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

学前拓展：

美国实验物理学家密立根说过“科学靠两条腿走路,一是理论,一是实验。有时一条腿走在前面,有时另一条腿走在前面。”在中子的发现过程中,是哪条腿走在了前面呢? 提示:理论走在了前面,先是卢瑟福从理论上预言了中子的存在,然后被他的学生查德威克通过实验加以证实。

学习目标：

1.了解α粒子散射实验,了解从分析实验结果到提出原子的核式结构学说的过程,知道卢瑟福的原子核式结构模型。

2.知道原子核的组成,知道什么是同位素。

3.知道什么是质量亏损,了解爱因斯坦质能方程的含义,会用爱因斯坦质能方程计算核反应中的核能。

课前预习案：

一、原子的核式结构模型

1.提出依据(α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。实验结果表明:绝大多数的α粒子穿过金箔后仍大致沿原来的方向前进,但是少数α粒子发生了较大的偏转。

2.模型内容

在原子的中心有一个很小的核,原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在核内,这个核叫原子核,带负电的电子在核外的空间运动着。

二、原子核的组成

1.质子的发现

1919年,卢瑟福用α粒子轰击氮原子核,并从中打出了氢原子核(叫作质子),用

H表示。可见,质子是原子核的组成部分。

2.中子的发现

卢瑟福猜想原子核内存在着质量跟质子相同,但是不带电的中子,后来被他的学生英国物理学家查德威克通过实验证实。

3.原子核的组成

(1)组成:原子核是由质子和中子组成的,这两种粒子统称为核子,其中质子带正电,中子不带电。

(2)关系:原子核的质量数等于质子数与中子数的总和(即:核子数);原子核的电荷数等于它的质子数,也就是这种元素的原子序数;具有相同质子数和不同中子数的原子互称同位素。

提示:相等,因为通常情况下原子不显电性。

三、质能方程

1.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变化,这样的过程叫核反应。

2.核能

核子结合成原子核或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称为核能。

3.质能方程

爱因斯坦的相对论指出,物体的能量与质量之间存在着联系,它们之间的关系是E=mc2。

4.质量亏损

原子核的质量比组成它的所有质子和中子的质量之和要略小一点,这个现象叫质量亏损。

实验探究：

原子的核式结构与原子核的组成

问题导引

在α粒子的散射实验中,为什么不用考虑α粒子与电子的碰撞?为什么从α粒子发生的大角度散射现象,可以设想原子具有原子核? 提示:α粒子发生大角度散射,不可能是α粒子与原子中电子碰撞的结果,因为电子质量很小(相对α粒子而言),由力学知识可以知道电子不会对α粒子的运动产生什么影响;大角度散射,说明α粒子撞到了质量很大的带正电物质;而发生这一现象的α粒子很少,又说明那个“质量很大的带正电物质”分布在很小的空间里,因此设想原子中的正电荷与原子的几乎全部质量一定集中在一个很小的核上。

1.α粒子散射实验

(1)实验装置

(2)实验过程

α粒子从铅盒射出,形成细射线打在金箔上,被散射的α粒子打在荧光屏上产生闪光,用可转动的显微镜从不同角度进行观察。

(3)实验结果

绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,少数α粒子发生偏转,极少数α粒子发生较大的偏转。

(4)实验分析

由于电子质量远小于α粒子质量,所以电子不可能使α粒子发生大角度偏转。实验现象说明原子绝大部分是空的,除非原子的几乎全部质量和所有正电荷都集中在原子中心的一个很小的核上,否则,α粒子大角度散射是不可能的。

(5)实验意义

α粒子散射实验为卢瑟福的原子核式结构模型提供了实验依据,还进一步估算出了原子核的大小。

2.原子的核式结构

卢瑟福依据α粒子散射实验的结果,提出了原子的核式结构:在原子的中心有一个很小的核,原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在核内,这个核叫作原子核,带负电的电子在核外的空间运动着。

3.原子核的组成

原子核是由质子和中子组成的,质子和中子统称核子。原子核所带电荷都是质子电荷的整数倍,通常用这个整数表示原子核的电荷量,叫作原子核的电荷数,用Z表示。原子核的质量几乎等于核内质子和中子质量的总和。由于质子和中子质量几乎相等,所以原子核的质量近似等于核子质量的整数倍,这个倍数叫作原子核的质量数,用A表示,原子核的符号可以表示为

X。其中X为元素符号,A为原子核的质量数,Z为核电荷数,例如氦核,可表示为

He。表示氦核的质量数为4,电荷数为2,核内有2个质子和2个中子。 U代表铀核,质量数为238,电荷数为92,质子数为92,中子数为146,有时也写为238U或简称为铀238。

4.原子核中的三个整数

(1)核子数:质子和中子质量差别非常微小,二者统称为核子,所以质子数和中子数之和叫作核子数。

(2)电荷数(Z):原子核所带的电荷总是质子电荷的整数倍,通常用这个整数表示原子核的电荷量,叫作原子核的电荷数。

(3)质量数(A):原子核的质量几乎等于核内质子和中子的质量的总和,而质子与中子质量几乎相等,所以原子核的质量近似等于核子质量的整数倍,这个倍数叫作原子核的质量数。

【例题1】

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库仑力

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

解析:由于原子内部十分空旷,只有靠近原子核的α粒子才能发生大角度散射。选项B、C、D正确。

答案:BCD 题后反思：α粒子散射实验现象,导致了卢瑟福核式结构模型的建立。极少数α粒子发生大角度偏转的原因,是原子核和α粒子间静电斥力作用的结果。