普通高中物理选择性必修三 第四章第3节 原子的核式结构模型

这是一篇关于原子的核式结构模型的竖屏导图，内容包括：电子的发现、原子的核式结构模型、原子核的电荷及尺寸。作为备课参考。

• 普通高中物理选择性必修三 第四章第3节 原子的核式结构模型
• 内容来源|普通高中教科书 物理 选择性必修第三册 人民教育出版社 软件|亿图脑图MindMaster
• 科学家在研究稀薄气体放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极就发出一种射线。它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光，这种射线的本质是什么呢？
  • 阴极射线的本质
    • 一种观点认为，它是一种电磁辐射。
    • 一种观点认为，它是带电微粒。
    • 如何用实验判断哪一种观点正确呢？
• 电子的发现
• J.J.汤姆孙
  • 英国物理学家J.J.汤姆孙认为阴极射线是带电粒子流。
  • 从1890年起，汤姆孙和他的助手进行了一系列的实验研究。
  • J.J汤姆孙对证实电子的存在有很大贡献，因此公认他是电子的发现者。他因气体导电的研究获得1906年的诺贝尔物理学奖。
• 发现电子的实验
  • 气体放电管
    • • 阴极K发出的带电粒子通过缝隙A、B形成一束细细的射线。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的位置，可以研究射线的径迹。
  • 阴极射线
    • 阴极射线产生的机理：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。
  • 比荷
    • 带电粒子的电荷量与其质量之比，即比荷，是一个重要的物理量。
    • 1897年，J.J.汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定，它的本质是带负电的粒子流，并求出了这种粒子的比荷。
    • 用不同材料的阴极做实验，所得比荷的数值都是相同的，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。
    • 阴极射线线粒子的比荷是氢离子（也就是质子）比荷的近两千倍。
  • 电子的发现
    • J.J.汤姆孙猜测，可能阴极射线粒子的电荷量的大小与一个氢离子一样，而质量比氢离子小得多。
    • 后来，J.J.汤姆孙直接测到了阴极射线粒子的电荷量，尽管测量不很准确，但足以证明这种粒子电荷量的大小与氢离子大致相同，这表明他的猜测是正确的。
    • 组成阴极射线的粒子被称为电子。
    • 电子的发现是物理学史上的重要事件。人们由此认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也有结构。
  • 后续的研究
    • 发现电子后，J.J汤姆孙又进一步研究了许多新再现象，如光电效应、热离子发射效应和b射线等。
    • J.J.汤姆孙发现，不论阴极射线、光电流、热离子流还是b射线，它们都包含同样的带电粒子——电子。
• 电子
  • 电子的电荷
    • 电子电荷精确测定是在1909~1913年间由密立根通过著名“油滴实验”做出的。
    • 密立根实验更重要的发现是：电荷是量子化的，即任何带电体的电荷只能是e的整数倍。
    • 目前公认的电子电荷e的值为
  • 电子的质量
    • 从实验可以确定电子的质量
    • 质子质量与电子质量的比值为
• 思考与讨论 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量。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？
• 原子核式结构模型
• J.J.汤姆孙模型
  • J.J.汤姆孙在发现电子之后，于1898年提出了一种模型。
  • 他认为：原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中。有人形象地把他的这个模型称为“西瓜模型”或“枣糕模型”。
  • 这个模型能够解释一些实验现象。但德国物理学家勒纳德1903年做了一个实验，使电子束射到金属膜上，发现较高速度的电子很容易穿透原子。
    • 说明原子不是一个实心球体，J.J.汤姆孙的模型可能不正确。
• a粒子散射实验
  • a粒子是从放射性物质（如铀或镭）中发射出来的快速运动的粒子，质量为氢原子质量的4倍，电子质量的7300倍。
  • 1909年，英国物理学家卢瑟福指导他的助手盖革和马斯顿进行a粒子散射的研究。
  • 当a粒子打到金箔时，由于金原子中的带电粒子对a粒子有库仑力的作用，一些a粒子的运动方向改变，也就是发生了a粒子散射。
    • 统计散射到各个方向的a粒子所占的比例，可以推知原子中电荷的分布情况。
    • 除了金箔，当时的实验还用了其他重金属箔，例如铂箔。
  • • a粒子源R是被铅块包围的，它发射的a粒子经过一条细通道，形成一束射线，打在金箔F上。
    • 显微镜M带有荧光屏S，可以在水平面内转到不同的方向对散射的a粒子进行观察。
    • 被散射的a粒子打在荧光屏上会有微弱的闪光产生。通过显微镜观察闪光就可以记录在某一时间内向某一方向散射的a粒子数。
    • 从a粒子放射源到荧光屏这段路程处于真空。
  • 实验发现
    • 绝大多数a粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数a粒子（约占1/8000）发生了大角度偏转，极少数偏转的角度甚至大于90°，也就是说，它们几乎被“撞了回来”。
• 思考与讨论 1、a粒子射入金箔时难免与电子碰撞。试估计这种碰撞对a粒子速度影响的大小。 2、按照J.J.汤姆孙的原子模型，正电荷均匀分布在整个原子球体内。试分析：a粒子穿过金箔，受到电荷的作用力后，沿哪些方向前进的可能性较大，最不可能沿哪些方向前进。
• 对a粒子散射 实验的解释
  • 大角度的偏转不可能是电子造成的，因为它的质量只有a粒子的1/7300，它对a粒子速度的大小和方向的影响就像灰尘对子弹的影响，完全可以忽略。
  • a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。按照J.J.汤姆孙的模型，正电荷是均匀地分布在原子内的，a粒子穿过原子时受到的各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡，因此对a粒子运动的影响不会很大。
    • J.J.汤姆孙的模型无法解释大角度散射的实验结果。
  • 卢瑟福分析了实验数据后认为，事实应该是：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a粒子在经过时受到很强的斥力，使其发生大角度的偏转。
  • 核式结构模型
    • 1911年，卢瑟福提出了自己的原子结构模型。
      • 原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动。
        • 正电体的尺寸是很小的，称为原子核。 卢瑟福的原子模型称为核式结构模型。
    • • a粒子接近原子时，电子对原子的影响可以忽略。
      • 正电体很小，当a粒子粒子进入原子区域后，大部分离正电体很远，受到的库仑斥力很小，运动方向几乎不改变。
      • 正电体很小，只有极少数a粒子在穿过时距离正电体很近，受到很强的库仑斥力，发生大角度散射。
    • 卢瑟福以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a粒子的比例，结果与实验数据符合得很好。
• 原子核的电荷与尺度
• 原子是由带电荷+Ze的核与核外Z个电子组成的。
  • 原子是电中性的，各种元素的原子核的电荷数，等于原子内的电子数。
    • 各种元素原子内的电子数，非常接近它们的原子序数，说明元素周期表中的各种元素是按原子中的电子数来排列的。
  • +Ze
    • Ze是原子核的电荷，单位是库仑。
    • Z是原子序数，也是原子核的电荷数。它表示原子核的电荷是一个电子电荷（绝对值）的多少倍。Z没有单位，或者说Z的单位是1。
    • 原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数就是核中的质子数。
• 通常用核的半径描述核的大小。
  • 原子核的半径是很难测量的。
    • a粒子散射可以用来估算核半径。
  • 对于一般的原子核，实验确定的核半径的数量级为10Ù-15m，而整个原子半径的数量级是10Ù-10m，两者相差十万倍之多。
    • 原子内部是十分“空旷”的。
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