【高中物理】原子的核式结构模型 高二物理同步精品课件（人教版2019选择性必修第三册）

高中物理选择性必修第三册 第四章：原子结构和波粒二象性 第 3 节:原子的核式结构模型第 3 节：原子的核式结构模型 导入新课 这种射线称为阴极射线（这种射线称为阴极射线（cathode raycathode ray）。对这种射线本质的认识有两种观点：）。对这种射线本质的认识有两种观点：一种观点认为，一种观点认为，它是一种电磁辐射它是一种电磁辐射；另一种观点认为，；另一种观点认为，它是带电微粒它是带电微粒。如何用实如何用实验判断哪一种观点正确呢？验判断哪一种观点正确呢？1919世纪，对阴极射线本质的认识有两种观点世纪，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一种观点认为阴极射线像X射线射线一样是一样是电磁辐射电磁辐射代表人物赫兹代表人物赫兹另一种观点认为阴极射线是另一种观点认为阴极射线是带电微粒带电微粒代表人物汤姆孙代表人物汤姆孙赫兹赫兹 德国德国汤姆孙汤姆孙英国英国1 1、对阴极射线的本质认识、对阴极射线的本质认识 一、电子的发现 J.J.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。自是带电的粒子。自18901890年起开始研究。年起开始研究。2 2、汤姆孙的研究、汤姆孙的研究 一、电子的发现 一、电子的发现3 3、汤姆孙的气体放电管示意图汤姆孙的气体放电管示意图由阴极K发出的带电粒子通过小孔AB形成一束细细的阴极射线，它穿过两片平行的金属板D1、D2之间的空间，到达右端带有标尺的荧光屏上。根据射线产生的荧光屏的位置（如P1、P2、P3、P4，），可以研究射线的径迹。阴极射线的产生机理：阴极射线的产生机理：管中残存气体分子中的正负电荷在强电场的作用下被“拉开”（即气体分子被电离），正电荷（即正离子）在电场加速下撞击阴极，于是阴极释放更多粒子流，形成了阴极射线。一、电子的发现18971897年，汤姆孙得出阴极射线的本质是带负电的粒子流年，汤姆孙得出阴极射线的本质是带负电的粒子流,并求出了这种粒子的比荷。并求出了这种粒子的比荷。当汤姆孙在测定比荷实验时发现，用当汤姆孙在测定比荷实验时发现，用不同材料不同材料的阴极做实验，所发出射线的粒子都的阴极做实验，所发出射线的粒子都 有有相同的比荷相同的比荷。这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这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共有成分。并且测得这种粒子的比荷约为质子（氢离子）比荷的并且测得这种粒子的比荷约为质子（氢离子）比荷的20002000倍。倍。思考：是电荷比质子大？还是质量比质子小？思考：是电荷比质子大？还是质量比质子小？汤姆孙正在研究阴极射线汤姆孙正在研究阴极射线汤姆孙猜测：这可能表示阴极射线粒子电荷量汤姆孙猜测：这可能表示阴极射线粒子电荷量 的大小与一个质子的大小与一个质子(氢离子氢离子)一样，而质量比质一样，而质量比质 子子(氢离子氢离子)小得多。小得多。后来汤姆孙测得了这种粒子的电荷量与氢离子电后来汤姆孙测得了这种粒子的电荷量与氢离子电 荷量大致相同，由此可以看出他当初的猜测是正荷量大致相同，由此可以看出他当初的猜测是正 确的。确的。进一步拓展研究对象：用不同的材料做成的阴极做实验，做光电效应实验、热离子发进一步拓展研究对象：用不同的材料做成的阴极做实验，做光电效应实验、热离子发 射效应实验、射效应实验、射线。都得到了相同的结果。射线。都得到了相同的结果。就把这种阴极射线命名为电子，就把这种阴极射线命名为电子，电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元。电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元。一、电子的发现电子电子发现的历程发现的历程1.1.真空玻璃管真空玻璃管两两极加上极加上高电压高电压玻璃管壁上玻璃管壁上发出荧光发出荧光2.2.物理学家戈德斯坦将阴极物理学家戈德斯坦将阴极发出的射线命名为发出的射线命名为阴极射线阴极射线.3.3.猜想猜想:(1)(1)阴极射线是一种阴极射线是一种电磁辐射电磁辐射.(2)(2)阴极射线是阴极射线是带电微粒带电微粒.4.4.英国英国物理学家汤姆物理学家汤姆孙让阴极射线在孙让阴极射线在电场电场和磁场中偏转和磁场中偏转.测出了粒子测出了粒子的比荷的比荷发现发现电子电子发现阴极射发现阴极射线带负电线带负电 一、电子的发现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。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。密立根实验发现：电荷具有密立根实验发现：电荷具有量子化量子化的特征，即的特征，即任何带电体的电荷只能是任何带电体的电荷只能是e的整数倍的整数倍。密立根密立根 (美国美国)密密立根测电子电量立根测电子电量 一、电子的发现目前公认的电子的电荷量目前公认的电子的电荷量电子的质量电子的质量 电子电荷的精确测定是在电子电荷的精确测定是在19091913年间由密立根通过著名的年间由密立根通过著名的“油滴实验油滴实验”做做出的。目前出的。目前公认的电子电荷公认的电子电荷e的值为：的值为：密立根实验密立根实验更重要的发现更重要的发现是：是：电荷是量子化的电荷是量子化的，即任何带电体的电荷只能是即任何带电体的电荷只能是e的整数倍。的整数倍。从实验测到的比荷及从实验测到的比荷及e的数值，可以确定电子的质量。现在人们的数值，可以确定电子的质量。现在人们普遍认为电普遍认为电子的质量为：子的质量为：质子质量与电子质量的比值为：质子质量与电子质量的比值为：一、电子的发现密密立根测电子电量立根测电子电量通常情况下，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？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？思考与讨论枣糕模型（枣糕模型（西瓜模型西瓜模型）汤姆孙汤姆孙汤姆孙提出了 二、汤姆孙的原子核模型电子电子正电荷正电荷原子是一个球体，正电荷均匀正电荷均匀分布在球体中分布在球体中，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这个模型不久就被实这个模型不久就被实这个模型不久就被实验事实否定了验事实否定了验事实否定了验事实否定了 二、汤姆孙的原子核模型19031903年年勒纳德勒纳德实验实验：使：使电子束射到金属膜上。电子束射到金属膜上。1 1 1 1、现象：、现象：、现象：、现象：较高速度的电子束很容易穿透原子。较高速度的电子束很容易穿透原子。2 2 2 2、推断：、推断：、推断：、推断：说明原子内部很空，或者说原子不是一个实心球体。说明原子内部很空，或者说原子不是一个实心球体。3 3 3 3、矛盾：、矛盾：、矛盾：、矛盾：与汤姆孙的原子模型（实心）不符。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，再后来卢瑟福说明汤姆孙的枣糕模型是有问题的，再后来卢瑟福粒子散射实验则粒子散射实验则完全否定了汤姆孙的模型。完全否定了汤姆孙的模型。勒纳德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。二、汤姆孙的原子核模型 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”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）。粒子特性：粒子特性：（1 1）具有足够的能量可以接近原子中心。）具有足够的能量可以接近原子中心。（2 2）可使荧光物质发光。）可使荧光物质发光。三、卢瑟福的核式结构模型 三、卢瑟福的核式结构模型 粒子粒子: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，质量为 氢原子质量的氢原子质量的4 倍、电子质量的倍、电子质量的7300倍。倍。1909 年，英国物理学家卢瑟福指导他年，英国物理学家卢瑟福指导他的助手盖革和马斯顿进行的助手盖革和马斯顿进行粒子散射粒子散射实验的研究时，所用仪器的示意图。实验的研究时，所用仪器的示意图。1、粒子散射实验粒子散射实验实验原理和实验装置实验原理和实验装置M显微镜显微镜带有光屏带有光屏S，可以在水平而内转，可以在水平而内转 到不同的方向对散射的到不同的方向对散射的粒子进行观察。粒子进行观察。R是被铅块包围的是被铅块包围的粒子源粒子源F是是金箔：接收金箔：接收粒子的轰击粒子的轰击 当当粒子打到金箔时，发生了粒子打到金箔时，发生了粒子的散射。粒子的散射。统计散射到各个方向的统计散射到各个方向的粒子所占的比例，可以粒子所占的比例，可以推知原子中电荷的分布情况。推知原子中电荷的分布情况。三、卢瑟福的核式结构模型2、粒子散射实验粒子散射实验现象现象绝大多数绝大多数粒子穿过金箔后，粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进基本上仍沿原来的方向前进。极少数极少数偏转的角度甚至大于偏转的角度甚至大于90，也就是说，它们几乎被，也就是说，它们几乎被“撞了回来撞了回来”。少数少数粒子（约占粒子（约占 ）发生了）发生了大角度偏转大角度偏转，三、卢瑟福的核式结构模型 粒子的质量大约是电子质量的粒子的质量大约是电子质量的7300倍倍，粒子与电子碰撞粒子与电子碰撞时，时，对对粒子速度影响的粒子速度影响的很小很小，碰撞前后，质量大的，碰撞前后，质量大的粒子速度几乎不变粒子速度几乎不变。只可能是电子的速度发生大的改变，。只可能是电子的速度发生大的改变，因此因此不可能出现不可能出现粒子反弹现象粒子反弹现象，即使是非对心碰撞，即使是非对心碰撞，也不会有大角度散射。也不会有大角度散射。按照按照J.J.汤姆孙的原子模型，正电荷均匀分布在整汤姆孙的原子模型，正电荷均匀分布在整个原子球体内，个原子球体内，由于受库仑斥力的作用，由于受库仑斥力的作用，粒子穿过粒子穿过原子时，受到的各个方向正电荷的原子时，受到的各个方向正电荷的斥力基本会相互平斥力基本会相互平衡衡，因此对，因此对粒子运动的影响不会很大。粒子运动的影响不会很大。大部分大部分粒子粒子会有小角度偏转，会有小角度偏转，但但不可能有大角度偏转。不可能有大角度偏转。3、由汤姆孙的西瓜模型，、由汤姆孙的西瓜模型，粒子散射实验应该看到的现象：粒子散射实验应该看到的现象：三、卢瑟福的核式结构模型3、对对粒子散射实验的解释粒子散射实验的解释J.J.汤姆孙的模型汤姆孙的模型无法解释大角度散射的实验结果。无法解释大角度散射的实验结果。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。这样才会使围。这样才会使粒子在经过时受到很强的斥力，使其发生粒子在经过时受到很强的斥力，使其发生 大角度的偏转。大角度的偏转。大角度的偏转不可能是电子造成的大角度的偏转不可能是电子造成的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 因为电子的质量只有因为电子的质量只有粒子的粒子的 ，它对，它对粒子速度的大小粒子速度的大小和方向的影响就像灰尘对枪弹的影响，完全可以忽略。和方向的影响就像灰尘对枪弹的影响，完全可以忽略。