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2019-2020年高三物理 第二十二章 原子核 一、原子的核式結構、原子核(第一課時) ●本節(jié)教材分析 《原子核》一章是原子核物理的初步知識，基本屬于定性介紹.學習本章內容對學生認識物質世界的本質，進一步學習現代科學技術和進行辯證唯物主義教育都有重要意義.《原子的核式結構、原子核》是本章的第一節(jié)，也是本章的重點內容之一.本節(jié)內容循著物理學發(fā)展的歷史，從電子的發(fā)現揭示了原子具有復雜結構，引出了原子的核式結構模型.學習本節(jié)內容時既聯(lián)系到電磁學知識，又要為學習本章后面的內容作準備，同時又能使學生體會到實踐是探索真理的重要手段，感悟在物理學研究中理論與實踐的辯證關系. 原子物理研究的是微觀世界的現象，它不像宏觀世界那樣看得見、摸得著，因此研究起來也就更困難.學生在初中時已經學過原子和原子核的初步知識，這里的教學重點應放在原子核式結構提出的相關實驗基礎和研究問題的思路和方法上，通過學習使學生了解人類是怎樣認識微觀世界的. 由于學生在初中學習過原子結構的知識，已經認識到原子是由原子核和繞核旋轉的電子組成的，在學習中容易產生不重視的心理.為了引起學生的重視，激發(fā)學生的興趣，可向學生提問：原子中有原子核這已是眾所周知的事實，但是你知道人們是根據什么說原子中有原子核的嗎？ 20世紀初人們連原子都看不見，怎么會知道原子中有一個比原子小得多的核呢？人們又如何知道原子核的性質呢？這樣提出問題后，即可介紹α粒子散射實驗和原子的核式結構模型. α粒子散射實驗的教學要注意實驗本身的原理和實驗結果的分析兩部分教學，即不應只記住結論而不懂實驗的原理，也不能過多地講述實驗的細節(jié)，而忽略了對結論的正確分析. 關于原子核的組成，應在初中知識的基礎上進一步明確：核內的質子數等于原子序數，中子數等于質量數減原子序數. ●教學目標 一、知識目標 了解α粒子的散射實驗，理解盧瑟福的核式結構模型.知道原子核的基本組成. 二、能力目標 培養(yǎng)學生的觀察能力和設疑、解疑、探求規(guī)律的分析推理能力；啟迪科學精神與創(chuàng)新意識；以學科教學為載體，滲透研究性學習的內容和方法. 三、德育目標 進行科學態(tài)度、科學方法和辯證唯物主義教育，感悟物理學研究中理論與實踐的辯證關系. ●教學重點 通過α粒子散射實驗結果的分析建立盧瑟福的核式結構模型. ●教學難點從宏觀探測的結果怎樣構建正確的原子微觀圖景. ●教學方法 在本節(jié)采用多媒體輔助教學，在教學及課件設計上，把學生的參與和啟迪學生的思維、對學生進行科學態(tài)度和科學方法教育、培養(yǎng)學生的辯證唯物主義觀點和感悟物理學研究中理論與實踐的辯證關系等與多媒體輔助教學有機地結合起來.始終以實驗結果為依據，突出以“發(fā)現”為線索，抓住層層分析、揭示本質這一關鍵. ●教學用具 多媒體教學系統(tǒng)及課件. ●課時安排 1課時 ●教學過程 一、引入新課 ［教師設問］原子是構成物質的最小微粒嗎？如果不是，那它的結構是什么？人們是怎樣知道的？ ［學生思考］…… ［教師點撥］人們認識原子核首先是從發(fā)現電子開始的. 二、新課教學 （一）電子的發(fā)現和湯姆生原子模型 1.電子的發(fā)現：1897年，湯姆生（英國）實驗依據：陰極射線 對陰極射線裝置作一簡介，在封閉的玻璃管內有兩個電極，抽出管內的空氣（壓強在10-2 mmHg以下）.當兩極間加高壓時，從陰極發(fā)出一種射線叫陰極射線，它能使對著陰極的玻璃管壁發(fā)出熒光.在19世紀70年代已有人提出它是帶負電的粒子流，但實驗證據不足. 提出湯姆生對陰極射線通過怎樣的實驗和分析來確認電子的呢？激發(fā)學生的探索欲望，引出下面的問題. 2.電子的性質 對湯姆生的研究過程可以用以下3個問題來層層揭示： （1）怎樣確定陰極射線粒子是否帶電及帶電的電性？ ［教師點撥］什么能對帶電的粒子產生作用？ ［學生回答］電場或磁場. ［教師點撥］那么怎樣確定陰極射線是否帶電？ ［學生回答］讓陰極射線進入電場或磁場，根據其是否發(fā)生偏轉及偏轉的方向就可以確定是否帶電及帶電的性質. （2）怎樣確認陰極射線粒子的性質，如何確定其質量、電量或荷質比？ ［學生討論］基礎較好的學生通過認真的思考，大都可以想到，讓陰極射線進入電場（或磁場）中發(fā)生偏轉，測出其偏轉的的距離（或在磁場中的旋轉半徑），就可以應用力學知識求出其荷質比. ［教師總結］ ①實驗發(fā)現，不同物質做成的陰極發(fā)出的射線都帶負電，并且都有相同的荷質比.這表明不同的物質都能發(fā)射出這種粒子. ②湯姆生測出的陰極射線粒子的荷質比是當時已知的氫離子荷質比的二千倍，后來又通過實驗證實陰極射線粒子與氫離子的電量相等，可見陰極射線粒子的質量是氫離子質量的二千分之一.后來人們把這種粒子叫做電子. （3）為什么說電子是原子的組成部分？ 說明：除了從陰極射線中發(fā)現電子外，后來在氣體電離和光電效應等現象中都發(fā)現了電子.因為從所有物質中都可以擊出電子，而物質是由原子組成的，所以說電子是原子的組成部分. 對這3個問題應先引導學生聯(lián)系已有的電磁學知識分析、討論，再給出結論.這樣處理有助于聯(lián)系學生的已有知識和啟迪學生的思維. 3.電子發(fā)現的意義：電子的發(fā)現打破了原子不可再分的信念，揭示了原子具有復雜的結構，是人類對物質結構認識的一次飛躍，開創(chuàng)了探索原子結構奧秘的新時代. 電子帶負電，原子呈中性，原子應由帶負電的電子和帶正電的物質組成.帶負電的電子和帶正電的物質怎樣構成原子呢？電子的質量很小，那么原子的質量絕大部分集中在哪里呢？這些問題能再次激發(fā)學生的探索欲望，引出原子構成的模型問題. 先讓學生猜測原子內部的構造，再提出湯姆生的原子模型 4湯姆生的原子模型： （1）湯姆生原子模型——棗糕模型（多媒體電腦模擬） 顯示湯姆生原子模型的畫面（如圖22—1），鼠標滑過模型中的不同部分，屏幕顯示內容的相應文字及其配音，操作可反復執(zhí)行.這樣處理既強調了湯姆生原子模型的內容，又給學生提供了湯姆生原子模型的直觀圖型，變抽象為直觀，易于學生理解和接受. 圖22—1 （2）湯姆生原子模型的特點：原子是質量均勻分布的球體，正電荷均勻分布在整個球體內，帶負電的電子對稱地鑲嵌在其中. 屏幕顯示湯姆生原子模型成功之處的文字，并用畫面顯示原子受到激發(fā)后電子振動引起原子發(fā)光的動畫. （二）α粒子的散射實驗和盧瑟福核式結構模型（多媒體電腦模擬） 1.α粒子的散射實驗：1909－1911年，盧瑟福（英國） α粒子散射實驗無法在課堂上用真實的實驗演示給學生看，用傳統(tǒng)的方法教學時這里是個難點.而采用多媒體輔助教學卻很容易突破這一難點，教學設計如下： （1）實驗裝置：屏幕顯示α粒子散射實驗裝置圖示（如圖22—2），鼠標滑過裝置的各個部分時，顯示對應裝置的文字說明. 圖22—2 （2）操作步驟：播放α粒子散射實驗操作過程的視頻動畫，配合聲音、文字說明α粒子散射實驗的操作過程.這種處理方法簡捷、直觀，平時在課堂上很難用語言描述清楚的問題瞬間即可展示在學生的面前. （3）實驗結果：先用動畫模擬α粒子穿過金箔后散射的實驗情況，再用鼠標滑過三個典型的觀察區(qū)域，滑過各區(qū)域時模擬顯示顯微鏡中看到的情況，最后用聲音和文字展示α粒子散射實驗的結果，并突出顯示“絕大多數”“少數”“極少數”這三個數量詞.這樣處理能使學生置身于實驗之中，有一種身臨其境的感覺. （4）結果分析：結果分析是建立盧瑟福核式結構模型的關鍵.α粒子散射實驗的結果是從宏觀上探測的間接的結果，如何通過結果分析幫助學生在頭腦中正確構建原子結構的微觀圖景，是教學處理中不容忽視的重要環(huán)節(jié). 本課件設計時設置了4個問題： （1）電子能否使α粒子發(fā)生大角度的散射？ （2）湯姆生原子模型能否使α粒子發(fā)生大角度的散射？ （3）1 μm厚的金箔仍包含3300多個原子層，絕大多數α粒子穿過金箔后仍沿原方向前進說明了什么？ （4）極少數α粒子的偏轉角超過了90，有的幾乎達到180，其原因是什么？ 通過對這4個問題的層層揭示，并通過聯(lián)系實際、聯(lián)系力學知識、用動畫模擬等手段來突破難點.這一過程類似科學研究的方式，是學生主動地獲取知識、應用知識、解決問題的學習活動.這一過程能充分調動學生的參與意識、培養(yǎng)學生的探索精神、啟迪學生的思維，學生能很自然地形成和掌握知識. 2.盧瑟福的核式結構模型：介紹核式結構模型的內容、核式結構模型對α粒子散射實驗的解釋及對原子核大小的估計. （1）盧瑟福核式結構模型（多媒體電腦模擬） 在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間里繞著核旋轉. （用聲音和文字顯示核式結構模型的內容，并用動畫模擬核式結構模型，給學生提供微觀模型的直觀感性認識） （2）核式結構模型對α粒子散射實驗的解釋： 先引導分析影響α粒子散射角度大小的主要原因，將主要原因用文字顯示出來，再用視頻動畫展示并加以解釋（如圖22—3）.這樣處理能再次將理論和實踐結合起來，使學生感悟在物理學研究中理論和實踐之間的辯證關系. 圖22—3 （3）對原子核大小的估計：運用力學中碰撞知識分析指出，當α粒子與原子核對心正碰時，α粒子與原子核接近的最小距離近似認為是原子核的半徑.并用屏幕顯示原子和原子核半徑的數量級（10-15 m），指出原子和原子核半徑和體積之間的數量級關系. （三）原子核的組成及其性質 原子核內究竟還有什么結構？原子核又是由什么粒子組成的呢？這是個很復雜的問題，直到目前原子核內部的細微組成情況仍是科學研究的尖端項目之一.現在我們只能是粗淺地、簡單地介紹原子核內部的基本組成情況. 1.質子和中子的發(fā)現 ［教師啟發(fā)］原子很小，原子核更小，肉眼無法看到，用普通的顯微鏡也看不到.那么用什么方法可以探測原子核內部的結構？ ［學生思考］有些學生會想到用其他的微觀粒子，去撞擊原子核，看它是否會發(fā)生變化？ ［教師講解］科學家正是用這個方法去探測原子核的內部結構的，簡單介紹盧瑟福發(fā)現質子的實驗. 1919年盧瑟福發(fā)現質子：（11H或p） 英國物理學家盧瑟福在1919年做了用α粒子轟擊氮核的實驗，從氮核中打出了一種粒子.發(fā)現了質子，經過實驗研究證明，這種粒子帶正電荷，其電量和一個電子的電量相同，它的質量等于一個電子質量的1836倍.進一步研究表明，這種粒子的性質和氫原子核的性質完全相同，把它叫做質子.所以質子就是氫原子核.以后人們用類似的方法幾乎從所有的原子核中都打出了質子，因而人們斷定質子是原子核的組成部分. ［教師啟發(fā)］原子核是否只是由質子組成呢？如果是，那么核的質量與質子質量的比值（即質量數）應該與核的電荷與質子的電荷的比值（即電荷數）有什么關系？（相等），查看元素周期表，看看實際上是什么關系？這又說明什么？請同學們猜想原子核內除了質子，還可能會有什么樣的粒子？ ［學生活動］學生查看元素周期表，得出結論（核的質量數大于電荷數）.學生經過思考與討論，得出原子核內除了質子，還可能有一種質量與質子質量相等，但不帶電的中性粒子. ［教師講解］盧瑟福當時也是這么猜想的，并且它的這一猜想后來被他的學生查德威克用實驗證實. 1932年查德威克發(fā)現中子：（n或10n） 1932年英國物理學家查德威克又發(fā)現了中子，通過研究證明中子的質量和質子的質量基本相同，但是不帶電，是中性粒子.在對各種原子核進行的實驗中，發(fā)現質子和中子是組成原子核的兩種基本粒子. 2.原子核的組成：質子和中子（統(tǒng)稱核子） 3.原子核的性質 原子核的電荷：等于核內所有質子的電荷總和，即質子電荷的整數倍.這個整數叫原子核的電荷數，用“Z”表示. 即電荷數（Z）＝質子數＝原子序數 原子核的質量：等于核內所有質子和中子的質量總和，由于中子和質子質量幾乎相等，所以原子核質量近似等于質子質量的整數倍.這個整數叫原子核的質量數，用“A”表示. 即質量數（A）＝核子數＝質子數＋中子數 同位素：質子數相同而中子數不同的原子核，其原子的核外電子數都相同，因而其化學性質相同，在元素周期表中處于同一位置，因而互成同位素. 原子核的表示符號： AZX（例：23590U或235U或鈾235） 三、小結 歸納本節(jié)學習的主要內容，以及本節(jié)學習中體現的理論與實踐的辯證關系.用直觀簡捷的文字框圖加閃爍的箭頭來總結. 陰極射線→湯 姆 生→粒 子→盧 瑟 福 發(fā)現電子 原子模型 散射實驗 核式模型 ↑ ↑ ↑ ↑ 實踐 → 認識 → 再實踐 → 再認識 四、布置作業(yè) 完成課后練習 五、板書設計 （一）電子的發(fā)現和湯姆生的原子模型 1.電子的發(fā)現：1897年，湯姆生（英國） 實驗依據：陰極射線、氣體電離、光電效應都有電子從物質中產生. 2.電子的性質：帶負電、電量e＝1.610-19 C、質量m＝（1/1840）mH 3.發(fā)現電子的意義：原子是可分的，原子有一定的結構. 4.湯姆生的原子模型——棗糕模型. 特點：質量和電荷均勻分布的實心球，電子對稱鑲嵌其中. 解釋原子發(fā)光：電子振動引起原子發(fā)光. （二）α粒子的散射實驗和盧瑟福的核式結構模型 1.α粒子的散射實驗 （1）實驗裝置： （2）實驗原理：用α粒子轟擊金箔，通過觀察金原子對α粒子產生的作用效果來推測原子內部的結構 （3）實驗結果： 絕大多數α粒子基本上未發(fā)生偏轉——說明原子內部很空虛. 少數α粒子發(fā)生較大偏轉——說明這些α粒子遇到了較大的靜電斥力和質量較集中的區(qū)域. 極少數α粒子甚至被反彈——說明原子內部的正電荷和質量集中在一個很小的區(qū)域. 2.盧瑟福的核式結構模型 （1）盧瑟福核式結構模型 （2）對α粒子散射實驗的解釋 （3）對原子核大小的估計：10－15 m （三）原子核的組成及其性質 1.質子和中子的發(fā)現 1919年盧瑟福用α粒子轟擊氮核發(fā)現質子（11H或p） 1932查德威克用α粒子轟擊鈹核發(fā)現中子（n或10n） 2.原子核的組成：質子和中子（統(tǒng)稱核子） 3.原子核的性質及表示符號 （1）原子核的電荷：電荷數（Z）＝質子數＝原子序數 （2）原子核的質量：質量數（A）＝核子數＝質子數＋中子數 （3）同位素：質子數相同而中子數不同的原子核，其原子的核外電子數都相同，因而其化學性質相同，在元素周期表中處于同一位置，因而互成同位素. （4）原子核的符號： AZX（例：23590U或235U或鈾235） 六、本節(jié)優(yōu)化訓練設計 1.盧瑟福α粒子散射實驗的結果 A.證明了質子的存在 B.證明了原子核是由質子和中子組成的 C.說明了原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在一個很小的核上 D.說明原子中的電子只能繞原子核旋轉 2.當α粒子被重核散射時,如圖22—4所示的運動軌跡哪些是不可能存在的 圖22—4 3.盧瑟福提出原子核式結構學說的根據是在用α粒子轟擊金箔的實驗中，發(fā)現α粒子 A.全部穿過或發(fā)生很小的偏轉 B.全部發(fā)生很大的偏轉 C.絕大多數穿過，只有少數發(fā)生很大偏轉，甚至極少數被彈回 D.絕大多數發(fā)生偏轉，甚至被彈回 4.盧瑟福于1911年提出原子核式結構學說，其主要觀點是 A.原子中絕大部分是空的，原子核很小且位于原子的中心 B.電子在核外空間繞原子核旋轉，向心力是原子核對電子的靜電引力 C.原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里 D.原子核的半徑大約是原子大小的10倍 5.在α粒子散射實驗中，發(fā)現有兩個相同能量的α粒子，由不同角度散射出去.如果只考慮由原子核散射的情況，散射角大的α粒子屬于下列哪種情況 A.更為接近原子核 B.更為遠離原子核 C.受到較大的沖量作用 D.受到較小的沖量作用 6.在α粒子的散射實驗中，當α粒子運動與金核靠得最近時，α粒子 A.動能最大 B.勢能最大 C.動能最小 D.受靜電力最大 7.在α粒子的散射實驗中，并沒有考慮α粒子跟電子碰撞所產生的效果，這是由于 A.α粒子跟電子相碰時，損失的動量很小，可忽略 B.電子體積實在太小，α粒子完全碰不到它 C.α粒子跟各電子碰撞的效果互相抵消 D.由于電子是均勻分布的，α粒子受電子作用力的合力為零 8.鈾235的原子核符號常寫成23592U,由此可知 A.鈾235的原子核中有質子92個 B.鈾235的原子核中有電子92個 C.鈾235的原子核中有中子235個 D.鈾235的原子核中有中子143個 參考答案： 1.C 2.BC 3.C 4.ABC 5.AC 6.BCD 7.A 8.AD