物理觀念∶知道原子核式結(jié)夠模型，體會物理模型建立的艱辛。
科學(xué)思維∶通過a粒子散射實驗，知識通過宏觀分析研究微觀世界的方法。
科學(xué)探究：通過觀察電子的發(fā)現(xiàn)過程實驗和a粒子散射實驗過程培養(yǎng)學(xué)生觀察能力，感悟以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)探究方法。
科學(xué)態(tài)度與責任∶體會研究微觀世界的一種科學(xué)方法，以及在科學(xué)方法論中的重要意義。學(xué)習(xí)老科學(xué)家們的艱苦奮斗的精神，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。
教學(xué)重難點
教學(xué)重點：電子發(fā)現(xiàn)的過程、a粒子散射實驗和原子核式結(jié)構(gòu)。
教學(xué)難點：a粒子散射實驗。
教學(xué)過程
【新課引入】
很早以來，人們一直認為構(gòu)成物質(zhì)的最小粒子是原子。
科學(xué)家在研究稀薄氣體放電時發(fā)現(xiàn)，當玻璃管內(nèi)的氣體足夠稀薄時，陰極就發(fā)出一種射線。它能使對著陰極的玻璃管壁發(fā)出熒光，這種射線的本質(zhì)是什么呢?
這種射線稱為陰極射線。
歷史上對陰極射線本質(zhì)的認識有兩種觀點：德國科學(xué)赫茲認為原子就是最小的粒子，陰極射線是電磁波；英國科學(xué)湯姆孫他認為陰極射線是由運動的帶電粒子組成的。
那么，陰極射線的本質(zhì)是什么？
【新知探究】
（一）電子的發(fā)現(xiàn)
1.湯姆孫實驗裝置
①K產(chǎn)生陰極射線
②A、B形成一束細細射線
③D1、D2之間加電場或磁場檢測射線的帶電性質(zhì)
④熒光屏顯示陰極射線到達的位置，可以研究射線的徑跡。
問題：陰極射線的本質(zhì)，通過什么原理來測定呢？
因為帶電粒子會在電場或磁場中偏轉(zhuǎn)。所以讓陰極射線沿垂直場的方向通過電場或磁場，觀察它是否偏轉(zhuǎn)。如果陰極射線發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，那么陰極射線就是在電場力或洛倫茲力的作用下偏轉(zhuǎn)的，說明陰極射線的本質(zhì)是帶電粒子流。如果陰極射線沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，表示陰極射線不帶電，說明陰極射線的本質(zhì)是電磁波。
2.湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子
湯姆孫發(fā)現(xiàn)，如果不加電場和磁場陰極射線就會直接打到p1。如果只加電場，陰極射線就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，落在p2。 這是往正極方向偏，說明陰極射線帶負電。即
陰極射線的本質(zhì)是帶負電的粒子流。
湯姆孫還求出了這種粒子的比荷。
問題：怎么求這種粒子的比荷？
在上面的基礎(chǔ)上，加上磁場，調(diào)整磁場大小是陰極射線剛好不偏轉(zhuǎn)，此時帶電微粒所受洛倫茲力與電場力相等
qE=qvB…①
咱去掉電場，只保留磁場此時陰極射線向上偏轉(zhuǎn)達到P3，這些微粒在磁場中做的是勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力
…②
這其中半徑r可以通過幾何方法算出。
聯(lián)立①②就能求出比荷啦。
湯姆孫用不同的物質(zhì)材料重復(fù)這個實驗，他發(fā)現(xiàn)從不同材料中，都能發(fā)出陰極射線，而且他們都帶負電，比荷也都相同。
問題：這說明了什么？
這說明這種微粒是構(gòu)成各種物質(zhì)的共有成分。
至此，帶電微粒說獲勝。后來，組成陰極射線的粒子被稱為電子。電子是比原子更基本的物質(zhì)單元，是原子的組成部分。
問題：電子的電量和質(zhì)量究竟是多少呢？
3.密立根測電子電量
湯姆孫已經(jīng)測定了電子的比荷，所以接下來只要測出電量質(zhì)量，也就可以算出。
問題：那單個電子的電量是如何測量的呢？
美國物理學(xué)家密立根就他著名的油滴實驗完成了這個測量。
實驗原理：兩塊平行板中有質(zhì)量為m，帶電量為q的油滴。油滴受到重力和電場力的作用，通過調(diào)節(jié)電壓是油滴在電場中靜止受力平衡。
…①
問題：m要如何測量呢？
可以把平行板間電壓撤掉，這樣一來，油滴在重力作用下加速下落，而空氣阻力f與油滴下落的速度v成正比，也會不斷增加。直到油滴做勻速直線運動，此時的重力與阻力是平衡的
mg=kv…②
聯(lián)立①②得油滴電量。其中比例系數(shù)k油滴與半徑和空氣的粘滯系數(shù)有關(guān)。
由于當時使用的粘滯系數(shù)并不十分準確，這個結(jié)果與真實值略有偏差?，F(xiàn)在測量的真實值是
e=1.602×10-19C
密立根發(fā)現(xiàn)：電荷是量子化的，任何帶電體的電荷只能是e的整倍。
這就是咱們熟悉的元電荷e。
有了電子的電量e，再結(jié)合湯姆森求出的電子比荷，就可以算出電子的質(zhì)量
me=9.109×10-31kg
它是質(zhì)子質(zhì)量的1/1836，所以電子真是非常微小的。
4.電子的普遍性
湯姆孫又進一步研究了許多新現(xiàn)象，如光電效應(yīng)、熱離子發(fā)射效應(yīng)和β射線等。他發(fā)現(xiàn)，不論陰極射線、光電流、熱離子流還是β射線，它們都包含電子。也就是說，不論是由于正離子的轟擊、紫外光的照射、金屬受熱還是放射性物質(zhì)的自發(fā)輻射，都能發(fā)射同樣的帶電微?！娮印?br>課堂練習(xí)
例1：下列是某實驗小組測得的一組電荷量，那些是符合事實的（ ）
+3×10-19C
+4.8×10-19C
-3.2×10-26C
-4.8×10-19C
解析：電荷是量子化的，任何帶電體的電荷只能是e的整倍。1.6×10-19C是目前為止自然接種最小的電荷量，故選BD。
思考與討論
通常情況下，物質(zhì)是不帶電的，因此，原子應(yīng)該是電中性的。既然電子是帶負電的，質(zhì)量又很小，那么，原子中一定還有帶正電的部分，它具有大部分的原子質(zhì)量。
請你設(shè)想一下，原子中帶正電的部分以及帶負電的電子可能是如何分布的?那原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣的呢？
（二）原子的核式結(jié)構(gòu)模型
1.湯姆孫棗糕模型
他認為：原子是一個實心球體。正電荷均勻地分布于整個球體內(nèi)，電子則稀疏嵌在球體中，正負電荷電量相等，所以原子整體顯電中性。
棗糕模型的作用：能解釋元素周期律，能解釋陰極射線的現(xiàn)象，能估算出原子的大小。
正是由于湯姆孫模型能夠解釋當時很多的實驗事實，所以當時被許多物理學(xué)家所接受。
模型被動搖：1903年，納得在實驗中發(fā)現(xiàn)，高速運動的電子很容易穿透金屬箔，看起來原子內(nèi)部是十分空虛的，并不像是實心球體，這個模型可能不正確。
問題：物理學(xué)家提出了多種多樣的原子結(jié)構(gòu)模型，究竟哪一個正確呢？
研究原子結(jié)構(gòu)模型的方法：原子實在太小，無法直接觀測?？茖W(xué)家用高速粒子轟擊實驗材料，或者讓兩種粒子高速對撞，從粒子內(nèi)部打出碎片，甚至創(chuàng)出新粒子，從而尋得內(nèi)部結(jié)構(gòu)的蛛絲馬跡。
2.a粒子散射實驗
為了證實湯姆孫原子模型的正確性，1909年英國物理學(xué)家盧瑟福和他的學(xué)生蓋革與馬順用a粒子轟擊金箔，然而實驗結(jié)果確成了否定湯姆孫原子模型的有力證據(jù)。這就是著名的a粒子散射實驗。
①實驗材料的選擇
問題：那什么是a粒子呢？a射線是高速運動的氦原子核。質(zhì)量是氫原子質(zhì)量的四倍，電子質(zhì)量的7300倍，帶兩個單位的正電荷。
問題：為什么選擇a粒子呢？
首先是容易獲得，從放射源中就能得到他。其次它質(zhì)量大，速度快，就足夠的能量可以接近原子中心。 最后它可以使熒光物質(zhì)發(fā)光，因此可以方便的捕捉它的軌跡。如果a粒子與其他粒子發(fā)生相互作用而改變運動方向，熒光屏就能夠顯示出它的方向變化。
問題：為什么用金箔作為靶材呢？
由于金的延展性很好，可以做的很薄，甚至只有1um厚。這樣一來，就可以減少a粒子與氫原子核發(fā)生二次碰撞的可能性。此外，金原子的質(zhì)量遠比a粒子要大，兩者之間發(fā)生了相互作用時，相互作用力對a粒子的運動影響較大，而對氫原子影響很小。
選擇材料的理由你都清楚了，這實驗究竟是怎么做的呢？
②實驗原理和實驗裝置
＊R是被鉛塊包圍的a粒子源
＊F是金箔：接收a粒子的轟擊
＊M是一個帶有光屏S的放大鏡，可以在水平而內(nèi)轉(zhuǎn)到不同的方向?qū)ι⑸涞腶粒子進行觀察。
注意：整個裝置還要放在真空中，以防止a射射線電離空氣影響實驗結(jié)果。
實驗原理：當a粒子打到金箔時，由于金原子中的帶電粒子對a粒子有庫侖力的作用，發(fā)生了a粒子的散射。統(tǒng)計散射到各個方向的a粒子所占的比例，可以推知原子中電荷的分布情況。
動圖展示實驗過程。
實驗裝置，你清楚了，實驗結(jié)果如何呢？
思考與討論
Ⅰ.a粒子射入金箔時難免與電子碰撞。試估計這種碰撞對a拉子速度影響的大小
Ⅱ.按照湯姆孫的原子模型，正電荷均勻分布在整個原子球體內(nèi)。
請分析：a粒子穿過金箔，受到電荷的作用力后，沿哪些方向前進的可能性較大，最不可能沿哪些方向前進。
分析：碰撞前后，質(zhì)量大的a粒子速度幾乎不變。只可能是電子的速度發(fā)生大的改變，因此不可能出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，也不會有大角度散射。
那實驗結(jié)果到底是如何的呢？
③實驗結(jié)果
＊絕大部分a粒子基本上仍按原來方向前進。
＊少數(shù)a粒子粒子發(fā)生了大角度偏折
＊極少數(shù)偏轉(zhuǎn)角度超過90度，還有個別粒子，幾乎是被180度反彈回來的。
對于這一實驗結(jié)果，盧瑟福后來回憶說，這是我一生中從未有的最難以置信的事兒。這就好像你朝一張衛(wèi)生紙射出一發(fā)炮彈，炮彈卻彈回來打中你一樣。
問題：粒子大角度散射甚至被彈回的原因是什么呢？
3.對a粒子散射實驗的解釋
①粒子出現(xiàn)大角度散射有沒有可能是與電子碰撞后造成的？
大角度的偏轉(zhuǎn)不可能是電子造成的，因為它的質(zhì)量只有a粒子的，它對a粒子速度的大小和方向的影響就像灰塵對槍彈的影響，完全可以忽略。因此粒子的偏轉(zhuǎn)主要是由原子大部分質(zhì)量的帶正電部分造成的。
②那有沒有可能是由于穿過多層原子造成偏轉(zhuǎn)角度增大呢？
計算表明，由于每次的偏振方向都是隨機的，最終發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的概率非常小，反彈的幾率只有10-3500。但實驗中反彈的幾率有。
③棗糕模型能否解釋大角度偏轉(zhuǎn)呢？
不能。
因為按照湯姆孫模型來分析，a粒子穿過原子時前進方向兩側(cè)的正電荷，對它的庫侖力幾乎相互抵消。因此無法讓它偏轉(zhuǎn)更多。所以更加堅定的認為，粒子的偏轉(zhuǎn)主要是由原子大部分質(zhì)量的帶正電部分造成的。
問題：那這個現(xiàn)象究竟應(yīng)該怎么解釋呢？
④盧瑟福對a粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的解釋
實驗中發(fā)現(xiàn)少數(shù)的a粒子發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)的個別a粒子甚至被彈回。這個現(xiàn)象能表明什么呢？
盧瑟福認為：粒子在原子中某個地方遇到了質(zhì)量，電量均比他們本身大的多的物體，而這種遇上的概率又很小，也就是說原子中的質(zhì)量和電荷不是均勻分布，而是集中在某個很小的范圍內(nèi)。這樣才會使粒子在經(jīng)過時受到很強的斥力，使其發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。
⑤盧瑟?！耸浇Y(jié)構(gòu)模型
盧瑟福提出的原子核式結(jié)構(gòu)模型，認為：
＊原子的幾乎全部質(zhì)量和全部正電荷都集中于一個很小的區(qū)域內(nèi)，叫做原子核。
＊原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里
＊帶負電的電子在核外空間繞著核旋轉(zhuǎn)做圓周運動（動圖展示）
按照這個模型，當a粒子進入原子時，大部分離原子核比較遠，受庫侖力小，運動方向改變不大。只有極少數(shù)a粒子距離原子核很近，受到很強的庫侖力，才會發(fā)生大角度散射，甚至被彈回。按照這個理論計算，在散射角方向上觀察到的a粒子數(shù)，與實驗數(shù)據(jù)符合得很好。這個解釋對之后的近代物理研究有很大啟發(fā)。
（三）原子核的電荷與尺度
1.電子數(shù)與原子序數(shù)
由于原子是電中性的，原子核所帶正電荷數(shù)等于電子數(shù)。
科學(xué)家們注意到各種元素的原子核的電荷數(shù)，即原子內(nèi)的電子數(shù)，非常接近它們的原子序數(shù)。這說明元素周期表中的各種元素是按原子中的電子數(shù)排列的。
原子核所帶正電荷數(shù)=核外電子數(shù)=該元素在周期表內(nèi)的原子序數(shù)
2.原子核的尺度
實驗中大部分a粒子在穿過數(shù)千曾經(jīng)原則的厚度后，運動方向仍沒有發(fā)生大的改變，正說明原子中的絕大部分是空的，原子核的半徑是很難測量的，一般通過其他粒子與核的相互作用來確定。
實驗確定的核半徑的數(shù)量級為10-l5m，而整個原子半徑的數(shù)量級是10-10m，兩者相差十萬倍之多?？梢娫觾?nèi)部是十分"空曠"的。
〖例1〗在α粒子散射實驗中，使少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的作用力是原子核對α粒子的（ ）
萬有引力
庫侖力
磁場力
核力
解析：在a粒子散射實驗中，使少數(shù)a粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的作用力是金箔中的原子核對a粒子的庫侖斥力。選項B正確。
〖例2〗關(guān)于α粒子散射實驗，下列說法正確的是
在實驗中觀察到的現(xiàn)象是絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后，仍沿原來方向前進，少數(shù)發(fā)生了較大偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)偏轉(zhuǎn)超過 90°，有的甚至被彈回接近180°
使α粒子發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)的力是來自帶負電的核外電子；當α粒子接近電子時，是電子的吸引力使之發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)
實驗表明原子中心有一個極小的核，它占有原子體積的極小部分
實驗表明原子中心的核帶有原子的全部正電荷及全部質(zhì)量
解析：選項A是對該實驗現(xiàn)象的正確描述，故選項A正確；選項B，使a粒子偏轉(zhuǎn)的力是原子核對它的靜電排斥力，而不是電子對它的吸引力，故選項B錯誤；選項C是對實驗結(jié)論之一的正確分析；原子核集中了全部正電待和幾乎全部質(zhì)量。因為核外還有電子占有質(zhì)量。故選項D借誤。
〖例3〗盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)理論的主要內(nèi)容有（ ）
原子的中心有個核，叫原子核
原子的正電荷均勻分布在整個原子中
原子的全部正電荷和幾乎全部的質(zhì)量都集中在原子核里
帶負電的電子在核外繞核旋轉(zhuǎn)
解析：根據(jù)a粒子散射實驗現(xiàn)象盧瑟福提出了原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說，包括三點內(nèi)容，選項ACD正確。
〖例4〗一個半徑為1.64×10-4cm的帶負電的油滴，在電場度等于1.92V/m、方向下的勻強電場中，如果油滴受到的庫侖力恰好與重力平衡，問：這個油滴帶有幾個電子的電荷?己知油的密度為0.851×103kg/m3
解：油滴的質(zhì)量，油滴受到的重力，庫侖力F=qE。
由平衡條件，可知。電子個數(shù)與電荷量的關(guān)系為q=Ne。因此，電子的個數(shù)為。
【課堂小結(jié)】
【隨堂演練】
1．關(guān)于陰極射線，下列說法正確的是（ ）
A．陰極射線就是稀薄氣體導(dǎo)電的輝光放電現(xiàn)象
B．陰極射線是在真空管內(nèi)由陰極發(fā)出的電子流
C．陰極射線是某一頻率的電磁波
D．陰極射線可以直線傳播，也可被電場、磁場偏轉(zhuǎn)
答案：BD
2．有一電子（電荷量為e）經(jīng)電壓為U0的電場加速后，進入兩塊間距為d，電壓為U的平行金屬板間，若電子從兩板正中間垂直電場方向射入，且正好能穿過電場，求：
（1）金屬板AB的長度；
（2）電子穿出電場時的動能。
答案：（1）d2U0U（2）eU0+U2
3．在用α粒子轟擊金箔的實驗中，盧瑟福觀察到的α粒子的運動情況是（ ）
A．全部α粒子穿過金屬箔后，仍按原來的方向前進
B．絕大多數(shù)α粒子穿過金屬箔后，仍按原來的方向前進，少數(shù)發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)甚至被彈回
C．少數(shù)α粒子穿過金屬箔后，仍按原來的方向前進，絕大多數(shù)發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，甚至被彈回
D．全部α粒子都發(fā)生很大偏轉(zhuǎn)
答案：B
4．在α粒子散射實驗中，沒有考慮α粒子跟電子的碰撞，其原因是（ ）
A．α粒子不跟電子發(fā)生相互作用
B．α粒子跟電子相碰時，損失的能量極少，可忽略
C．電子的體積很小，α粒子不會跟電子相碰
D．由于電子是均勻分布的，α粒子所受電子作用的合力為零
答案：B
5．在盧瑟福的α粒子散射實驗中，有少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，其原因是
A．原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在一個很小的核上
B．正電荷在原子中是均勻分布的
C．原子中存在著帶負電的電子
D．原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中
答案：A
【教學(xué)反思】
本節(jié)教學(xué)中始終以實驗為基礎(chǔ)，通過宏觀現(xiàn)象來研究微觀結(jié)構(gòu)，為了有助于觀察，可以用課件模擬湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子實驗，a粒子散射實驗，在教學(xué)中突出問題提出的實驗基礎(chǔ)和研究問題的方法和過程。本節(jié)內(nèi)容屬于定性介紹，這些知識可能學(xué)生都已經(jīng)了解過，會有輕視心理，所以教學(xué)時精心設(shè)計問題。通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解到人類是怎樣在實驗與理論的相互推動下不斷加深對原子結(jié)構(gòu)的認識的，教學(xué)中應(yīng)該重視唯物辯證主義觀點和科學(xué)的思想方法的教育。

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3 原子的核式結(jié)構(gòu)模型

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