1　原子核的组成教学设计方案

第二十二章《原子核

》

课题一

原子核式结构

原子核

【教学目标】1、了解关于原子结构认识的简单历程

2、了解α粒子散射实验，理解卢瑟福关于原子核式结构模型提出的依据

3、知道原子核的基本组成

【教学重点】通过α粒子散射实验分析卢瑟福关于原子核式结构模型的提出

【教学难点】理解关于微观空间物理规律的探索方法

【授课时数】2课时

【教学过程】

［预习导读］

1．这一章，包括原子结构、原子核的组成和原子能等内容。原子是微小的，无法直接观察它的内部结构，实验中研究原子的有效办法是利用高能粒子去碰撞原子，引起某些可能观察到的现象，从分析这些现象的过程中逐步探索认识原子的内部结构和规律。在这一章中重点讲述了人类是在哪些实验基础上认识原子结构和原子核组成的。怎样在实验与理论的相互推动下，使认识不断发展不断深入的。

这一章的特点是内容较抽象，缺少实验演示，定性说明多。同学们学习本章时要发挥想象力，要重视概念和理论的实验基础，以及理论的产生过程。要掌握有关的计算问题，学习科学家的思维过程。

2．19世纪末以前，人们认为原子是不可再分的。

公元前5世纪，希腊哲学家提出物质是由不可分的微粒（原子）组成的。不过没有实验根据。一百多前，人们从化学实验中知道，物质由分子组成，分子由原子组成。因在化学反应中原子的种类和数目不变，使人们认为原子是组成物质的最小微粒，是不能再分的。

3．电子的发现。

（1）介绍阴极射线：在封闭的玻璃管内有两个电极，抽出管内的空气（压强在10-2mmHg以下）。当两极间加高压时，从阴极发出一种射线叫阴极射线，它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光。在19世纪70年代已有人提出它是带负电的粒子流，但实验证据不足。

（2）1897年英国科学家汤姆生利用阴极射线在电场中和磁场中的偏转的实验证明了阴极射线是带负的的粒子流。

（3）1897年汤姆生进一步测定了阴极射线粒子的荷质比e/m，发现不同物质组成的阴极发出的射线都有相同的e/m值。表明这种带电粒子是一切不同元素的原子的共同组成部分，称它为电子。

汤姆生测得电子的荷质比e/m约是氢离子荷质比的二千倍，又测得二者电量基本相同，由此可知电子的质量约是氢离子质量的二千分之一，电子比原子的质量小得多。

电子的发现证明了原子是可分的。后来发现光电效应等都从物质原子中击出了电子。

【知识要点】

1．复习引入

关于原子的结构，化学教材已经介绍得很到位了。但在本章，我们还是希望从物理的去认识它的相关观点和规律。

在分子动理论中，我们已经知道了分子的线度，它小到了人们几乎不能用直接的方法去探测它。所以，探索微观世界的规律就是要立足于援用间接的途径。在本章中，观点和规律的得出，都必须在事实依据的基础上加上比宏观空间更多的理性推导，同学们要有一定的思想准备。

一、原子结构的认识

1．汤姆逊的原子结构模型

契机：阴极射线研究→电子发现

观点：正、负物质相互镶嵌。认为原子内正电荷均匀分布在其中，电子只是在振动，原子里是“实”的

缺陷：无法解释原子的单位化问题

【疑难辩析】

2．α粒子的散射实验。

（1）1909-1911年英国物理学家卢瑟福等做了用α粒子轰击薄金箔的实验。

（2）α粒子散射实验装置各部分的名称和作用。

α粒子：带

电，电量是电子电量的

倍，质量约是氢原子的

倍，约是电子质量的7000倍。从放射性元素中放射出来的α粒子动能很大，射出速度达107米/秒，α粒子打到荧光屏上能产生一个闪烁的亮点，可用显微镜观察。

放射源：钋放在带小孔的铅盒中，能放射α粒子。

金箔：厚度极小。可至1微米（虽然很薄但仍有几千层原子）。

显微镜：能够围绕金箔在水平面内转动。

荧光屏：玻璃片上涂有荧光物质硫化锌，装在显微镜上。

（3）实验过程：

①、α粒子从铅盒小孔射出，形成很细的束射线，射到荧光屏上产生闪光，通过显微镜观察。

②、放上金箔F，观察α粒子穿过金箔打到荧光屏上发出的闪光。

③、转动显微镜和荧光屏，在不同偏转角θ处观察，可看到α粒子的散射现象。

（4）介绍实验结果

①、绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转。

②、散射的α粒子的数目随着θ角的增大而很快地减少。有极少数α粒子的偏转角θ超过了0090，有的甚至几乎达到180，象是被金箔弹回来。

（5）汤姆生原子模型不能解释α粒子的散射实验结果中的大角度散射现象，因而被否定。

（6）为了解释α粒子的散射实验结果，卢瑟福在1911年提出了原子的核式结构学说：

在原子的中心有一个很的核，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着核旋转

－－根据实验数据计算可知原子的直径约为1010m，原子核直径约为1014m。。

思考：①用原子的核式结构学说解释：α粒子的散射实验中为什么绝大多数α粒子仍沿原方向前进，只有极少数发生大角度偏转？

②为什么卢瑟福认为电子一定要绕核旋转？

现象

α粒子绝大多数不偏转；

说明

原因是它们运动过程中没有受到阻碍，说明原子内几乎是“空”的．

α粒子少数发生较大偏转；

α粒子极小数发生大角度偏转。

说明有带正电的物质对α粒子产生库仑斥力的作用

它们和某种物质发生了撞击，而且这种物质占据了很小的空间．

3、卢瑟福原子结构模型

契机：α粒子散射实验

－观点：正电物质集中在线度为1015m的核中，负电物质（电子）绕核做圆周运动。

提出原子的核式结构学说：卢瑟福于1911年提出关于原子的核式结构学说，他指出，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绕着核旋转．

缺陷：无法解释原子光谱。

4、玻尔原子结构模型

契机：明线光谱研究

观点：原子只处在特定能量状态，而且以定态的形式存在，能级之间跃迁形成辐射（或吸收）的特定光谱。

缺陷：只能解释氢原子光谱

5、电子云模型

契机：解释其它原子的光谱

观点：核外电子出现的概率可以用波动规律描述，电子并未做圆周运动。（原子结构的电子云模型是玻粒二象性的完美统一。）

二、原子核的组成

1、质子的发现

a、卢瑟福的研究→◆1919年卢瑟福用α粒子轰击氮原子核的实验

b、布拉凯特的研究（云室照片）

发现质子的方程：4He+14N→17O+1H

27812、中子的发现

a、

卢瑟福预言中子存在

思维过程：最初有人认为，原子核可能只是由质子组成的。但不久就知道这种想法是不正确的。如果原子核只是由质子组成，它的电荷数应该与质量数相等。实际上原子核的电荷数只是质量数的一半或者还少一些，卢瑟福根据这一事实，预言原子内可能还存在着质量跟质子相等的不带电的中性粒子，他把它称为中子。

b、（德）彼特·居里夫人核女婿约里奥·居里完成实验过程，但认为中子是γ射线

c、查德威克总结、定位

1发现中子的核反应方程：

4He+9Be→12C+0n

2463、原子核的结构

a、

组成部分：质子、中子、其它基本粒子（见教材P78“阅读材料”）

原子核由质子和中子组成，其中：质子数=原子的原子序数，中子数=原子核的质量数减去质子数

b、

核子：质子和中子统称为核子。

c、

原子核的符号：ZX

A→质量数

Z→电荷数（质子数、核外电子数）

d、

作用：核力——短程的吸引力，使核子组成核。

把各种核子紧紧地结合在一起的力叫核力。特点：作用距离短（只在2.0×10-15的短距离起作用，相邻核子间才有核力作用）；力强（远大于库仑力）。

e、同位素：具有相同的质子数和不同的中子数的原子互称同位素

如：1H

、1H、1H

三、小结

相对化学而言，本节的知识基本上都属于复习性质。我们在这里需要了解的是相关的物理学史，重点是原子结构模型提出的出发点和观点。

【学法指导】

123A【典型例析】

【例1】卢瑟福通过___________实验，发现了原子中间有一个很小的核，并由此提出了原子的核式结构模型。右面平面示意图中的四条线表示α粒子运动的可能轨迹，在图中完成中间两条α粒子的运动轨迹。

【例2】．在α粒子散射实验中，如果一个α粒子跟金箔中的电子相撞，则[

] A．α粒子的动能和动量几乎没有损失。

B．α粒子将损失部分动能和动量。

C．α粒子不会发生显著的偏转。

D．α粒子将发生较大角度的偏转。

【例3】．在α粒子散射实验中，当α粒子最接近金核时[

] A．α粒子动能最小

B．α粒子受到的库仑力最大

C．α粒子电势能最小

【例4】.关于核力，下列说法中正确的是：( ) A.核力是一种特殊的万有引力 B.原子核内任意两个核子之间都有核力作用

C.核力是原子核所稳定存在的原因 D.核力是一种短程强作用力

【例5】

在氢原子中，设电子绕核作圆周运动，n为量子数，下列说法中正确的是( )

A．电子绕核旋转的角速度与量子数n成反比

B．电子绕核旋转的动量与量子数n成反比

C．电子绕核旋转的动能与量子数n的平方成反比

D．电子绕核旋转的周期与量子数n的立方成正比

ke2【例5】解析 由向心力公式和玻尔理论：rn2mvnrn2及mvnrnnh2

n2h22ke2rnvn22nh，

4kme

可求得：和vn8k2me2wn33rnhn

则；

2kme2pnnh；

122k2me42Ekmvn2n2h2

；

2rnn3h3T224v4kmen

．

答案

B、C、D

【基础训练】

姓名

组别

【能力提高】

1．关于α粒子散射实验的下述说法中正确的是[

] A．在实验中观察到的现象是绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来方向前进，少数发生了较大偏转，极少数偏转超过90°，有的甚至被弹回接近180°；

B．使α粒子发生明显偏转的力是来自带正电的核及核外电子，当α粒子接近核时是核的推斥力使α粒子发生明显偏转，当α粒子接近电子时，是电子的吸引力使之发生明显偏转；

C．实验表明原子中心有一个极小的核，它占有原子体积的极小部分；

D．实验表明原子中心的核带有原子的全部正电及全部质量。

2．卢瑟福对α粒子散射实验的解释是[

] A．使α粒子产生偏转的主要力是原子中电子对α粒子的作用力。

B．使α粒子产生偏转的力主要是原子核的库仑斥力。

C．原子核很小，α粒子接近它的机会很少，所以绝大多数的α粒子仍沿原来的方向前进。

D．能产生大角度偏转的α粒子是穿过原子时离原子核近的α粒子。

3．图1所示卢瑟福α粒子散射实验的原子核和两个α粒子的径迹，其中可能正确的是[ A

]

4、已知氦离子He+能级En与量子数n的关系和氢原子能级公式类似，处于基态的氦离子He+的电离能为E=54.4eV。为使处于基态的氦离子He+处于激发态，入射光子所需的能量可能为(氢原子能级公式En=-E/n2)（ ）

A、13.6eV（光子） B、40.8eV（光子） C、48.0eV（电子）

D、50.0eV（电子）

（可以吸收电子的部分能量）

5 ．英国物理学家卢瑟福用α粒子轰击金箔，发现了

α

粒子的散射现象．下图中，

O 表示金原子核的位置，则能正确表示该实验中经过金原子核附近的

α

粒子的运动轨迹的图是

(BD)

6．关于α粒子散射实验的装置，下列说法正确的是( B )

A．全部设备都放在没有尘埃的洁净的空气中

B．荧光屏和显微镜能围绕金箔在一个圆周上转动

C．若将金箔改为银箔，就不能发生散射现象

D．金箔的厚度不会影响实验结果

7．第一次发现电子的科学家是__汤姆生______，他提出了______枣糕_____原子模型。

8．在α粒子散射实验中，当在α粒子最接近原子核时，关于描述α粒子的有关物理量符合下列哪种情况( )

A．动能最小

B．势能最小

C．α粒子与金原子核组成的系统能量最小

D．α粒子所受金原子核的斥力最大

8．解析 α粒子和金原子核都带正电，库仑力表现为斥力，两者距离减小时，库仑力做负功，故α粒子动能减小，电势能增加；系统的能量守恒，由库仑定律可知随着距离的减小，库仑斥力逐渐增大．

答案 A、D

分析实验现象：绝大部分α粒子不改变运动方向，说明穿过时没受到阻碍。少数α粒子有较大偏转。其原因是这部分α粒子受到斥力的作用，施力者不是电子，因电子质量太小，只能是有一个带正电的大质量的“物体”、极少数α粒子方向改变180°，只能是带正电α粒子与大质量“物体”正碰的结果。比较绝大多数、少数、极少数，可知一定有一个体积很小“物体”存在，且带正电，集中了几乎原子的全部质量，得到原子核式结构的结论。