二、原子与原子核的结构教学设计第二课时

3.2 原子与原子核的结构

西安高新第一中学

刘颖

一、教材分析

教材从原子的结构出发，通过a粒子散射实验构建了原子核式结构模型，并进一步研究原子核的构成，简述了质子的发现过程，同时对原子核的研究进一步延深，粗略陈述了核反应过程，提出了爱因斯坦的质能方程，为下一节的学习做好铺垫。

二、教学目标设计

（一）知识与技能

1．了解人们对原子与原子核的结构研究的历史过程，学习相应的物理学史；

2．卢瑟福a粒子散射实验，核式结构模型的建立，了解从分析实验结果到提出原子的核式结构学说的过程；

3．知道质子和中子的发现过程及原子核的组成；了解原子物理的研究方法是在实验的基础上进行科学分析；

4．了解原子核的表示方法，了解同位素；了解爱因斯坦质能方程的含义，感受它的科学之美。

（二）过程与方法

通过对原子结构的认识过程的学习，体会原子物理学发展的历程，通过对前人科学研究的回顾和演绎，建立正确的科学观和世界观，并理解人类对微观世界的认识是不断扩大和加深的科学探究永无止境。

（三）情感态度与价值观

通过阅读史料，感受前辈科学家为探究真理而毕生奋斗的科学精神。

三、教学重点、

难点

教学重点：原子物理学发展史及对应的理论成就；

教学难点：贯穿核物理学发展的物理学史的人文体会。

四、教学过程设计

1.

导入

【通过对宇宙中万事万物哲理的分析，引出了原子的概念，物理中蕴含着人文，蕴含着情怀，让学生能够感受到这种情怀】

一沙一世界，一叶一菩提，我们的宇宙看似浩瀚无边，但在更高级的生命看来有可能仅仅只是一颗“沙粒”，或者说一个微粒。

地球在宇宙中是孤单的吗？这是人类对宇宙提出的最大疑问。为了找寻答案我们曾仰望星空，但还有一个更大的疑问，那就是宇宙最初是如何形成的。这个问题的答案无法在太空中找到，而是蕴藏在构成万物的最微小物质中。宇宙的硕大让人难以想象，但浩瀚宇宙中的巨大物体却都是由最微小的物质构成。

那就是原子。原子到底有多小呢？如果用一个原子和一个橙子比较大小，就相当于在用橙子和地球比较大小。想了解极大的物体必须从极小的物体着眼，因为每一个原子都蕴藏着解开宇宙最大谜题的关键。知道有一个成语是一叶知秋，从一片树就知道秋天到来了。比如通过个别的细节就可以看到整个形势的发展情况，有以小见大的意思。科学家们通过研究非常微小的原子，来解开诅咒的秘密，就有一叶知秋。

古希腊人首先提出理论，认为万物都是由一个个无法再切分的微小，但没

构成。他们把这个微小单位命名为阿托莫斯，也就是我们今天所说的原子。

英国物理学家汤姆生（1856-1940），于1897年通过实验证明了电子的存在，并于1904年提出原子结构模型：葡萄干蛋糕模型。

我们在初中已经直到这个葡萄干模型是错误的，但是不是说汤姆生所有的成就因为这个错误就会否定，他仍然是一个伟大的科学家，物理学就是不断地试错和纠结中不断发展的。

今天，我们仍然要记住这个伟大的人物，汤姆生：

1856年12月18日生于英国曼彻斯特，父亲是一个专印大学课本的商人，由于职业的关系，他父亲结识了曼彻斯特大学的一些教授。汤姆逊从小就受到学者的影响，学习很认真，十四岁便进入了曼彻斯特大学。在大学学习期间，他受到了司徒华教授的精心指导，加上他自己的刻苦钻研，学业提高很快。

1876年，即二十一岁时，他被保送进了剑桥大学三一学院深造。

1880年他参加了剑桥大学的学位考试，以第二名的优异成绩取得学位，随后被选为三一学院学员，两年后又被任命为大学讲师。他在数物理学方面具有很高修养。发表了《论涡旋环的运动》和《论动力学在物理学和化学中的应用》论文。

1884年，28岁的汤姆逊在瑞利的推荐下，担任了卡文迪许实验室物理学教授。

1897年汤姆逊在研究稀薄气体放电的实验中，证明了电子的存在，测定了电子的荷质比，轰动了整个物理学界。

1905年，他被任命为英国皇家学院的教授；

1906年荣获诺贝尔物理学奖；

1916年任皇家学会主席。

1919年被选为科学院外籍委员会首脑。汤姆逊在担任卡文迪许实验物理教授及实验室主任的34年，桃李满天下。

1940年8月30日，汤姆逊逝世于剑桥。终年84岁。

卢瑟福可以说站在了巨人的肩膀上，他是汤姆生的研究生，在汤姆生的指导和帮助下取得了辉煌的成就，下面我们一起来回顾一下卢瑟福的生平。

1911年，卢瑟福根据α粒子散射实验现象提出原子核式结构模型。该实验被评为“物理最美实验”之一。

1919年，卢瑟福做了用α粒子轰击氮核的实验。他从氮核中打出的一种粒子，并测定了它的电荷与质量，它的电荷量为一个单位，质量也为一个单位，卢瑟福将之命名为质子。

他通过α粒子为物质所散射的研究，无可辩驳的论证了原子的核模型，因而一举把原子结构的研究引上了正确的轨道，于是他被誉为原子物理学之父。由于电子轨道也就是原子结构的稳定性和经典电动力学的矛盾，才导致玻尔提出背离经典物理学的革命性的量子假设，成为量子力学的先驱。

人工核反应的实现是卢瑟福的另一项重大贡献。自从元素的放射性衰变被确证以后，人们一直试图用各种手段，如用电弧放电，来实现元素的人工衰变，而只有卢瑟福找到了实现这种衰变的正确途径。这种用粒子或γ射线轰击原子核来引起核反应的方法，很快就成为人们研究原子核和应用核技术的重要手段。在卢瑟福的晚年，他已能在实验室中用人工加速的粒子来引起核反应。

今天，我就沿着卢瑟福及其学生的研究思路，对原子和原子核的结构进行研究。

2.

新课教学

2.1α

粒子散射实验

1909～1911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手们进行了

α 粒子散射实验.

【通过问答的方式对α

粒子散射实验的实验数据进行分析，获得相应的理论结果及结论，让学生体会科学探究的过程。】

α 粒子散射实验的结果及分析：

图像：

分析：

结果：

结论：

新的原子模型的构建

【再次进行小结，让学生对实验结果有更深刻的认识】

α 粒子散射实验的结果：

绝大多数

α 粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但少数

α 粒子发生了较大的偏转，并且有极少数

α 粒子的偏转超过了90°，有的甚至几乎达到180°。

根据汤姆孙模型计算的结果：电子质量很小，对

α 粒子的运动方向不会发生明显影响；由于正电荷均匀分布，

α 粒子所受库仑力也很小，故

α 粒子偏转角度不会很大。

原子的核式结构的提出

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。

原子核的电荷和大小

根据卢瑟福的原子核式模型和

α 粒子散射的实验数据，

可以推算出各种元素原子核的电荷数，还可以估计出原子核

的大小。

(1) 原子的半径约为

10-10m、原子核半径约是

10 -14m，原子核的体积只占原子的体积的万亿分之一。

(2) 原子核所带正电荷数与核外电子数以及该元素在周期

表内的原子序数相等。

(3)

电子绕核旋转所需向心力就是核对它的库仑力。

2.2原子核的组成

【通过物理学史的回顾给出了原子核的组成发现的过程，让学生对该过程有一个直观的感受，最好的方式就是讲故事，娓娓道来，让孩子们细细品味】

如何研究微小到还没有观察到的原子核的结构？卢瑟福因为有研究原子结构的经验，对此也是信心满满。通过漫画对话的形式给出了原子核研究的基本方法：撞击。

（1）质子的发现

1919-1921年间，卢瑟福和他的学生查德威克(1891-1974)发现氮原子在α粒子的轰击下放出一种带有正电荷的粒子。

思考：如何检测该粒子是正电荷呢？

他们将这种粒子引入电场和磁场中，并根据它在电场和磁场中的偏转，测出了它的质量和电量，确定出它就是氢原子核，又称为质子。

1921-1924年间，卢瑟福用多种元素进行这个实验，证明十多种轻元素都能发生衰变并放出那种带正电荷的粒子，卢瑟福称这种粒子为质子，指出质子是原子核的组成部分。

质子带正电荷，电荷量与一个电子所带电荷量相等。

质子的质量mp=1.6726231*10-27kg （2）中子的发现

卢瑟福的另一个学生莫塞莱(1887～1915)注意到，原子核所带电荷数与原子序数相等，但原子量却比原子序数大。基于此，卢瑟福早在1920年，卢瑟福在一次演讲中预言原子核不可能只由质子组成这个重要推论，提出原子核内可能还有与质子质量相同，但不显电性的中性粒子。哈金斯在此不久后就给这个设想的质子电子对取了一个恰当的名字：中子。

查德威克认为卢瑟福的预言很有道理，并制定了详细的实验计划，力图找到中子。从1921年起，他用了十年时间，作了大量实验，但没有得到满意的结果。

法国物理学家伊莲娜·居里(1897-1956)与她的丈夫约里奥·居里(1900-1958)用钋放出的α粒子轰击轻金属元素铍的发现证明了中子的存在。

通过重复实验，查德威克证明了他的想法是正确的：这种中性粒子的质量非常接近质子的质量。按照哈金斯的建议，他把这个新发现的粒子命名为中子。1932年2月，他在美国《自然》杂志上发表题为《中子可能存在》的论文，报告了这一成果。进一步的实验表明，这种类型的粒子可以从不同的元素中被轰击出来。证明了中子也是原子核的组成部分。查德威克也因此获得1935年的诺贝尔奖。

中子不带电，用符号n表示，质量mn=1.6749286*10-27kg

同年4月到7月间，苏联物理学家伊凡宁柯和德国物理学家海森堡分别提出了原子核结构由质子和中子组成的质子－中子学说。中子和质子加在一起就可以解释所有元素的核结构，这一点是很清楚了，那时人们把它看成是一种基本粒子。

到了1936年，玻尔发现原子核的密度几乎相同，因此提出了液滴模型：每个核粒子就像液滴一样紧密地压在一起，就像水由水滴组成一样。

【为了让孩子们了解近代物理学发展的前景，没有全部照搬课本，而是对中子的构成进一步阐述，希望孩子可以产生科学的曙光，有进一步探索的动力】

20世纪中叶起，人类为了探索微观世界的奥秘，制造了各种类型的粒子加速器。随着粒子

加速器的功率增加，作为“子弹”的轰击粒子的能量也越来越大，发现也就更多了。

20世纪50年代，美国物理学家在用高能电子轰击质子时，发现质子的电荷分布并不均匀。这意味着质子也有内部结构。

20世纪60年代，科学家发现质子和中子都是由称为“夸克”的更小的粒子构成。

因为刚开始认为这种粒子有三种，所以，在1964年，盖尔曼(1929-)将其取名为“夸克”，引自乔伊斯(1882-1941)的怪诞诗集《芬尼根的苏醒》中的一句诗：“三声夸克，鼓励马克”。正式提出了基本粒子结构的“夸克模型”。

随着实验事实的不断出现，夸克模型也在不断修改完善，一直到后来增加到六种夸克，并且，这一模型在解释实验事实上越来越成功，人们越来越相信夸克是确实存在于更深层次的物质实体。

借助于不断完善的粒子加速器，又发现了μ介子、π介子等四百余种比原子核更深一个层次的物质存在形式的粒子。但可惜的是，实验中从未发现过一个夸克。

考虑到质量与能量之间的转化，夸克或许是粒子分割的极限。不过，人类对自然界的探索是不会停止的，微观世界的神秘面纱还有待于继续探索。

（3）原子核的符号

【通过对原子核符号的分析质量数（核子数）、原子序数（质子数）可以获得量化信息，并提出同位素的概念】

原子核的构成：质子和中子（统称为

核子）

原子核的常用符号

同位素

2.3质能方程

【通过对核反应的描述，进一步给出内部蕴含的原理，质能守恒，从质量亏损开始讲到结合能，从而提出巨大能量的来源于质量的转化，为下一节学习做准备】

核反应：如果某种粒子与原子核发生相互作用，导致核的组成或核的状态发生了改变，这样的过程称为核反应。

由于原子核内的核子之间存在强大的相互作用力，所以核子结合成原子核或者原子核分解为核子时，都伴随着巨大的能量变化，蕴藏在原子核中的能量叫做核能。

质量亏损：构成原子核的分离核子的总质量大于原子核的质量，这个质量差值我们称之为质量亏损。

该质量亏损对应的能量我们称之为结合能，它是将原子核分离成孤立的核子所需要的能量。

3.结语

原子核中蕴含着巨大的能量

希望我们开启的不是潘多拉的魔盒

核能的左边是上帝，右边就是魔鬼，我们要合理利用核能。

随着原子露出真容，似乎一花一世界，也确实呈现出了相同的景象，浩瀚的宇宙与微小原子的结构呈现出了惊人的相似，这其中还有很多的奥秘等待着我们去追寻，去探寻，科学探究的过程是一个漫长的过程，希望在我们中将来出现能够耐得住寂寞的科学家们继续坚持不懈的挖掘我们美丽的世界。

五、教学反思

希望在这节课更多的体现人文和情怀，这节课是文科班的物理课，希望让更多的文科生体会物理之美，物理除了实验和结论性的描述，他有更多的让人琢磨的内涵和深度，当我们注重知识的传授的时候，少了物理学史的渗透，如果将物理学的探究和教学过程变成孩子们跟着物理学大师重走发现之路，也许孩子们能够获得更多，今后我将尝试更多这种类型的课程，让学生对知识的掌握和应用变成对知识的体会和感受，让他们对科学不是敬而远之，而是感同身受。

质量亏损：构成原子核的分离核子的总质量大于原子核的质量，这个质量差值我们称之为质量亏损。

该质量亏损对应的