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1、原子的核式结构模型,教学目标,了解粒子散射实验原理和实验现象,知道卢瑟福的原子核式结构的主要内容,知道原子和原子核的大小数量级，原子核的电荷数,领会卢瑟福提出原子核式结构的实验和思维过程，培养学生抽象思维能力和想象力,教学重点,从粒子散射实验的结果分析否定枣糕模型，得出原子的核式结构,从粒子散射实验的结果分析否定枣糕模型，得出原子的核式结构,教学难点,英国伟大的科学家汤姆孙研究阴极射线，发现了电子,美国物理学家密立根通过“油滴实验”测得了电子的带电量,电子的发现不只是说明原子不是组成物质的最小微粒，更重要的是对揭示原子结构有重大意义,在我们生活的物质世界中，通常情况下物质本身都是呈电中性的。,
2、带负电电子的发现使人们推测原子中必然还有带正电荷的部分。,也就是说，原子是由两部分组成的。,一部分是电子，带负电。另一部分则带正电，而且其所带的正电荷应与电子所带的负电荷相等,原子的结构究竟是怎样的呢？,近代物理的三大发现即电子的发现和X射线的发现、放射现象的发现，成为了科学家构思原子结构的依据,设想原子的中心是带正电的粒子，外围是绕其运动的电子,佩兰,1901年，法国物理学家佩兰,原子的结构究竟是怎样的呢？,近代物理的三大发现即电子的发现和X射线的发现、放射现象的发现，成为了科学家构思原子结构的依据,1903年，日本科学家长冈半太郎，提出了“土星型模型”,认为电子均匀分布在一个环上，中心是一
3、个大质量的正电球,长冈半太郎,原子的结构究竟是怎样的呢？,近代物理的三大发现即电子的发现和X射线的发现、放射现象的发现，成为了科学家构思原子结构的依据,1904年，爱尔兰科学家汤姆孙提出了影响较大的“枣糕模型”,汤姆孙,了解汤姆逊的原子模型,了解原子的“土星”模型,汤姆孙模型,汤姆孙的原子模型,正电荷,电子,假想正电荷构成一个密度均匀分布的球体，电子“浸浮”其中，并分布在一些特定的同心圆环或球壳上,汤姆孙的原子模型,汤姆孙提出的“枣糕模型”是否正确呢？,如果能直接观测就好了,原子很小，原子的结构非常紧密，用一般的方法是无法直接观测到它的内部结构的,那么我们需要采用什么样的方法来认识原子的结构呢
4、？,要认识原子的结构，需要用高速粒子对它进行轰击,由于粒子具有足够的能量，可以接近原子中心，它还可以使荧光屏物质发光,如果粒子与其他粒子发生相互作用而改变运动方向，荧光屏就能够显示出它的方向变化,新西兰物理学家卢瑟福通过粒子散射的方法来研究原子结构,卢瑟福,卢瑟福,了解粒子散射实验的原理,了解粒子散射实验装置,能描述粒子散射实验结果,粒子散射实验,粒子散射实验,粒子：带有两个正电荷，质量约为电子的7300倍,粒子放射源,金箔,带有荧光屏的显微镜,荧光屏,19091911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手们进行了粒子散射实验,粒子放射源被封装在铅盒内，在铅盒上有一个小孔，这样粒子可以从小孔发射出来
5、,用金材料做成的金属箔片，厚度约为1微米,被散射的粒子打在荧光屏上会产生荧光，显微镜可以绕平板边缘做圆周运动，这样可以通过荧光屏上的荧光来观察粒子轰击金箔后被散射的径迹,粒子散射实验,整个实验过程在真空中进行,粒子是氮原子核，体积很小，金箔需要做得很薄， 粒子才能穿过,粒子散射实验,实验结果：,（1）绝大多数粒子穿过金箔后基本上沿原来的方向前进或发生很小的偏转,（2）少数粒子发生了较大的偏转,（3）极少数粒子的偏转角超过了90度，有极个别甚至接近180度，就像被弹回来了一样,卢瑟福,卢瑟福和他的学生惊呼：“这件事情是如此的不可能，就好像你用炮弹射向一层薄纸，但炮弹却被纸弹了回来”,粒子散射实验
6、的分析,粒子大角度散射甚至被弹回的原因是什么呢？,粒子出现大角度散射有没有可能是与电子碰撞后造成的？,粒子：带有两个正电荷，质量约为电子的7300倍,因为带负电的电子质量太小，如果质量大的粒子与电子发生碰撞，那么电子对粒子的速度大小和方向的影响就像灰尘对炮弹的影响，完全可以忽略,粒子散射实验的分析,“枣糕模型”能否解释粒子在穿越原子内部后发生的大角度偏吗？,按照汤姆孙的“枣糕模型”正电荷在原子内部均匀分布，那么粒子穿过原子时，由于粒子两侧正电荷对它的斥力大部分互相抵消，使粒子偏转的力不会很大,这样，汤姆孙的“枣糕模型”虽然能够解释绝大多数的粒子基本上仍沿原方向进行，但是却无法解释大角度散射的实
7、验结果,粒子散射实验的分析,实验中发现少数的粒子发生大角度的偏转，极少数的个别粒子甚至被弹回。,这个现象能表明什么呢？,实验结果表明这些粒子在原子中的某个地方受到了质量、电量均比本身大得多的物体的作用,粒子散射实验的分析,另外金箔的厚度大约是1m，而金原子的直径约为,也就是说，绝大多数的粒子在穿过金箔时，相当于穿过几千个金原子的厚度，但它们的运动方向却没有发生明显的变化,这个现象表明了绝大多数的粒子在穿过金箔时基本上没有受到力的作用,说明原子中的绝大部分是“空”的，原子的质量和电量都集中在体积很小的部分上,客观的实验结果分析让卢瑟福对导师汤姆孙的“枣糕模型”的观点产生了质疑并大胆否定,卢瑟福,
8、1911年，新西兰物理学家卢瑟福提出原子的核式结构模型,知道卢瑟福的原子核式结构模型的主要内容,会用原子核式模型解释粒子散射实验的结果,原子核式结构模型,在原子的中心有一个体积很小、带正电荷的核，叫做原子核,原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里,带负电的电子在核外空间绕着核旋转做圆周运动,原子核式结构模型对粒子散射实验的解释,解释粒子散射实验,当粒子接近原子时，电子对它的影响仍如前述可以忽略，但是带正电的原子核则不同。,因为原子核很小，原子内部非常“空旷”，所以绝大多数粒子从离核较远的地方经过时，受到带有同种电荷的原子核的斥力就很小，因此几乎不发生偏转。,只有极少数的粒子有机会从离核
9、很紧的地方经过，受到比较大的斥力，才会发生大角度的偏转。,原子核式结构模型对粒子散射实验的解释,解释粒子散射实验,卢瑟福以自己的原子的核式结构模型为依据，利用经典力学计算了向各个方向散射的粒子的比例，结果与实验数据符合得很好。,原子核式结构模型的反思,为什么卢瑟福认为电子一定要绕核运动呢？为什么电子不能静止呢？,如果电子是静止的，那么电子在正电荷的库仑力的作用下，要落在原子核上。,所以，电子应绕核运动，库仑力正好充当向心力,原子核式结构模型的反思,原子的核式结构模型中提到，原子中间有一个带正电的核，称为原子核。,原子核带多少个正电荷呢？,实验发现：由不同元素对粒子散射的实验数据可以确定各种元素
10、原子核的电荷，从而得到原子核所带正电荷的个数,原子的核式结构模型中提到，原子中间有一个带正电的核，称为原子核。,原子核的体积究竟有多小呢？,原子的半径是无法直接测量的，一般通过其他粒子与原子核的相互作用来确定。,粒子散射是估计原子核半径的最简单的方法,知道原子核电荷数、核外电子数、原子序数的概念,知道原子和原子核的大小数量级,原子的尺度,电荷数与原子序数,由于原子是电中性的，原子核所带正电荷数等于电子数。,科学家们注意到各种元素的原子核的电荷数，即原子内的电子数，非常接近它们的原子序数,这说明元素周期表中的各种元素是按原子中的电子数排列的。,原子核所带正电荷数=核外电子数=该元素在周期表内的原
11、子序数,原子的尺度,核式结构模型示意图,原子的尺度,可见，原子内部是十分“空旷”的,举一个简单的例子：,露珠,原子核,体育场,原子,原子的尺度,卢瑟福还指出由于电子本身的质量很小，所以原子核几乎集中了原子的全部质量,而原子核的体积又很小，所以其密度大的惊人,请同学们估算一下氢原子核的密度,原子的尺度,氢原子核的体积,氢原子核的密度,代入数据，得：,卢瑟福提出的核式结构模型，很好的解释了粒子散射实验，开辟了研究原子结构的新途径，但它同经典理论之间存在着抵触。,原子的核式结构模型与经典理论的矛盾,在核式结构模型中，电子绕原子核做圆周运动，电子必然具有向心加速度,根据经典电磁理论，带电粒子做加速运动
12、时，要向外发射电磁波，要辐射能量,因此，绕核运动的电子将不断的向外辐射电磁波，能量不断的减少，轨道半径会越来越小,经计算，大约只需要 ，电子就会沿螺旋轨道坠入原子核内，原子将不复存在！,原子的核式结构模型与经典理论的矛盾,此外，根据经典电磁理论，电子绕核运动所辐射的电磁波频率应当是连续分布的，即形成一个连续的频谱。,但是在实验中观察到的现象并非如此，只存在某些特定的分立的频率，形成的频谱是线状的。,原子的核式结构模型与经典理论的矛盾,由于这些矛盾和困惑的存在，原子的核式结构模型没有被普遍的接受。,面对这些问题，卢瑟福的学生丹麦物理学家玻尔进行了深刻的思考，提出了一个新的原子结构模型,问题与练习
13、,绘制一幅简图，用以说明卢瑟福进行粒子散射实验所用的仪器装置。他是怎样用这个装置观察粒子散射现象的？描述他观察到的现象。,放射源：放出粒子金箔：被粒子轰击的物质带有荧光屏的放大镜：用来观察粒子轰击金箔后的径迹整个装置置于真空中，粒子打在荧光屏上有微弱的闪光。由于放大镜能围绕金箔在一个圆周内转动，因此可以通过它观察到穿过金箔后偏转角度不同的粒子观察到的现象是：绝大多数粒子穿过金箔后基本上沿原来方向前进，少数粒子发生了大角度偏转，偏转超过了90甚至几乎达到180，像是被弹了回去,问题与练习,汤姆孙模型为什么不能解释粒子的大角度散射？,电子的质量很小，比粒子的质量小得多，粒子碰到金箔原子内的电子，运
14、动方向不会发生明显变化。汤姆孙模型认为正电荷在原子内是均匀分布的，因此当粒子穿过原子时，它受到两侧正电荷的斥力有相当大一部分互相抵消，使粒子偏转的力不会很大，不会有大角度偏转。所以汤姆孙模型不能解释粒子的大角度散射,问题与练习,卢瑟福提出的原理结构的模型是怎样的？他提出这种模型的依据是什么？,卢瑟福的原子核式结构模型是：在原子的中间有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中于原子核，带负电的电子在核外空间里绕核旋转。原子核式结构的依据是粒子散射实验。粒子穿过原子时，电子对它的运动影响很小，影响粒子运动的主体是原子核。粒子进入原子区域后，由于原子核很小，大部分粒子离核较远，受到的库仑力很小，运动方向几乎不变。极少数粒子距核较劲，因此受到很强的库仑力，发生大角度散射,问题与练习,假设原子核由一个篮球那么大，按照比例，整个原子有多大？,篮球大约是半径0.125m的球体，视为原子核，整个原子就是半径为12.5km的球体,问题与练习,粒子散射实验用的是金箔、铂箔等重金属箔，为什么不用轻金属箔，例如铝箔？,金原子的质量比粒子质量大得多，且几乎全部集中在金原子核内。当粒子穿过金原子区域，靠近金原子核时，其作用力对粒子运动方向影响很大，而对金原子影响很小,
