汤姆孙原子模型

1第十四章原子原子核教学目的：1．知道电子的发现和汤姆孙原子模型。2．知道α粒子散射实验和原子的核式结构模型。3．培养学生的观察能力、推理分析能力和辨证唯物主义的观点。教学过程：（认识发现X射线，天然放射性，电子的三位科学家——伦琴，贝克勒耳，汤姆孙，引入课题。）人们对物质结构的认识是逐步深化的。长期以来，人们一直认为原子是组成物质的最小微粒，是不可分割的（原子atom这个字本意是“不可分割的）。直到十九世纪末、二十世纪初，1895年发现X射线，1896年发现天然放射性，1897年发现电子，连续出现的这三大发现在科学界和哲学界产生的影响是十分巨大，给整个物理学界带来了困惑和争论，有人称作“原理的普遍毁灭”。人们认识到原子也是可分的，且具有复杂的内在结构。研究原子的结构，是本世纪初物理学发展的重要方面，它推进了量子论的发展，导致量子力学的创立，使人们对物质结构的认识进入到一个更深的层次。引入新课师：这一章我们将学习原子和原子核物理中的一些基本原理，了解原子和原子和的性质、结构、运动规律及其应用。研究对象是微观粒子。你们知道原子的2结构是怎样的吗？生：原子是由电子和原子核组成的师：这种结构是这种结构是通过什么实验，如何分析推理得到的？生：不知道。师：我们对原子结构已有所认识，但还不够全面、系统，特别是还不知道怎样在实验和理论的相互推动下，使认识得到发展的。现在，就让我们沿着历史发展的线索来学习。§14.1原子核式结构的发现一．电子的发现1895年，德国物理学家伦琴发现X射线之后，英国物理学家汤姆孙对阴极射线进行了更深入的实验研究，确认阴极射线是带负电的粒子流。1897年，他测定了组成阴极射线粒子的比荷，并发现用不同物质做成的阴极发出的阴极射线粒子都有相同的e／m值，这表明不同物质都能发射这种带负电的粒子，它是构成各种物质的共有成分。那么汤姆孙是通过怎样的实验和分析发现电子的呢？（指导学生带着以下问题看书回答：）为什么说电子是原子的组成部分？汤姆孙测得的阴极射线粒子的比荷，大约是当时已知的氢离子比荷的1840倍。汤姆孙认为这不外乎两种可能，不是阴极射线粒子的电荷很大，就是它的质量很小，后来汤姆孙测量了氢离子和阴极射线粒子的电荷，虽然测量不很准确，但可以肯定组成阴极射线粒子的电荷与氢离子的电荷大小是基本相等的，由此得出阴极射线粒子的质量比氢离子的质量小得多的结论，人们把这种粒子叫做电子。以后，美国物理学家密立根于1917年测定的基元电荷，这样，由电子的比荷和电量就可以算出电子的质量。e／m＝1.75880×1011库／千克电子电量3e＝1.602219×10－19库从而计算出电子质量是9.10953×10－31千克，约为氢原子质量的1/1837。氢原子是当时已知的质量最小的原子，由电子质量比氢离子的质量小得多，汤姆孙认为，电子可能是组成原子的基本部分。说明：使学生知道电子的发现对人类认识原子结构有重大意义，改变了人们认为原子是组成物质的最小微粒的看法。知道电子的比荷和电量的测定。二．汤姆孙的原子模型既然原子中存在带负电的电子，而原子通常是电中性的，那么原子中一定含有带正电的部分。电子的质量很小，因此，原子的质量主要集中在带正电的部分，原子中带正电的部分和带负电的电子是怎样分布的呢？很自然的便提出了原子的结构问题。最有影响的是1903年汤姆孙提出的原子模型。他认为原子是一个直径约为10－10米的球体，正电荷均匀分布在整个球体中，带负电的电子就嵌在其中，好像蛋糕中嵌着一粒粒葡萄干一样，利用这一模型，能够解释一些实验事实，但是几年后就被英国物理学卢瑟福发现新的实验事实否定了。说明：应指出人类对原子结构的认识有一个发展过程，不是一开始就能得出正确的结论。三．α粒子散射实验卢瑟福从1909年起做了著名的α粒子散射实验，实验的目的是想证实汤姆孙原子模型的正确性，实验结果却成了否定汤姆孙原子模型的有力证据。在此基础上卢瑟福提出了原子核式结构模型。α粒子散射实验。（请学生带着以下两个问题阅读课本上α粒子散射实验）41．实验用到哪些器材？各有什么作用？（实验是怎样做的？）放射源钋：放在带小孔的铅盒中，放射出α粒子金箔：很薄，约1微米左右，作靶子。荧光屏：α粒子穿过金箔后，打到荧光屏上可见闪光。显微镜：观察闪光。2．观察到什么现象？（实验结果是什么？）绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进少数粒子发生较大的偏转极少数粒子的偏转超过90度，有的几乎达到180度，象是被金箔弹了回来。这就是α粒子散射实验。3．那么怎样解释所看到的这种散射现象？用汤姆孙原子模型解释是否可行？（分析实验结果得到怎样的原子模型？）师：α粒子与电子碰撞结果会怎样？生：α粒子具有相当大的动量，所以电子不可能使α粒子发生大角度的偏转。师：两侧正电荷作用于粒子的斥力对α粒子运动有何影响？生：由汤姆孙原子模型可知，两侧均匀分布的正电荷对α粒子的斥力大部分已抵消，也不会使α粒子产生大角度的偏转。5由以上分析，汤姆生原子模型与实验事实不符，应该否定。只有全部的正电荷和几乎全部质量集中到一个很小的空间里（后来人们称这个质量集中点为“核”），并且粒子十分接近它，才可能有大角度的散射现象。卢瑟福在这样分析基础上提出了原子的核式结构学说。并进行了α粒子散射的定量计算，得出散射的粒子束在空间各方向的分布，这个计算结果与实验结果完全一致，从而证实了原子的核式结构。四．原子的核式结构模型卢瑟福在1911年提出了原子的核式结构模型，认为在原子的中心有一个很小的核，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里绕核旋转。按照这一模型，α粒子穿过原子时，电子对α粒子运动的影响很小，影响α粒子运动的主要是带正电的原子核。而绝大多数的α粒子穿过原子时离核较远，受到的库仑斥力很小，运动方向几乎没有改变，只有极少数α粒子可能与核十分接近，受到较大的库仑力，才会发生大角度的偏转。原子核大小的估计：根据α粒子散射实验，可以估算出原子核的直径约为10－14－10－15米，原子直径大约是10－10米，所以原子核的直径大约是原子直径的万分之一，原子核体积相当于原子体积的万亿分之一。6巩固：1．氢原子的半径是0.53×10－10米，电子不致被吸引到核上，按照卢瑟福的原子模型，电子绕核做匀速圆周运动的速度是多大？解：氢原子核与电子间的库仑力就是电子绕核做匀速圆周运动的向心力。秒米秒米/102.2/1053.0101.9)106.1(100.96103121992222mrkevrvmrek2．估计氢原子核的密度大小。(已知氢原子核半径约为3×10－15米，阿伏伽德罗常数为6.02×1023／摩)解：氢原子核的体积为344315310413.1)103(6161mmdV一个氢原子的质量为kgkgNMmAo272331066.11002.6101氢原子核的平均密度为31734427/1017.1/10413.11066.1mkgmkgVmo说明：氢核的密度为1.17×1017kg／m3,而金子的密度是19.3×103kg／m3，两个密度相差甚远，由此可以想象出原子的体积和原子核的体积相差多么悬殊，原子核是多么小，原子内部是多么“空”。7板书设计：§14.1原子结构的发现一．电子的发现1．汤姆孙阴极射线管测定比荷实验。实践e／m=1.75880×1011库／千克2．汤姆孙原子模型。认识二．原子的核式结构1．卢瑟福α粒子散射实验。再实践2．原子核式结构模型。再认识3．对原子核大小的估计。