子核較大的沖量作用時,速度的變化量就大,則散射角度就大,選項D正確。模型方法?素養(yǎng)提升對陰極射線的研究——科學思維培養(yǎng)方法歸納1.陰極射線帶電性質(zhì)的判斷方法。(1)方法一:在陰極射線所經(jīng)區(qū)域加上電場,通過打在熒光屏上的亮點的變化和電場的情況確定帶電的性質(zhì)。(2)方法二:在陰極射線所經(jīng)區(qū)域加一磁場,根據(jù)亮點位置的變化和左手定則確定帶電的性質(zhì)。2.電子比荷(或電荷量)的測定方法。根據(jù)電場、磁場對電子的偏轉(zhuǎn)測量比荷(或電荷量),可按以下方法。(1)讓電子通過正交的電磁場,如圖甲所示,讓其做勻速直線運動,根據(jù)二力平衡,即Bqv=qE,得到電子的運動速度v=。如圖所示,陰極射線管中電子束由陰極沿x軸正方向射出,在熒光屏上出現(xiàn)一條亮線,要使該亮線向z軸正方向偏轉(zhuǎn),可加上怎樣的電場或磁場?提示:可加一沿z軸負方向的電場,電子受沿z軸的正方向電場力作用,將向z軸正方向偏轉(zhuǎn);加一沿y軸負方向的磁場,根據(jù)左手定則,洛倫茲力方向沿z軸正方向,亮線向z軸正方向偏轉(zhuǎn)。典例剖析下圖為湯姆孫用來測定電子比荷的裝置。當極板P和P'間不加偏轉(zhuǎn)電壓時,電子束打在熒光屏的中心O點處,形成一個亮點;加上偏轉(zhuǎn)電壓U后,亮點偏離到O'點,O'點到O點的豎直距離為d,水平距離可忽略不計;此時在P與P'之間的區(qū)域里再加上一個方向垂直于紙面向里的勻強磁場,調(diào)節(jié)磁感應強度,當其大小為B時,亮點重新回到O點。已知極板水平方向長度為l1,極板間距為b,極板右端到熒光屏的距離為l2。(1)求打在熒光屏O點的電子速度的大小。(2)推導出電子比荷的表達式。規(guī)律總結(jié)巧妙運用電磁場測定電子比荷

1.當電子在復合場中做勻速直線運動時,qE=qvB,可以測出電子速度的大小。

2.電子在熒光屏上的落點到屏中心的距離等于電子在電場中的偏轉(zhuǎn)位移與電子出電場到屏之間的傾斜直線運動偏轉(zhuǎn)位移的和。

3.也可以讓電子勻速通過復合場進入勻強磁場,測出在磁場中的運動半徑,進而求得電子比荷。學以致用19世紀后期,對陰極射線的本質(zhì)的認識有兩種觀點,一種觀點認為陰極射線是電磁輻射,另一種觀點認為陰極射線是帶電粒子。1897年,湯姆孫判斷出該射線的電性,并求出了這種粒子的比荷,為確定陰極射線的本質(zhì)做出了重要貢獻。假設你是當年“陰極射線是帶電粒子”觀點的支持者,請回答下列問題。(1)如圖所示的真空玻璃管內(nèi),陰極K發(fā)出的粒子經(jīng)加速后形成一細束射線,以平行于金屬板CD的速度進入該區(qū)域,射在屏上O點。如何判斷射線粒子的電性?(2)已知C、D間的距離為d,在C、D間施加電壓U,使極板D的電勢高于極板C,同時施加一個磁感應強度為B的勻強磁場,可以保持射線依然射到O點,求該勻強磁場的方向和此時陰極射線的速度v。(3)撤去磁場,射線射在屏上P點。已知極板的長度為l1,極板區(qū)的中點M到熒光屏中點O的距離為l2,磁感應強度為B,P到O的距離為y,求該粒子的比荷。答案:(1)根據(jù)帶電粒子從電場的負極向正極加速的特點判斷出射線粒子帶負電解析:(1)根據(jù)帶電粒子從電場的負極向正極加速的特點,所形成的電場方向由正極指向負極,即可判斷射線粒子帶負電。(2)極板D的電勢高于極板C,形成的電場豎直向上,當電子受到的電場力與洛倫茲力平衡時,電子做勻速直線運動,亮點重新回復到中心O點,由左手定則可知,磁場方向應垂直紙面向外,設電子的速度為v,則evB=eE隨堂訓練1.(多選)關于電子的發(fā)現(xiàn),下列說法正確的是(

)A.電子的發(fā)現(xiàn),說明原子是由電子和原子核組成的B.電子的發(fā)現(xiàn),說明原子具有一定的結(jié)構(gòu)C.電子的發(fā)現(xiàn),說明原子不是組成物質(zhì)的最小微粒D.電子的發(fā)現(xiàn),比較好地解釋了物體的帶電現(xiàn)象答案:BCD解析:發(fā)現(xiàn)電子之前,人們認為原子是不可再分的最小粒子,電子的發(fā)現(xiàn),說明原子有一定的結(jié)構(gòu),但并沒有證明原子核的存在,也不能說明原子是由電子和原子核組成的,故選項A錯誤,B、C正確;物體帶電過程,就是電子的轉(zhuǎn)移過程,電子的發(fā)現(xiàn)可以比較好地解釋物體的帶電現(xiàn)象,故選項D正確。2.下圖為盧瑟福α粒子散射實驗的金原子核和兩個α粒子的徑跡,其中可能正確的是(

)答案:B解析:α粒子在靠近金原子核時,離金原子核越近,所受庫侖斥力越大,偏轉(zhuǎn)角度越大,且粒子做曲線運動時,合外力指向凹的一側(cè),根據(jù)這些特點可以判斷出,選項B正確,A、C、D錯誤。3.在物理學的發(fā)展史中,實驗對物理學的發(fā)展有著關鍵性作用。下列關于物理學家、物理實驗及其作用的描述正確的是(

)A.湯姆孫