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4.3 原子的核式
結構模型
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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，這種射線的本質是什么呢？
這種射線稱為陰極射線（cathode ray）。對這種射線本質的認識有兩種觀點：一種觀點認為，它是一種電磁輻射；另一種觀點認為，它是帶電微粒。如何用實驗判斷哪一種觀點正確呢？
4.3 原子的核式結構模型
一、電子的發現
英國物理學家J. J. 湯姆孫認為陰極射線是帶電粒子流
1、湯姆孫實驗裝置及實驗原理
陰極
⑵陰極射線通過A、B形成一束細細射線。
⑶D1、D2之間加電場（或磁場）檢測射線的帶電性質。
熒光屏
⑴陰極射線的產生機理：管中殘存氣體分子中的正負電荷在強電場的作用下被“拉開”（即氣體分子被電離），正電荷（即正離子）在電場加速下撞擊陰極，于是陰極釋放更多粒子流，形成了陰極射線。
陽極
縫隙
金屬板
一、電子的發現
2、測定粒子的比荷
⑴應用帶電粒子在恒定電場中的偏轉求比荷（電偏轉）
①兩極板C、D間無電場和磁場時，粒子將打在熒光屏上的O點。
③在兩極板間施加一個方向垂直于紙面向里、磁感應強度為B的勻強磁場，則粒子在熒光屏上產生的光點又回到O點。
②在極板間施加電壓U（上正下負），離開極板區域的粒子將打在熒光屏上的P點
2、測定粒子的比荷
⑵應用帶電粒子在恒定磁場中的偏轉求比荷（磁偏轉）
①兩極板C、D間無電場和磁場時，粒子將打在熒光屏上的O點。
②在兩極板間施加一個方向垂直于紙面向外、磁感應強度為B的勻強磁場，則離開極板區域的粒子將打在熒光屏上的P點。
③再在極板間施加電壓U（下正上負）則粒子在熒光屏上產生的光點又回到O點。
一、電子的發現
一、電子的發現
3、湯姆孫發現電子
⑴陰極射線的本質是帶負電的粒子流。
⑵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。
⑶陰極射線粒子電荷量的大小與一個氫離子一樣，而質量比氫離子小得多。
后來組成陰極射線的粒子被稱為電子
電子的發現是物理學史上的重要事件。人們由此認識到原子不是組成物質的最小微粒，原子本身也有結構。
4、密立根測電子電量
電子電荷的精確測定是在1909 1913年間由密立根通過著名的“油滴實驗”做出的。目前公認的電子電荷e的值為：
e＝ 1.602 176 634 × 10 -19 C
密立根實驗更重要的發現是：電荷是量子化的，即任何帶電體的電荷只能是e的整數倍。
從實驗測到的比荷及e的數值，可以確定電子的質量。現在人們普遍認為電子的質量為：
me＝ 9.109 383 56 × 10 -31 kg
質子質量與電子質量的比值為：
一、電子的發現
通常情況下，物質是不帶電的，因此，原子應該是電中性的。既然電子是帶負電的，質量又很小，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量。請你設想一下，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？
湯姆孫——西瓜模型（棗糕模型）
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。
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，α粒子散射實驗則完全否定了這個模型。。
二、原子的核式結構模型
從放射性物質（如鈾和鐳）中發射出來的快速運動的粒子，質量為氫原子質量的4 倍、電子質量的7300倍。
⑴α粒子
1909 年，英國物理學家盧瑟福指導他的助手蓋革和馬斯頓進行α粒子散射實驗的研究時，所用儀器的示意圖。
1、 α粒子散射實驗
⑵實驗原理和實驗裝置
③M顯微鏡帶有光屏S，可以在水平而內轉到不同的方向對散射的α粒子進行觀察。
①R是被鉛塊包圍的α粒子源
②F是金箔：接收α粒子的轟擊
當α粒子打到金箔時，發生了α粒子的散射。統計散射到各個方向的α粒子所占的比例，可以推知原子中電荷的分布情況。
1、 α粒子射入金箔時難免與電子碰撞。試估計這種碰撞對α粒子速度影響的大小。
2、按照J. J.湯姆孫的原子模型，正電荷均勻分布在整個原子球體內。請分析：α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。
α粒子的質量大約是電子質量的7300倍，α粒子與電子碰撞時，對α粒子速度影響的很小，碰撞前后，質量大的α粒子速度幾乎不變。只可能是電子的速度發生大的改變，因此不可能出現α粒子反彈現象，即使是非對心碰撞，也不會有大角度散射。
按照J. J.湯姆孫的原子模型，正電荷均勻分布在整個原子球體內，由于受庫侖斥力的作用，α粒子穿過原子時，受到的各個方向正電荷的斥力基本會相互平衡，因此對α粒子運動的影響不會很大。大部分α粒子會有小角度偏轉，但不可能有大角度偏轉。
二、原子的核式結構模型
⑶α粒子散射實驗現象
①絕大多數α粒子穿過金箔后，基本上仍沿原來的方向前進。
③極少數偏轉的角度甚至大于90°，也就是說，它們幾乎被“撞了回來”。
②少數α粒子（約占 ）發生了大角度偏轉，
二、原子的核式結構模型
2、對α粒子散射實驗的解釋
①J. J.湯姆孫的模型無法解釋大角度散射的實驗結果。
②占原子質量絕大部分的帶正電的物質集中在很小的空間范圍。這樣才會使α粒子在經過時受到很強的斥力，使其發生大角度的偏轉。
⑴大角度的偏轉不可能是電子造成的
⑵α粒子偏轉主要是具有原子的大部分質量的帶正電部分造成的
因為電子的質量只有α粒子的 ，它對α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。
二、原子的核式結構模型
3、盧瑟福核式結構模型
⑶帶負電的電子在核外空間繞著核旋轉做圓周運動
⑴在原子的中心有一個體積很小、帶正電荷的核，叫做原子核
⑵原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里
三、原子核的電荷與尺度
1、原子核的電荷、電子數、原子序數
⑴原子是由帶電荷＋Ze的核與核外Z個電子組成的。電子數Z等于原子核所帶正電荷數。
⑶原子核是由質子和中子組成的，原子核的電荷數就是核中的質子數。
Ze是原子核的電荷，單位是庫侖；Z是原子序數，也是原子核的電荷數，它表示原子核的電荷是一個電子電荷（絕對值）的多少倍。Z是沒有單位的，或者說Z的單位是1。
⑵原子序數Z 等于核電荷與電子電荷大小的比值
三、原子核的電荷與尺度
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。α粒子散射可以用來估算核半徑。對于一般的原子核，實驗確定的核半徑的數量級為10-15 m，而整個原子半徑的數量級是10-10 m，兩者相差十萬倍之多。
原子內部是十分“空曠”的
通常用核半徑描述核的大小
2、原子核的尺度
核半徑的數量級為10-15 m
原子半徑的數量級是10-10 m
體育場
原子
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！
原子核
三、原子核的電荷與尺度
1.湯姆孫發現電子
2.密立根油滴
電子的質量：me=9.109×10-31kg
一、電子的發現
二、原子的核式結構模型
1.盧瑟福通過α粒子散射實驗
原子的中心有一個體積很小、帶正電荷的核，叫做原子核
2.原子核式
結構模型
帶負電的電子在核外空間繞著核旋轉做圓周運動
原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里
三、原子核的電荷與尺度
原子內十分空曠
電子的電性
電子的比荷
測出電子電量：e=1.602×10-19C
絕大多數α粒子穿過金箔后，基本上仍沿原來的方向前進。
極少數偏轉的角度甚至大于90°，它們幾乎被“撞了回來”。
少數α粒子（約占 ）發生了大角度偏轉，
原子核的電荷數就是核中的質子數。
核半徑的數量級為10-15 m
【例題1】美國物理學家密立根通過如圖所示的實驗裝置，最先測出了電子的電荷量，被稱為密立根油滴實驗.兩塊水平放置的金屬板A、B分別與電源的正、負極相連接，板間產生勻強電場，方向豎直向下，圖中油滴由于帶負電懸浮在兩板間保持靜止.
(1)若要測出該油滴的電荷量，需要測出的物理量有________.
A.油滴質量m B.兩板間的電壓U
C.兩板間的距離d D.兩板的長度L
(2)用所選擇的物理量表示出該油滴的電荷量q＝________.(已知重力加速度為g)
板間電場為勻強電場，油滴處于靜止狀態，所以電場力與重力平衡。
所以需要測出的物理量有油滴質量m，兩板間的電壓U，兩板間的距離d。
解析：
ABC
【例題2】(多選)(盧瑟福和他的學生用α粒子轟擊不同的金屬，并同時進行觀測，經過大量的實驗，最終確定了原子的核式結構.如圖為該實驗的裝置，其中熒光屏能隨顯微鏡在圖中的圓面內轉動.當用α粒子轟擊金箔時，在不同位置進行觀測，如果觀測的時間相同，則下列說法正確的是（ ）
A.在1處看到的閃光次數最多
B.2處的閃光次數比4處多
C.3和4處沒有閃光
D.4處有閃光但次數極少
解析：
ABD
在盧瑟福α粒子散射實驗中，α粒子穿過金箔后，絕大多數α粒子仍沿原來的方向前進，則在1處看到的閃光次數最多，故A正確；少數α粒子發生大角度偏轉，極少數α粒子偏轉角度大于90°，極個別α粒子被反彈回來，在2、3、4位置觀察到的閃光次數依次減少，故C錯誤，B、D正確。
【例題3】(多選)根據盧瑟福的原子核式結構理論，下列對原子結構的認識中，正確的是（ ）
A.原子中絕大部分是空的，原子核很小
B.電子在核外運動，庫侖力提供向心力
C.原子的全部正電荷都集中在原子核里
D.原子核的直徑大約為10－10 m
解析：
　盧瑟福α粒子散射實驗的結果否定了關于原子結構的湯姆孫模型，提出了關于原子的核式結構學說，并估算出原子核半徑的數量級為10－15 m，原子半徑的數量級為10－10 m，原子半徑是原子核半徑的十萬倍，所以原子內部是十分“空曠”的，核外帶負電的電子由于受到帶正電的原子核的吸引而繞核旋轉，所以A、B、C正確，D錯誤.
ABC
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繼盧瑟福之后人們是如何探索原子結構的？
其實盧瑟福的模型提出后，很多科學家都無法接受，因為電子在庫侖力下繞核運轉，電磁場發生變化，激發出電磁波，就是向外輻射能量。那么能量越來越少，電子軌道半徑減小，最后會撞到原子核上。但事實上很穩定。那么這個矛盾又在呼喚著什么新理論的出現，誰又將繼續完成我們的發現之旅呢？我們下節課繼續……
科學要靠兩條腿走路，一條是理論，另一條是實驗。有時一條腿走在了前面，有時另一條腿走在了前面。但是只有兩條腿都使用時，才能夠前進
———密立根

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