2第二节：原子的核式结构模型解析

第二节原子的核式结构模型

白景曦

（西北师范大学第一附属中学甘肃兰州 730070）

摘要

汤姆生发现电子后，提出枣糕式原子模型；卢瑟福和助手做了α粒子散射实验，提出原子的核式结构模型；玻尔根据经典电磁理论和卢瑟福的核式结构模型的矛盾，提出原子的量子化结构模型。

关键词：电子的发现枣糕式模型α粒子散射实验核式结构模型量子化结构模型

引言

很早以前人们就提出组成物质的最小微粒是原子，但是原子是否有内部结构、是否还可以再分呢？同学们的回答一定是肯定的。那么，人们是什么时候发现原子还可以再分？又是如何探索原子的结构的呢？

1897年，汤姆生发现了电子，后来人们又通过气体电离和光电效应实验从物体中打出了电子。通过这些现象，人们意识到原子并不是不可再分的。原子内除了电子外还应该有带正电的物质，它们是怎么构成原子的呢？本节课我们来研究第三节：原子的结构。

第1课时：原子的核式结构

新课教学：

一、原子的结构

1．电子的发现

1897年英国物理学家汤姆生在研究低压气体放电——阴极射线时发现了电子。汤姆生对阴极射线进行了一系列的实验研究，确定了阴极射线中粒子带负电，并计算出了它的荷质比m

e ，通过进一步的研究发现它的电量跟氢离子的电量基本相同，质量比氢离子小得多，后来人们称之为电子，是原子的组成部分。阴极射线是高速电子流，电子的发现对揭示原子结构具有重大意义，它是近代物理三大发现（X 射线、放射性、电子）之一。

思考：既然电子是原子的组成部分，而原子又是中性的，那么原子里还存在带什么电的物质？既然电子质量很小，那么原子的质量绝大部分集中在哪里？带正电的物质和带负电的电子是如何组成原子的呢？

2．汤姆生的原子结构（枣糕型）

（1）枣糕式模型：汤姆生提出，原子是由带负电的电

子和带正电的物质组成，原子是一个球体，带正电的物质

均匀的分布在原子中——就象枣糕中的米粒，电子嵌在原

子中——就象枣糕中的枣子，且在平衡位置振动。

（2）应用：汤姆生原子模型能解释一些实验事实——如原子是中性的。在汤姆生发表论文10年后，即1909年到1911年，他的学生卢瑟福和同事们做了一个著名的α粒子散射实验，这个实验现象无法用汤姆生原子模型来正确解释——说明

汤姆生原子模型有不正确的地方，卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出了原子的核式结构学说。

3．原子的核式结构

（1）α粒子散射实验（P62）

装备：如图，α粒子源、金箔

（很薄，约1微米左右）、带荧光

屏的显微镜、带荧光屏的显微镜可以沿图中虚线转动，整个装置放在

真空中。

实验及设想：用α粒子轰击金箔，由于金原子中的带电微粒对α粒子有库仑力的作用，一些α粒子穿过金箔后会改变原来的运动方向，这种现象叫做α粒子散射。卢瑟福希望通过对散射的研究的分析，来了解原子内部电荷与质量的分布情况。

实验现象：绝大多数α粒子不偏转；

少数α粒子发生了较大角度的偏转；

极少数α粒子发生了大角度偏转，甚至被反弹回来。

α

实验现象分析：

按汤姆生模型分析，α粒子穿过汤姆生原子模型有两种可能，

①与电子相碰，②受到静电斥力。因为电子的质量很小，α粒子打

在电子上，就象子弹打在一颗尘埃上一样，运动方向不可能发生什

么变化；当α粒子通过金箔时受静电斥力作用，但由于带正电的物

质均匀分布，所以正电荷对α粒子的斥力大部分相互抵消，也不会使α粒子产生大角度偏转。

思考：什么样的原子结构会出现这样的实验现象呢？

因为电子的质量很小，α粒子打在电子上，就象子弹打在一颗尘埃上一样，运动方向不可能发生什么变化。α粒子的偏转一定是带正电的物质引起的，大多数α粒子不偏转的原因是它们运动过程中没有受到带正电的物质的斥力作用，说明原子内几乎是“空”的；少数α粒子发生较大偏转，说明带正电的物质对它们产生了库仑斥力的作用；极少数α粒子发生大角度偏转，说明它们和带正电的物质发生了很大的作用力——撞击，而且这种物质占据的空间很小。

（2）原子的核式结构

英国物理学家卢瑟福在α粒子散射实验的基础上，于1911年提出了原子核式结构学说。

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。

学生讨论：用原子核式结构学说解释α粒子散射实验。

小结：按卢瑟福的原子核式结构模型，原子内部是十分“空旷”的，近年来的研究表明，原子直径的数量级（实际上是电子的活动范围的数量级）为10

－10m ，而原子核直径的数量级为10－15m ，两者的直径相差十万倍。如果把原子直径比做直径为百米左右的大球，那么原子核则只有毫米左右米粒大小。所以，α粒子通过金箔时，如入“无人之景”，绝大多数α

粒子碰不到质量和电量都较大的原子核，只有少子从原子核附近经过，受电场力

作用较大而发生较大的偏转。只有极少数的数α粒粒子跟原子核发生“碰撞”，从而发生大角度偏转，但这种“碰撞”发生的可能性极小。

学生讨论：卢瑟福原子模型和汤姆生原子模型的相同之处和不同之处是什么？

相同点：①原子都由带负电的电子和带正电的物质组成，且正负电荷相等；②电子质量很小，原子的质量几乎全部集中在带正电的物质上。

不同点：①有核和无核；②空和实（虽空但有核）；③电子转与不转（绕核）。教师：卢瑟福是肯定了汤氏原子模型的正确方面，否定了不切实际的部分后提出自己的学说的，这是在肯定的基础上的否定，使认识向前发展。——辩证的否定是事物发展的重要环节。

结论

本节课收获如下：

1. 知识：（1）电子的发现；（2）枣糕式模型；（3）α粒子散射实验；（4）原子的核式结构。

2. 方法：实验法、归纳法、分析法

第2课时：能级

复习：

1．α粒子散射实验现象有哪些？

2．原子的核式结构模型的内容是什么？

引言

原子的“核式结构”，是卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出的。卢瑟福的核式结构模型能很好的解释有关的实验现象，得到了多数人的支持。卢瑟福的核式结构模型有缺陷吗？本节课我们就来研究这个问题。

新课教学

一、卢瑟福原子核式结构学说与经典电磁理论的矛盾

1．原子是不稳定的。

经典的电磁理论认为电子绕原子核旋转，则一定具有加速度，作变速运动，作变速运动的电子产生变化的电场，因而电子向外辐射能量——辐射电磁波，因此随着它的能量减少，电子运行的轨道半径也减小，最终要落入原子核中——造成原子塌陷，这样看来原子是不稳定的。而实际上原子是稳定的。

2．大量原子的光谱将是包含一切频率的连续光谱。

经典的电磁理论认为电子绕核运行的轨道不断的变化，它向外辐射电磁波的频率应该等于绕核旋转的频率。因此在轨道不断减小的过程中原子辐射一切频率的电