原子的核式結構模型

【教學目標】

一、知識與技能

1．了解陰極射線及電子發現的過程。

2．了解原子結構模型建立的歷史過程及各種模型建立的依據。

3．知道粒子散射實驗的實驗方法和實驗現象，及原子核式結構模型的主要內容。

二、過程與方??法

1．通過對粒子散射實驗結果的討論與交流，培養學生對現象的分析中歸納中得

出結論的邏輯推??理能力。

2．通過核式結構模型的建立，體會建立模型研究物理問題的方法，理解物理模型

的演化及其在物理學發展過程中的作用。

3．了解研究微觀現象的方法。

三、情感、態度與價值觀

1．理解人類對原子的認識和研究經歷了一個十分漫長的過程，這一過程也是辯證

發展的過程，根據事實建立學說，發展學說，或是決定學說的取舍，發現新的事實，再

建立新的學說。人類就是這樣通過光的行為，經過分析和研究，逐漸認識原子的。

2．通過對原子模型演變的歷史的學習，感受科學家們細致、敏銳的科學態度和不

畏權威、尊重事實、尊重科學的科學精神。

3．通過對原子結構的認識的不斷深入，使學生認識到人類對微觀世界的認識是不

斷擴大和加深的，領悟和感受科學研究方法的正確使用對科學發展的重要意義。

【教學重點】

1．電子的發現。

2．原子的核式結構模型。

【教學難點】

粒子散射實驗。

【教學過程】

??

一、新課導入

很早以來，人們一直認為構成物質的最小粒子是原子。科學家在研究稀薄氣體放電

時發現，當玻璃管內的氣體足夠稀薄時，陰極就發出一種射線。它能使對著陰極的玻璃

管壁發出熒光。

實驗演示：觀察陰極射線管

1876年，德國物理學家戈德斯坦認為管壁上的熒光是由于玻璃受到的陰極發出的

某種射線的撞擊而引起的，并把這種未知射線稱之為陰極射線。

那么，陰極射線的本質是什么？

二、新課教學

（一）電子的發現

對于陰極射線的本質，有大量的科學家作了大量的科學研究，主要形成了兩種觀點。

（1）電磁波說：

代表人物：赫茲。認為這種射線的本質是一種電磁波的傳播過程。

（2）粒子說：

代表人物：湯姆孫。認為這種射線的本質是一種高速粒子流。

思考：你能否設計一個實驗來進行陰極射線的研究，能通過實驗現象來說明這種射

線是一種電磁波還是一種高速粒子流。

如果出現什么樣的現象就可以認為這是一種電磁波，如果出現其他什么樣的現象就

可以認為這是一種高速粒子流，能否測定這是一種什么粒子。

1．湯姆孫的研究

英國物理學家湯姆孫在研究陰極射線時發現了電子。實驗裝置如圖所示，從高壓電

場的陰極發出的陰極射線，穿過D1D2后沿直線打在熒光屏P上。

思考：

（1）實驗目的是什么？

（2）判斷陰極射線是否是帶電粒子流的基本方法是什么？

（3）測陰極射線比荷的基本思路是怎樣的？

（4）哪些量可以當作已知量處理？

教師解答：

（1）實驗目的：

①判斷陰極射線是否帶電。

②如果陰極射線帶電，則測出其比荷。

（2）判斷陰極射線是否是帶電粒子流的基本方法是什么？

讓帶電粒子通過電場或磁場，觀察它是否偏轉。

如果偏轉則帶電，否則不帶電。

（3）測陰極射線比荷的基本思路是怎樣的？

①先加電場使陰極射線偏轉。

②再加磁場，調整電場磁場的強度，使陰極射線不偏轉。

③每個陰極射線微粒受到的庫侖力等于洛倫茲力，求出陰極射線的速度。

④只保留磁場，陰極射線只受洛倫茲力，做勻速圓周運動，再求比荷。

（4）哪些量可以當作已知量處理？

場強E，磁感應強度B，圓周運動的半徑r。

教師：施加電場E之后，射線發生偏轉并射到屏上P2處。由此可以推斷陰極射線

帶有什么性質的電荷？怎么判斷的？

學生：帶負電，因為場強E的方向豎直向上，而射線向下偏，說明電場力F的方

向豎直向下，所以射線帶負電。

教師：再加磁場抵消陰極射線的偏轉，使它從P2點回到P1，需要在兩塊金屬板之

間的區域再施加一個大小、方向合適的磁場。

這個磁場的方向是？根據什么判斷？

學生：垂直于黑板面向外，用左手定則判斷。

教師：怎么得到不偏轉的時候電子的速度？

學生：設粒子質量為m，帶電荷為e，受到磁場力和電場力的作用，如果不發生偏

轉，則受力平衡：

電，磁

?

，得：

?電=??=???磁=???

?

?教師=：?如?果=偏??轉?=P3?，我們可以?得=到?什么？

去掉D1、D2間的電場E，只保留磁場B，陰極射線在有

磁場的區域將會形成一個半徑為r的圓弧（r可以通過P3的位

置算出）。

得：

2

???

2

??=????=??

2．實驗結論：陰極射線是帶負電的粒子流。還可求出這種粒子的比荷。

湯姆孫還發現用不同材料的陰極做實驗，比荷數值都相同。

說明：不同物質都能發射這種帶電粒子，它是構成各種物質的共有成分。

湯姆孫還由實驗測得的陰極射線的比荷是氫離子的比荷近2000倍。后來，湯姆孫

直接測到了陰極射線粒子的電荷量，盡管當時測量很不準確，但足以證明這種粒子的電

荷量與氫離子大致相同，質量比氫離子小得多。

發現電子以后，湯姆孫進一步研究又發現了許多新現象：

金屬受熱→熱離子流

紫外線照射→光電流

放射性物質→β射線

湯姆孫后續的實驗粗略測出了這種粒子的電荷量確實與氫離子的電荷量差別不大，

證明了湯姆孫的猜測是正確的。湯姆生把新發現的這種粒子稱之為電子。

第一次較為精確測量出電子電荷量的是美國物理學家密立根利用油滴實驗測量出

的。密立根通過實驗還發現，電荷具有量子化的特征。即任何電荷只能是e的整數倍。

電子的電荷量：e＝1.60217733×10-19C

電子的質量：m＝9.1093897×10-31kg

（二）原子的核式結構模型

1．湯姆孫的原子模型在J.J.湯姆孫發現電子之后，對于原子中正負電荷如何分布的

問題，科學家們提出了許多模型。J.J.湯姆孫本人于1898年提出了一種模型。他認為，

原子是一個球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個球體內，電子鑲嵌其中。有人形象地

把他的這個模型稱為“西瓜模型”或“棗糕模型”。這個模型能夠解釋一些實驗現象。

但德國物理學家勒納德1903年做了一個實驗，使電子束射到金屬膜上，發現較高速度

的電子很容易穿透原子。這說明原子不是一個實心球體，這個模型可能不正確。之后不

久，粒子散射實驗則完全否定了這個模型。

?2?．粒子散射實驗

根據??湯姆生模型猜想的結果：

電子質量很小，對粒子的運動方向不會發生明顯影響；由于正電荷均勻分布，

粒子所受庫侖力也很小?，?故粒子偏轉角度不會很大。??

教師演示實驗，根據演?示?的實驗描述實驗現象：

（1）絕大多數粒子穿過金箔后仍沿原來方向前進；

（2）少數粒子??（約占8000分之一）發生了較大的偏轉；

（3）極少?數?粒子的偏轉超過了90°，有的甚至幾乎被撞了回來。

這個現象讓盧??瑟福很是震驚，在晚年曾說過：這是我一生中最不可思議的事件，就

像你對著一張紙發射一枚炮彈，卻被反射回來的炮彈擊中一樣的不可思議！

采訪學生：此刻的你有什么感想？

老師總結：這個結果固然讓我們震驚，很是激動，但是我覺得在這個過程中科學家

們的鍥而不舍、嚴謹務實的科學態度，更讓我們敬畏。

這個實驗是物理學史上十大最美實驗之一（伽利略的自由落體、卡文迪許的扭秤實

驗、密里根的油滴實驗，其他的大家不熟悉，有興趣的可以查資料了解）。

實驗結果與之前預測完全不一致！

思考：既然電子影響不大，那只能是正電荷，均勻分布又不行。那你認為原子中的

正電荷應如何分布，才有可能造成粒子的大角度偏轉？以及如何用你新的模型解釋三

條現象？??

學生討論

引導：不是電子，必為正電物質，但又不時均勻分布，那么質量和電荷量只能集中

在很小的空間內。

點評：盧瑟福也是這么想的！英雄所見略同！

總結原子特點：絕大部分是空的，正電體占原子質量絕大部分而只占據很小的空間

范圍。

老師：此時的盧瑟福既激動，又矛盾：難道湯姆孫的模型是錯誤的嗎？可是這是他

的恩師，也是當時物理學界的權威啊！如果是你，你會怎么做？（有前途，下一個盧瑟

福）

老師：最后他花了一兩年的時間，做了大量的實驗和理論計算后深思熟慮，決定尊

重事實，不畏權威，大膽的推翻了湯姆孫的模型，提出了核式結構模型。

3．原子的核式結構模型

（1）在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核。

（2）原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里。

（3）帶負電的電子在核外空間繞著核旋轉。

盧瑟福提出的原子模型中，帶正電的原子核像太陽，帶負電的電子像繞著太陽轉的

行星。因而這個模型又被稱為“行星模型”。而這個唯美的圖片也已經廣泛出現在科普

讀物上，稱為科學的標志。

再次驗證：盧瑟福以這個模型為依據，利用經典力學計算了各個方向粒子的比例，

結果與實驗數據符合的很好。

這里大家會發現一個很有趣的現象：剛開始我們公認的牛人：電子之父有著重要的

貢獻，但是今天所有的教科書都要批評他的西瓜模型。這也告訴我們：曾經正確的科學

家也會犯錯誤，矛盾的出現預示著新的理論的形成，也只有新的理論可以解決矛盾。科

學就是這樣螺旋式前進著，一步步地走向真理。

（三）原子核的電荷與尺度

1．原子核的帶電量

思考：原子核帶多少正電荷？

回答：原子核的電荷數＝電子數＝原子序數＝質子數

2．原子核的尺度

原子半徑的數量級多大？原子核半徑的數量級多大？

回答：原子半徑的數量級為10-10m、原子核半徑數量級為10-15m，兩者相差105倍！

舉例：假設我們的教室就是一個原子，半徑大約10米，大家找找原子核相當于教

室里的什么呢？

原子核的半徑大約只有0.1毫米！

相當于教室里的一個灰塵。

【練習鞏固】

1．電子的發現說明（）

A．原子是由原子核和電子組成的

B．物質是帶電的且一定帶負電

C．原子可進行再分

D．原子核可再分

答案：C

2．關于陰極射線，下列說法正確的是（）

A．陰極射線就是稀薄氣體導電的輝光放電現象

B．陰極射線是在真空管內由陰極發出的電子流

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

答案：BD

3．一只陰極射線管，左側不斷有電子射出，若在管的正下方，放一通電直導線AB

時，發現射線徑跡向下偏，則（）

A．導線中的電流由A流向B

B．導線中的電流由B流向A

C．若要使電子束的徑跡往上偏，可以通過改變AB中的電流方向來實現

D．電子束的徑跡與AB中的電流方向無關

答案：BC

4．有一電子（電荷量為e）經電壓為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）

2?0

（2）??

?

5．提?出原?0子+核2式結構模型的科學家是（）

A．湯姆孫B．法拉第

C．盧瑟福D．奧斯特

答案：C

6．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α粒子穿過金屬箔后，仍按原來的方向前進，少數